Fluidos

Fluidos são substâncias capazes de escoar e que se deformam com facilidade. Incluem os líquidos, os gases e até mesmo o plasma. Fluidos ideais não oferecem qualquer resistência à aplicação de forças, ao ponto de assumirem o mesmo formato do recipiente em que são confinados.

Veja também: Dicas para resolver exercícios de Cinemática e se dar bem em qualquer prova

Características dos fluidos

Os fluidos podem ser divididos inicialmente em duas categorias: fluidos ideais e fluidos reais. Neste artigo trataremos dos fluidos ideais. Para tanto, vamos conferir algumas de suas principais características:

• não apresentam viscosidade;

• não resistem a cortes;

• são incompressíveis;

• não apresentam turbulências.

Além dessas características, uma vez que os fluidos não apresentam formato definido, suas propriedades são estudadas a partir de grandezas como massa específica e pressão que eles são capazes de exercer.

Massa específica dos fluidos

A massa específica de um fluido diz respeito à quantidade de matéria contida em um certo volume. Pode ser calculada por meio da massa do fluido dividida pelo volume ocupado por ele.

ρ – massa específica

m – massa

V – volume

A unidade de medida da massa específica, de acordo com o Sistema Internacional de Unidades, é o kg/m³, entretanto é comum que utilizemos unidades como o g/cm³ ou ainda o kg/L.

A massa específica dos fluidos é definida com base na densidade da água, que apresenta densidade de 1000 kg/m³, 1 g/cm³ ou 1 kg/L. Na tabela a seguir, vamos conferir a massa específica de outros fluidos conhecidos.

Pressão hidrostática

Os fluidos em repouso são capazes de exercer pressão, que é proporcional à sua densidade e altura. A pressão hidrostática, também conhecida como pressão manométrica, pode ser calculada pelo produto entre massa específica, aceleração da gravidade e altura do fluido.

ρ – massa específica (kg/m³)

g – aceleração da gravidade (m/s²)

h – altura do fluido em relação à superfície (m)

A partir do teorema de Stevin, também é possível determinar qual é a pressão em um ponto qualquer no interior de um fluido. Para tanto, deve-se levar em conta se o fluido encontra-se ou não sujeito a uma pressão externa, como a pressão atmosférica.

P₀ – pressão atmosférica

Chamamos de pressão atmosférica a pressão exercida pelo fluido que compõe a atmosfera terrestre. Ao nível do mar, a pressão atmosférica da Terra vale aproximadamente 1,01.10⁵ Pa (pascal), e 1 Pa equivale a uma força de 1 N, aplicada sobre uma área de 1 m².

Teorema de Pascal

De acordo com o Teorema de Pascal, toda pressão exercida sobre um fluido distribui-se de maneira uniforme em seu interior. Além disso, a força que o fluido exerce sobre o recipiente que o confina é sempre perpendicular à superfície do recipiente. Quer entender melhor sobre o assunto? Acesse o nosso artigo específico: Teorema de Pascal.

Veja também: Hidrostática — área da Física que explica o comportamento dos fluidos em condições de equilíbrio estático

Teorema de Arquimedes

Segundo o teorema de Arquimedes, o volume de fluido que é deslocado quando inserimos algum corpo no interior de um fluido corresponde ao próprio volume do corpo inserido. Além disso, se o peso do volume de fluido deslocado for menor que o peso do corpo inserido sobre o fluido, então esse corpo afundará. Se quiser saber mais sobre o assunto, acesse nosso artigo específico: Teorema de Arquimedes.

Dinâmica dos fluidos

A dinâmica dos fluidos é a área da mecânica que estuda os fluidos em movimento. Vamos ilustrar a situação em que um fluido ideal escoa através de um tubo de diferentes áreas de seção reta e diferentes alturas.

A principal equação da dinâmica dos fluidos é a equação de Bernoulli. Por meio dela, é possível relacionar diferentes pontos do fluido ilustrado na imagem anterior.

P₁ e P₂ – pressões nos pontos 1 e 2

h₁ e h₂ – alturas dos pontos 1 e 2

v₁ e v₂ – velocidades de escoamento do fluido nos pontos 1 e 2

A equação de Bernoulli é derivada da conservação da energia mecânica. Para que ela seja válida, entretanto, é necessário que o fluido estudado seja ideal. Essa equação tem diversas aplicações práticas, tais como a aerodinâmica e a hidrodinâmica.

O voo dos aviões, por exemplo, é explicado por meio da equação de Bernoulli. O ar que flui sobre a parte superior da asa do avião escoa mais rapidamente que o ar que passa pelo lado debaixo da asa. Isso faz com que a pressão em cima da asa seja menor que pressão na parte de baixo, desse modo, surge uma força de sustentação capaz de manter o avião no ar.

Exercícios resolvidos sobre fluidos

Questão 1 — Um fluido ideal ocupa o volume de 0,5 cm³ e apresenta uma massa igual a 0,2 g. Determine a massa específica desse fluido em g/cm³ e assinale a alternativa correta.

a) 0,8

b) 0,4

c) 1,2

d) 0,9

Resolução:

Para resolver o exercício, basta calcularmos a massa específica dividindo a massa do fluido pelo volume que ele ocupa. Observe:

Questão 2 — Um fluido ideal de massa específica igual a 0,8 g/cm³ encontra-se em equilíbrio hidrostático quando armazenado em um recipiente rígido e fechado, ocupando, assim, todo o seu volume. Sabendo que a área da base do recipiente, de formato cilíndrico, é igual a 0,25 m² e sua altura é de 1,25 m, a pressão hidrostática exercida pelo fluido é igual a:

Dados: g = 10 m/s².

a) 125 Pa

b) 50 Pa

c) 10 Pa

d) 15 Pa

Resolução:

Perceba que a pressão exercida pelo fluido não depende da área da base do recipiente, mas apenas de sua profundidade. Para calcular essa pressão, basta usarmos a fórmula da pressão hidrostática, também conhecida como pressão manométrica. Observe:

Questão 3 — Um mergulhador encontra-se a uma profundidade de 10 m em um lago cuja água apresenta uma massa específica de 1000 kg/m³. Sabendo que a aceleração da gravidade no local é de aproximadamente 9,8 m/s², a pressão total exercida sobre o mergulhador é de:

Dados: P₀ = 1,0.10⁵ Pa.

a) 1,98.10⁵ Pa

b) 2,98.10⁵ Pa

c) 0,98.10⁵ Pa

d) 1,89.10⁴ Pa

Resolução:

Para calcular a pressão exercida sobre o mergulhador, é preciso considerar a pressão atmosférica, além da pressão exercida pela água. Para tanto, utilizamos o teorema de Stevin: