A velocidade de um fluido incompressível em um canal que se estreita continuamente é dada pela equação
v
→
=
v
1
[
1
+
x
L
]
u
→
x
{\displaystyle {\vec {v}}\;=\;v_{1}\left[1\;+\;{\frac {x}{L}}\right]\;{\vec {u}}_{x}}
Calcular a aceleração de uma partícula qualquer no fluxo. Calcular também a trajetória da partícula localizada no ponto (0,0,0) no instante t = 0.
Aqui é preciso usar a forma diferencial das equações. A partir da velocidade, podemos encontrar a aceleração calculando a derivada direcional de v na direção do eixo X:
a
→
x
=
(
D
D
t
v
→
)
⋅
u
→
x
=
(
∂
v
→
x
∂
t
+
v
x
∂
v
x
∂
x
+
v
y
∂
v
x
∂
y
+
v
z
∂
v
x
∂
z
)
⋅
u
→
x
{\displaystyle {\vec {a}}_{x}\;=\;\left({\frac {D}{Dt}}{\vec {v}}\right)\cdot {\vec {u}}_{x}\;=\;\left({\frac {\partial {\vec {v}}_{x}}{\partial t}}\;+\;v_{x}\;{\frac {\partial v_{x}}{\partial x}}\;+\;v_{y}\;{\frac {\partial v_{x}}{\partial y}}\;+\;v_{z}\;{\frac {\partial v_{x}}{\partial z}}\right)\cdot {\vec {u}}_{x}}
a
→
x
=
(
0
+
v
1
L
⋅
v
1
[
1
+
x
L
]
+
0
+
0
)
⋅
u
→
x
=
v
1
2
L
[
1
+
x
L
]
u
→
x
{\displaystyle {\vec {a}}_{x}\;=\;\left(0\;+\;{\frac {v_{1}}{L}}\cdot v_{1}\left[1\;+\;{\frac {x}{L}}\right]\;+\;0\;+\;0\right)\cdot {\vec {u}}_{x}\;=\;{\frac {v_{1}^{2}}{L}}\left[1\;+\;{\frac {x}{L}}\right]\;{\vec {u}}_{x}}
Para encontrar uma expressão para a posição da partícula citada, que denotaremos por P, é preciso integrar a equação que determina a velocidade. Como só existe movimento com relação ao eixo X,
v
x
=
v
→
⋅
u
→
x
⇒
d
x
P
d
t
=
v
1
[
1
+
x
P
L
]
{\displaystyle v_{x}\;=\;{\vec {v}}\cdot {\vec {u}}_{x}\Rightarrow \;\;\;{\frac {dx_{P}}{dt}}\;=\;v_{1}\left[1\;+\;{\frac {x_{P}}{L}}\right]}
d
x
P
1
+
x
P
L
=
v
1
d
t
⇒
∫
0
x
d
x
P
1
+
x
P
L
=
∫
0
t
v
1
d
t
{\displaystyle {\frac {dx_{P}}{1\;+\;{\frac {x_{P}}{L}}}}\;=\;v_{1}dt\Rightarrow \;\;\;\int _{0}^{x}{\frac {dx_{P}}{1\;+\;{\frac {x_{P}}{L}}}}\;=\;\int _{0}^{t}v_{1}dt}
L
ln
(
1
+
x
P
L
)
|
0
x
=
v
1
t
|
0
t
⇒
L
ln
1
+
x
L
1
+
0
L
=
v
1
(
t
−
0
)
{\displaystyle \left.L\ln \left(1\;+\;{\frac {x_{P}}{L}}\right)\right|_{0}^{x}\;=\;\left.v_{1}t\right|_{0}^{t}\Rightarrow \;\;\;L\ln {\frac {1\;+\;{\frac {x}{L}}}{1\;+\;{\frac {0}{L}}}}\;=\;v_{1}(t\;-\;0)}
ln
(
1
+
x
L
)
=
v
1
L
t
⇒
(
1
+
x
L
)
=
e
v
1
L
t
{\displaystyle \ln \left(1\;+\;{\frac {x}{L}}\right)\;=\;{\frac {v_{1}}{L}}t\Rightarrow \;\;\;\left(1\;+\;{\frac {x}{L}}\right)\;=\;e^{{\frac {v_{1}}{L}}t}}
x
=
L
(
e
v
1
L
t
−
1
)
{\displaystyle x\;=\;L\left(e^{{\frac {v_{1}}{L}}t}\;-\;1\right)}
e, evidentemente, y = 0 e z = 0 para todo t.
A aceleração poderia ser calculada também derivando-se a função de posição
a
→
=
∂
2
x
∂
t
2
u
→
x
+
∂
2
y
∂
t
2
u
→
y
+
∂
2
z
∂
t
2
u
→
z
=
∂
2
∂
t
2
[
L
(
e
v
1
L
t
−
1
)
]
u
→
x
{\displaystyle {\vec {a}}\;=\;{\frac {\partial ^{2}x}{\partial t^{2}}}\;{\vec {u}}_{x}\;+\;{\frac {\partial ^{2}y}{\partial t^{2}}}\;{\vec {u}}_{y}\;+\;{\frac {\partial ^{2}z}{\partial t^{2}}}\;{\vec {u}}_{z}\;=\;{\frac {\partial ^{2}}{\partial t^{2}}}\left[L\left(e^{{\frac {v_{1}}{L}}t}\;-\;1\right)\right]\;{\vec {u}}_{x}}
a
→
=
∂
∂
t
[
L
v
1
L
(
e
v
1
L
t
−
1
)
]
u
→
x
=
[
v
1
v
1
L
(
e
v
1
L
t
−
1
)
]
u
→
x
{\displaystyle {\vec {a}}\;=\;{\frac {\partial }{\partial t}}\left[L{\frac {v_{1}}{L}}\left(e^{{\frac {v_{1}}{L}}t}\;-\;1\right)\right]\;{\vec {u}}_{x}\;=\;\left[v_{1}{\frac {v_{1}}{L}}\left(e^{{\frac {v_{1}}{L}}t}\;-\;1\right)\right]\;{\vec {u}}_{x}}
a
→
=
[
v
1
2
L
(
e
v
1
L
t
−
1
)
]
u
→
x
{\displaystyle {\vec {a}}\;=\;\left[{\frac {v_{1}^{2}}{L}}\left(e^{{\frac {v_{1}}{L}}t}\;-\;1\right)\right]\;{\vec {u}}_{x}}
que expressa a aceleração como uma função de t, não de x. É possível provar que as expressões são equivalentes substituindo-se x na primeira equação:
a
→
x
=
v
1
2
L
[
1
+
x
L
]
u
→
x
=
v
1
2
L
[
1
+
L
(
e
v
1
L
t
−
1
)
L
]
u
→
x
=
v
1
2
L
(
e
v
1
L
t
−
1
)
u
→
x
{\displaystyle {\vec {a}}_{x}\;=\;{\frac {v_{1}^{2}}{L}}\left[1\;+\;{\frac {x}{L}}\right]\;{\vec {u}}_{x}\;=\;{\frac {v_{1}^{2}}{L}}\left[1\;+\;{\frac {L\left(e^{{\frac {v_{1}}{L}}t}\;-\;1\right)}{L}}\right]\;{\vec {u}}_{x}\;=\;{\frac {v_{1}^{2}}{L}}\left(e^{{\frac {v_{1}}{L}}t}\;-\;1\right)\;{\vec {u}}_{x}}
Essas duas formas de obtenção da aceleração ilustram, respectivamente, o modelo de descrição Euleriano e o modelo de descrição Lagrangeano do movimento.