Mecânica dos fluidos/O que é fluido

Definição

Formalmente, um fluido é uma substância que se deforma continuamente quando submetida a uma tensão de cisalhamento (força tangencial distribuida em uma área); em contraste, um sólido (não-fluido) experimenta, nessas condições, uma deformação que é proporcional à intensidade da força aplicada.

Uma definição equivalente é a seguinte: fluido é uma substância que, quando em repouso, não oferece resistência a uma força de cisalhamento. Ou seja, ao contrário de um sólido, um fluido não é capaz de exercer uma força de resistência proporcional à deformação (F = kx), embora possa ser capaz de exercer uma força de resistência proporcional à velocidade da deformação (F = kv).

Fluidos constituem o que se conhece pelos estados líquido e gasoso da matéria. São exemplos de fluidos a água, o ar e o sangue. Os fluidos quase sempre caracterizam-se por partículas fracamente ligadas, apresentando considerável mobilidade. A estrutura não apresenta simetria de translação ou periodicidade, exceto quando se trata de materiais conhecidos como Cristais Líquidos. Em um líquido, o volume é pouco sensível a variações de pressão (fluido incompressível); em um gás, o volume varia bastante de acordo com a pressão (fluido compressível).

Pressão

Define-se pressão como a força F aplicada em uma unidade de área A. No Sistema Internacional de Unidades (SI), essa grandeza é medida em pascals (1 Pa = 1 N/m²).

A pressão pode ser absoluta, ou seja, medida com relação ao vácuo, ou manométrica (ing. gage pressure), quando medida com relação à pressão atmosférica. Quando se usam equações de estado de gases, por exemplo, deve ser usada a pressão absoluta.

Empuxo

No estudo dos fluidos, é importante conhecer e considerar o campo gravitacional ao qual eles estão sujeitos. Considere-se, por exemplo, uma parede de tijolos, composta de n fileiras. Devido ao seu peso, a primeira fileira, de cima para baixo, exerce uma pressão $P$ sobre a base superior da segunda. A segunda também exerce uma pressão $P$ sobre a base superior da terceira, devida ao seu próprio peso, além de transmitir-lhe a pressão sofrida em razão da primeira, e assim sucessivamente. Note-se que a segunda fileira sofre uma pressão $P$ , a terceira uma pressão $2P$ , a quarta $3P$ , de tal modo que a n-ésima fileira, de cima para baixo, sobre uma pressão $(n\;-\;1)P$ .

Assim, a j-ésima linha sofre sobre sua base superior uma pressão $(j\;-\;1)P$ e sofre na sua base inferior uma força de reação à compressão que exerce sobre a linha inferior, que é igual a $jP$ . Logo, entre as bases j-ésima linha, existe uma diferença de pressão $dP\;=\;(j\;-\;(j\;-\;1))P\;=\;P$ .

Pense, então, que um líquido encerrado em um recipiente pode ser dividido em pequenos cubinhos ou fatias, a fim de aplicar a mesma idéia utilizada para a parede de tijolos. É fácil perceber que a pressão à qual está sujeito um objeto que esteja imerso nesse líquido varia de acordo com a profundidade na coluna de líquido. Essa idéia vale para qualquer fluido, apesar ser tanto mais perceptível quanto maior é a densidade do fluido, visto que a intensidade da diferença de pressão, nestes casos, mostra-se muito mais evidente. Portanto, todo corpo imerso em um fluido está sujeito a uma diferença de pressão entre suas regiões mais afastadas e as mais próximas do campo gravitacional da Terra. A essa diferença de pressão devida à imersão em um fluido chama-se empuxo.

Verifica-se também que ao, deslocar-se um certo volume $V$ em um fluido devido à imersão de um corpo, o empuxo é sempre igual ao peso do fluido deslocado.

Massa Específica

A massa específica de um fluido é a relação entre a massa e o volume por ela ocupado: $\rho \;=\;{\frac {m}{V}}$ . A unidade SI de densidade é o kg/m³. Também é muito utilizada a densidade, que é a relação (adimensional) entre a massa específica do fluido e a massa específica da água a 4° C (1000 kg/m³). Por exemplo, a densidade do mercúrio é 13,6.

Sistemas e volumes de controle

Em mecânica dos fluidos, um sistema é definido como uma quantidade fixa de massa; os limites de um sistema podem ser, por sua vez, fixos ou mutáveis, mas nenhuma quantidade de massa cruza esses limites. Esse conceito corresponde ao de sistema fechado usado em termodinâmica. Calor pode entrar ou sair de um sistema.

Um volume de controle, por sua vez, é um volume arbitrário no espaço por onde pode fluir massa; o limite de um volume de controle é chamado de superfície de controle. Esse conceito corresponde ao de sistema aberto usado em termodinâmica. Tanto calor quanto massa podem cruzar uma superfície de controle.

Forças e tensões

Um elemento do fluido pode experimentar dois tipos de forças: forças de superfície, que são geradas por contato com outros elementos do fluido, partículas ou superfícies sólidas (por exemplo, força de compressão, força de cisalhamento, força de fricção); e forças do corpo, que são experimentadas através do próprio elemento (por exemplo, peso, força de Coriolis e forças de natureza eletromagnética). As forças de superfície são aplicadas externamente ao elemento e, portanto, dão origem a tensões no interior do fluido. A dimensão da tensão é a mesma da pressão (força/área).