Dinâmica dos Fluidos é “o ramo da ciência aplicada que se preocupa com o movimento de líquidos e gases”, de acordo com o American Heritage Dictionary. A dinâmica dos fluidos é um dos dois ramos da mecânica dos fluidos, que é o estudo dos fluidos e como as forças os afectam. (O outro ramo é a estática dos fluidos, que trata de fluidos em repouso.)
Os cientistas de várias áreas estudam a dinâmica dos fluidos. A dinâmica dos fluidos fornece métodos para estudar a evolução das estrelas, correntes oceânicas, padrões climáticos, tectónica das placas e até mesmo a circulação sanguínea. Algumas aplicações tecnológicas importantes da dinâmica dos fluidos incluem motores de foguetes, turbinas eólicas, oleodutos e sistemas de ar condicionado.
O que é fluxo?
O movimento de líquidos e gases é geralmente referido como “fluxo”, um conceito que descreve como os fluidos se comportam e como interagem com o ambiente que os rodeia – por exemplo, a água a mover-se através de um canal ou tubo, ou sobre uma superfície. O fluxo pode ser estável ou instável. Em suas notas de palestra, “Lectures in Elementary Fluid Dynamics” (University of Kentucky, 2009) J. M. McDonough, professor de engenharia da University of Kentucky, escreve: “Se todas as propriedades de um fluxo são independentes do tempo, então o fluxo é estável; caso contrário, é instável”. Ou seja, os fluxos constantes não mudam com o tempo. Um exemplo de fluxo constante seria a água fluindo através de uma tubulação a uma taxa constante. Por outro lado, uma inundação ou vazão de água de uma bomba manual antiquada são exemplos de fluxo instável.
O fluxo também pode ser laminar ou turbulento. Os fluxos laminares são mais suaves, enquanto os fluxos turbulentos são mais caóticos. Um fator importante na determinação do estado do fluxo de um fluido é a sua viscosidade, ou espessura, onde a viscosidade mais alta aumenta a tendência do fluxo a ser laminar. Patrick McMurtry, um professor de engenharia da Universidade de Utah, descreve a diferença em suas notas de aula online, “Observações Sobre Fluxos Turbulentos” (Universidade de Utah, 2000), afirmando, “Por fluxo laminar estamos geralmente nos referindo a um movimento suave e estável do fluido, no qual quaisquer perturbações induzidas são amortecidas devido às forças viscosas relativamente fortes. Em fluxos turbulentos, outras forças podem estar atuando no sentido contrário à ação da viscosidade”.
O fluxo laminar é desejável em muitas situações, como em sistemas de drenagem ou asas de aviões, porque é mais eficiente e menos energia é perdida. O fluxo turbulento pode ser útil para causar a mistura de diferentes fluidos ou para equalizar a temperatura. De acordo com McDonough, a maioria dos fluxos de interesse são turbulentos; entretanto, tais fluxos podem ser muito difíceis de prever em detalhes, e distinguir entre estes dois tipos de fluxo é bastante intuitivo.
Um fator importante no fluxo de fluido é o número de Reynolds (Re) do fluido, que recebeu o nome do cientista do século XIX Osborne Reynolds, embora tenha sido descrito pela primeira vez em 1851 pelo físico George Gabriel Stokes. McDonough dá a definição de Re como, “a razão entre forças inercial e viscosa”. A força inercial é a resistência do fluido à mudança de movimento, e a força viscosa é a quantidade de atrito devido à viscosidade ou espessura do fluido. Note que o Re não é apenas uma propriedade do fluido; ele também inclui as condições de seu fluxo, tais como sua velocidade e o tamanho e forma do conduto ou quaisquer obstruções.
Em Re baixo, o fluxo tende a ser suave, ou laminar, enquanto que em Re alto, o fluxo tende a ser turbulento, formando eddies e vórtices. Re pode ser usado para prever como um gás ou líquido fluirá ao redor de um obstáculo em um riacho, como a água ao redor de uma ponte empilhada ou o vento sobre uma asa de avião. O número também pode ser usado para prever a velocidade com que o fluxo passa de laminar para turbulento.
O fluxo de líquido
O estudo do fluxo de líquido é chamado hidrodinâmica. Enquanto os líquidos incluem todo o tipo de substâncias, tais como óleo e soluções químicas, de longe o líquido mais comum é a água, e a maioria das aplicações da hidrodinâmica envolve a gestão do fluxo deste líquido. Isso inclui controle de inundação, operação de sistemas de água e esgotos urbanos e gerenciamento de vias navegáveis.
Hidrodinâmica trata principalmente do fluxo de água em canalizações ou canais abertos. As notas de palestra do professor de Geologia John Southard de um curso online, “Introduction to Fluid Motions” (Massachusetts Institute of Technology, 2006), esboçam a principal diferença entre o fluxo em tubulação e o fluxo em canal aberto: “fluxos em condutos ou canais fechados, como tubos ou condutas de ar, estão inteiramente em contacto com limites rígidos”, enquanto “fluxos em canal aberto, por outro lado, são aqueles cujos limites não são inteiramente um material sólido e rígido”. Ele afirma, “importantes fluxos de canal aberto são rios, correntes de maré, canais de irrigação ou lençóis de água que atravessam a superfície do solo após uma chuva”
Das diferenças nesses limites, forças diferentes afetam os dois tipos de fluxos. De acordo com Scott Post no seu livro, “Applied and Computational Fluid Mechanics,” (Jones & Bartlett, 2009), “Enquanto os fluxos num tubo fechado podem ser movidos quer por pressão quer por gravidade, os fluxos em canais abertos são movidos apenas pela gravidade”. A pressão é determinada principalmente pela altura do fluido acima do ponto de medição. Por exemplo, a maioria dos sistemas de água urbanos utiliza torres de água para manter uma pressão constante no sistema. Esta diferença na elevação é chamada de cabeça hidrodinâmica. O líquido em uma tubulação também pode ser feito para fluir mais rápido ou com maior pressão usando bombas mecânicas.
Fluxo de gás
O fluxo de gás tem muitas semelhanças com o fluxo de líquido, mas também tem algumas diferenças importantes. Em primeiro lugar, o gás é compressivo, enquanto os líquidos são geralmente considerados incompressíveis. Em “Fundamentals of Compressible Fluid Dynamics” (Prentice-Hall, 2006), o autor P. Balachandran descreve o fluido compressível, afirmando: “Se a densidade do fluido muda sensivelmente ao longo do campo de fluxo, o fluxo pode ser tratado como um fluxo compressível”. Caso contrário, o fluido é considerado como incompressível. Em segundo lugar, o fluxo de gás é dificilmente afetado pela gravidade.
O gás mais comumente encontrado na vida diária é o ar; portanto, os cientistas têm prestado muita atenção às suas condições de fluxo. O vento faz com que o ar se movimente em torno de edifícios e outras estruturas, e também pode ser movimentado por bombas e ventiladores.
Uma área de particular interesse é o movimento de objectos através da atmosfera. Este ramo da dinâmica dos fluidos chama-se aerodinâmica, que é “a dinâmica dos corpos em movimento em relação aos gases, especialmente a interacção dos objectos em movimento com a atmosfera”, de acordo com o American Heritage Dictionary. Os problemas neste campo envolvem a redução do arrasto dos corpos dos automóveis, a concepção de aviões e turbinas eólicas mais eficientes e o estudo de como as aves e os insectos voam.
Princípio de Bernoulli
Geralmente, o fluido em movimento a uma velocidade mais elevada tem uma pressão mais baixa do que o fluido em movimento a uma velocidade mais baixa. Este fenômeno foi descrito pela primeira vez por Daniel Bernoulli em 1738 em seu livro “Hydrodynamica”, e é comumente conhecido como o princípio de Bernoulli. Ele pode ser aplicado para medir a velocidade de um líquido ou gás em movimento em um tubo ou canal ou sobre uma superfície.
Este princípio é também responsável pela elevação numa asa de avião, razão pela qual os aviões podem voar. Como a asa é plana no fundo e curva no topo, o ar tem que percorrer uma distância maior ao longo da superfície superior do que ao longo da base. Para isso, ele deve ir mais rápido sobre a parte superior, fazendo com que a sua pressão diminua. Isto faz com que o ar com maior pressão na parte inferior se eleve para cima na asa.
Problemas na dinâmica dos fluidos
Os cientistas tentam muitas vezes visualizar o fluxo usando figuras chamadas streamlines, streaklines e pathlines. McDonough define uma linha de fluxo como “uma linha contínua dentro de um fluido tal que a tangente em cada ponto é a direcção do vector de velocidade naquele ponto”. Em outras palavras, uma linha de fluxo mostra a direção do fluxo em qualquer ponto em particular do fluxo. Uma linha de rajada, de acordo com McDonough, é “o locus de todos os elementos fluidos que passaram previamente por um determinado ponto”. Uma linha de patamar (ou caminho de partículas), escreve ele, é “a trajetória de um elemento individual do fluido”. Se o fluxo não mudar com o tempo, a linha da pátina será a mesma que a linha de fluxo. Entretanto, no caso de fluxo turbulento ou instável, estas linhas podem ser bem diferentes.
Os problemas mais complexos na dinâmica dos fluidos são demasiado complexos para serem resolvidos por cálculo directo. Nesses casos, os problemas devem ser resolvidos por métodos numéricos usando simulações computadorizadas. Esta área de estudo é chamada de dinâmica dos fluidos numérica ou computacional (CFD), que Southard define como “um ramo da ciência baseada em computador que fornece previsões numéricas de fluxos de fluidos”. No entanto, como o fluxo turbulento tende a ser não-linear e caótico, deve-se ter um cuidado especial no estabelecimento das regras e condições iniciais para essas simulações. Pequenas mudanças no início podem resultar em grandes diferenças nos resultados.
A precisão das simulações pode ser melhorada dividindo o volume em regiões menores e usando passos de tempo menores, mas isto aumenta o tempo de computação. Por este motivo, o CFD deve avançar à medida que a potência de computação aumenta.
Jim Lucas é um escritor e editor freelance especializado em física, astronomia e engenharia. Ele é gerente geral da Lucas Technologies.