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  Ficheiro: Hidrostatica.do c  Pág. 31 de 322 ©Her lande r MA T A-LIMA, PhD 3. HIDROSTÁTICA 3.1. Lei Hidrostática de Pressões There are no shear  stresses in  fluids at  rest; hence only  normal   pressure  forces are  present.  Therefore  the  pressure at  any   point  in a  fluid  at  rest  is the same in every  direction. A hidrostática ocupase do estudo de fluidos em repouso, razão pela qual a força de contacto exercida sobre uma área tem apenas a componente vertical (normal). Designase por pressão a força aplicada por unidade de superfície (área). Admitindo um corpo de volume , lim itado pela s uperfície  A, mergulhado numa massa líquida; e considerando que dA representa um elemento de área nessa superfície e dF  a força perpendicular que actua sobre a área elementar ( dA), ver Figura 3.1, a pressão (  p) é expressa por: dA dF  p =  (3.1)   Atenção: a força é sempre perpendicular a superfície, conforme ilustra a figura ao lado. Quando se considera toda a área, o efeito da pressão produzirá uma força resultante (impulsão ou pressão total) que é obtida pela equação: =  A  pdA π  , ou quando a pressão é a mesma em toda a área  pA = π  . Figura 3.1 – Representação da pressão exercida sobre uma área elementar. De acordo com a lei de Pascal (estabelecida por Leonardo da Vinci) “ em qualquer ponto no interior de um líquido em repouso, a pressão é a mesma em todas as direcções”. Vamos demonstrar a lei considerando um prisma imaginário de dimensões elementares: comprimento dx , altura dz  e espessura dy  (ver Figura 3.2). O  p é a pressão média em qualquer direcção no plano de papel,  p x e  p z são, respectivamente, as pressões médias nas direcções horizontal e vertical.
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03Hidrostatica

Jul 10, 2015

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Tiago Duarte
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3. HIDROSTÁTICA

3.1. Lei Hidrostática de Pressões

“There are no shear  stresses in  fluids at  rest; hence only  normal   pressure  forces are  present. Therefore the  pressure at  any   point  in a  fluid  at  rest  is the same in every  direction”. 

A hidrostática ocupa‐se do estudo de fluidos em repouso, razão pela qual a força de contacto

exercida sobre uma área tem apenas a componente vertical (normal). Designa‐se por

pressão a força aplicada por unidade de superfície (área).

Admitindo um corpo de volume ∀ , limitado pela superfície  A, mergulhado numa massa

líquida; e considerando que dA  representa um elemento de área nessa superfície e dF  a

força perpendicular que actua sobre a área elementar (dA), ver Figura 3.1, a pressão ( p) é

expressa por:

dA

dF  p =   (3.1)

 

 Atenção: a força é sempre perpendicular a superfície,conforme ilustra a figura ao lado.

Quando se considera toda a área, o efeito da pressãoproduzirá uma força resultante (impulsão ou pressão total)que é obtida pela equação:

∫ =

 A

 pdAπ  , ou quando a pressão é a mesma em toda a

área  pA=π  . 

Figura 3.1 – Representação da pressão exercida sobre uma área elementar.

De acordo com a lei de Pascal (estabelecida por Leonardo da Vinci) “em qualquer ponto no interior de um líquido em repouso, a pressão é a mesma em todas as direcções”.

Vamos demonstrar a lei considerando um prisma imaginário de dimensões elementares:

comprimento dx , altura dz  e espessura dy  (ver Figura  3.2). O  p é a pressão média em

qualquer direcção no plano de papel,  px e  pz são, respectivamente, as pressões médias nas

direcções horizontal e vertical.

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 x  =  ρ  cosθ   z  =  ρ  senθ  

22  z  x += ρ  

 x

 z arctg =θ   

(a) Pressão nas faces perpendiculares ao plano dopapel

(b) Revisão básica da trigonometria

Figura 3.2 – Prisma imaginário no interior de um líquido em repouso.

Pelo facto do prisma estar em equilíbrio, o somatório das forças é nulo.

Portanto, para direcção de X :

Deste modo,

 senθ dy pd dydz  p x   ρ = , com  ρ d dz  sen θ  =  

 ρ  ρ 

dz dy pd dydz  p x  =  

 pdydz dydz  p x =  

 p p x =  

Para direcção de Z :

0= z  F Σ   

Deste modo,

dxdydz θ 

cosdy pd dxdy p z  γ  ρ  2

1

+= , com  ρ d 

dx

θ cos =  

O terceiro termo ⎟ ⎠

 ⎞⎜⎝ 

⎛ dxdydz γ 

2

1é de ordem superior em relação aos outros dois termos e

pode ser desprezado1.

1  Nota: na demonstração acima desprezou‐se o peso pelo facto do prisma ser de dimensões elementares. A forçacorrespondente ao peso do triângulo é dada por: γ*área do prisma triangular*largura (i.e. γ*½ dxdz*dy). 

↓→½ γ

 

dxdzdy 

0= x F Σ 

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 ρ  ρ 

dxdy pd dxdy p z   =  

 pdxdydxdy p z  =  

 p p z  =  

Finalmente, tem‐se que

 p p p  z  x ==  

Nota: na demonstração acima desprezou‐se o peso pelo facto do prisma ser de dimensões elementares.

De acordo com a lei de Stevin (pressão exercida por uma coluna líquida) “a diferença de pressões

 entre

 dois

 pontos

 de

 massa

 de

 um

 líquido

 em

 equilíbrio

 é

 igual

 à

 diferença

 de profundidade multiplicada pelo peso volúmico do líquido (e.g. γágua = 9800 N/m3)”. 

O somatório das forças que actuam, navertical, sobre o prisma deve ser:

0= y F Σ   

Logo,

021 =−+ A phA A p γ   

h p p γ =− 21  

h p p

=−γ 

21

 

Figura 3.3 – Ilustração da pressão exercida, por uma coluna líquida em repouso, num prisma ideal.

Finalmente, importa referir que a Hidrostática estuda fluidos em repouso

 

, considerando amassa volúmica constante ( ρ = constante

 

).

Portanto, de acordo com a  Lei  Hidrostática  de  Pressões, a pressão num líquido emrepouso será:

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tetancons z  p

=+γ 

ou tetancons z  p g 

=+ ρ 

(3.2)

onde:

 p – pressão num dado ponto (Pascal ou N/m2). Nota: 1 kgf/m2 = 9,8 N/m2 e

1 bar = 1,012*105 N/m2;

 z – cota geométrica do ponto, a que se refere a pressão, em relação a um plano horizontal dereferência (m);

γ – peso volúmico (N/m3);

 z  p+

γ – cota piezométrica em relação a um plano horizontal de referência (assume uma

valor constante em todos os pontos de um líquido) (m); eγ 

 pé altura piezométrica (ou de

pressão) (m).

3.1.1. Pressões Absolutas e Relativas 

Entre a pressão absoluta e relativa existe a seguinte relação:

aatmosféricrelativaabsoluta p p p += (3.3)

A pressão exercida na superfície de um líquido é exercida pelos gases sobrejacentes (e.g.

pressão atmosférica).

Considerando a pressão atmosférica (ver Figura 3.4), tem‐se a seguinte situação:

11 h p p a γ +=  

212 h p p γ +=  

( )212 hh p p a ++= γ   

Figura 3.4 – Representação da pressão num ponto no interior de um líquido em repouso.

Na hidráulica, geralmente, trabalha‐se com pressões  relativas (também pode receber a

designação de pressão manométrica ou pressão efectiva) visto que o que interessa calcular

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ou medir é a diferença de pressão entre os pontos. Assim, como a pressão atmosférica actua

de igual modo em todos os pontos é comum não ser considerada. Ver a Figura 3.5 que

corresponde à uma situação em que se pretende determinar a pressão exercida pela massa

líquida na parede do reservatório.

Figura 3.5 – Pressão exercida pelo líquido, em repouso, na parede do reservatório. 

Como a pressão atmosférica actua de ambos os lados da parede, ela anula‐se no ponto π.

Nota  Importante: no caso de estudo dos gases a pressão atmosférica deverá ser sempreconsiderada. Saliente‐se que a pressão atmosférica normal (i.e.correspondendo ao nível médio do mar) assume o valor de1,012x105 N/m2 (1,033x104 kgf/m2) que equivale à uma altura de

coluna de água de 10,33 m (i.e., 3310 , pa =γ 

m).

Exercício 3.1 (modificado de Quintela, 2005: 14)

Considere um reservatório de água, com superfície livre à pressão atmosférica normal, noqual mergulham os extremos de um tubo em U invertido, cheio de água (ver Figura 3.6).

Figura 3.6 – Reservatório com tubo em U invertido (cheio de água). 

a)  Calcular a pressão (absoluta e relativa) no ponto A no interior do tubo, situado 6,0 macima da superfície livre.

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b)  Calcular a altura máxima h para que não haja vaporização da água no ponto B (ev =2450 N/m2).

Resolução: na sala de aulas.3.1.2. Medição das Pressões: Tubo Piezométrico e Manómetros 

A técnica mais simples para medição da pressão consiste no uso de um tubo piezométrico 

(também conhecido como piezómetro).

Para o caso de escoamento sob pressão no interior de um conduto (i.e. escoamento de

líquido sem superfície livre), a altura piezométrica (γ 

 p) corresponde à altura a que subiria

a superfície livre do líquido (acima do conduto), num tubo (geralmente vertical) de pequeno

diâmetro (convém que o diâmetro seja > 1 cm para ser desprezável os efeitos da tensão

superficial ou da capilaridade) designado por tubo piezométrico (ver Figura 3.7).

Figura 3.7 – Ilustração do tubo piezométrico inserido num conduto horizontal.

Manómetro é um instrumento utilizado para medir a pressão. Utiliza‐se uma coluna de

líquido para medir a diferença de pressão entre um ponto e a atmosfera, ou entre dois

pontos, dos quais nenhum está à pressão atmosférica.

O tubo piezométrico supracitado só é aplicável em situações em que se pretende medir

pequenas pressões (manométricas) em líquidos (ver Figura 3.7). Porém, quando se trata de

pressões elevadas é preciso recorrer a manómetros de líquido.

O manómetro de coluna  líquida (técnica muito antiga) pode ser simplesmente um tubo

transparente com a forma de U no qual se coloca uma certa quantidade de líquido (ver

Figura 3.8). O líquido introduzido no tubo terá que respeitar às seguintes condições:

i) ser imiscível com o líquido (cuja pressão se pretende medir) que se encontra noconduto ou recipiente;

ii)  possuir densidade superior a do líquido que se encontra no conduto ou recipiente.

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Os manómetros de coluna líquida podem ser em U (só assim será possível medir pressões

negativas) ou ter uma única coluna que pode ser vertical ou inclinada.

Figura 3.8 – Ilustração do manómetro (de líquido) em U.

Questão: Como determinaria as pressões em  X , Y e a pressão  p (a pressão na linha média do

conduto) do líquido A no interior do conduto?

 A  pressão em  X :  p gh ph p a Aa X  +=+= ρ γ   

 A  pressão em Y : bBby ghhp ρ=γ= (porque a extremidade do tubo está em contacto com

a atmosfera)

 A  pressão no interior  do condutoℜ, p: b Ba A y x gh p gh p p ρ  ρ  =+⇔=  

Para aprofundar este assunto deverá consultar, por exemplo Azevedo Netto et al. (1998:

27‐29) e Massey (2002: 83‐84). O último autor descreve (ver p. 90‐91) um outro

dispositivo usado na medição de pressão, o barómetro.

ℜ Quando o fluído A é gasoso e o B líquido, pode‐se desprezar o ρ

 

 A.

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Figura 3.9 – Manómetro. (a) Para medir diferença de pressão Δ p em líquidos ou gases. (b) Paramedir Δ p nos líquidos apenas (adaptada de Daugherty et al., 1985: 36). 

3.1.3. Prensa hidráulica e o Macaco hidráulico 

O facto de um aumento de pressão, num fluído confinado, ser transmitido uniformemente

através do fluído, é aproveitado em dispositivos hidráulicos (e.g. prensa hidráulica e o

macaco hidráulico) (Massey, 2002: 84‐85).

Figura 3.9 – Prensa hidráulica.

Ao aplicar uma pequena força F a sobre um pistão de área Aa (ver Figura 3.9) exerce‐se um

força FB, sobre um pistão de área AB, sujeitando‐o a uma pressão  B B A /  F  p = .

a

 Ba B

a

a

 B

 B

 A

 A F  F  A

 F 

 A

 F 

=⇔=   (3.4)

 

γ γ 

 B B A

 A p z  sy z 

 p=+−−

 

 sy z  z  p p

 B A B A +−=−γ γ 

 

 sy y p p  B A +−=−γ γ 

 

( ) y s p p  B A 1−=−γ γ 

 

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3.2. Impulsão Hidrostática

Por impulsão hidrostática (ou simplesmente impulsão) entende‐se a força aplicada sobre

superfícies mergulhadas.

Aspectos a ter em consideração:

  a pressão do líquido provoca forças sobre a superfície com a qual contacta;

  as forças distribuídas sobre a superfície têm uma resultante (é esta força resultante

que na prática interessa determinar a grandeza, a direcção e a linha de acção);

  quando a superfície é plana e horizontal, o contacto com o líquido em repouso dá

origem à uma força resultante (ou força total) que corresponde ao produto da pressão ( p) pela área da superfície ( A) (ver Figura 3.10)

 ghA pA ρ π  ==   (3.5)

 

Nessa situação: i) a direcção de actuação daforça é perpendicular ao plano (no sentidodo fluído para o plano); ii) o ponto deactuação da força é o centróide♣ (≈ centro degravidade) do plano.

Figura 3.10 – Pressão e impulsão sobre superfície horizontal.

  quando a superfície não é horizontal, a pressão varia de ponto para ponto, sobre a

superfície, e o cálculo da força total (impulsão) é menos simples.

♣ O centróid e do volume, corresponde ao centro de impulsão, depende da forma do volume considerado. Importa referir quenão é exactamente o mesmo que o centro da  gravidade do corpo que depende do modo como o peso está distribuído pelocorpo (ver Massey, 2002: 116).

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3.2.1. Impulsão sobre superfície plana

Considere uma superfície plana, mergulhada num líquido em repouso, que faz um ângulo θ 

com a superfície livre do líquido (ver Figura 3.11).

Figura 3.11 – Impulsão hidrostática sobre superfície plana inclinada.

Questão: como determinar a força resultante (impulsão) sobre uma superfície plana e inclinada? Regras básicas: 

1.  considerar que o eixo Oy  coincide com o plano inclinado;

2.  o eixo Ox é perpendicular ao eixo Oy (i.e. Ox é perpendicular ao plano inclinado);

3.  ter em atenção que qualquer área elementar (ou porção) da superfície submersa

está sob a acção de uma força devido à pressão do líquido;

4.  saber que sobre qualquer porção de superfície (superfície elementar) dA 

mergulhada a uma profundidade h actua uma pressão p que é dada por  gh p ρ = .

Logo, a força correspondente sobre a porção da superfície será:

 A gh A p ∂=∂=∂ ρ π  , com θ  ysenh =   (3.6a)

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 A gysen ∂=∂ θ  ρ π    (3.6b)

onde: π ∂ é a força elementar; h é a profundidade da porção da área  A∂ que se

relaciona com a coordenada y  por θ  ysenh = .

5.  ter presente que não são exercidas forças tangenciais sobre o plano da superfície

porque o líquido está em repouso. Logo, a força é perpendicular ao elemento (ou

porção) da superfície que por ser plana faz com que todas as forças elementares

sejam paralelas entre si.

Portanto, a força total (impulsão hidrostática) que actua num dos lados da superfície plana

vem expressa da seguinte maneira:

 A y gsen A gysen A A

∂∫ =∂∫ = θ  ρ θ  ρ π    (3.7a)

Nota:  A y A

∂∫  é o momento estático da área e respeita a condição

0 Ay A y A

=∂∫    (3.7b)

onde: A é a área total e y0 ( )y, x a coordenada (ou posição) do centro de gravidade.

Finalmente,

 Ah g  A y gsen ρ θ  ρ π  == 0 , com 0 y senh θ =   (3.7c)

Além dos aspectos supracitados, é preciso conhecer a linha de acção da força total

(perpendicular ao plano) e determinar o ponto no qual a linha de acção da força encontra o

plano. Este ponto designa‐se por Centro de Impulsão (CI) ou Centro de Pressão.

A distância que separa o CI da superfície é medida sobre o plano inclinado e é igual a:

distância ao centro de gravidade + uma distância d   (3.8a) 

0 Ay

 I d  ' GG=   (3.8b)

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onde: I GG’ é o momento de inércia2 da área da superfície plana em relação ao eixo 0 x ,  A a

área da superfície e 0 y a coordenada do centro de gravidade (medida, desde a superfície,

sobre o plano – vertical  ou inclinado – em que se encontra a placa).

Quintela (2005: 22) apresenta uma tabela com a posição do centro de gravidade, área e o

momento de inércia para várias figuras planas.

QUADRO 3.1 – Momento de inércia (I GG’) e área de formas geométricas comuns. Designação  Esquema   Área (A)  IGG’ 

Rectângulo

ba  12

3ba

 I  ' GG =  

Triângulo ba2

36

3ba I  ' GG =  

Círculo 2 Rπ   4

4 R I  ' GG

π =  

Semicírculo( )8

22

 Rπ  

8

4 Rπ 

 

Parábola bh3

3

2h

2 Momento de inérciamede a distribuição da massa de um corpo em torno de um eixo de rotação.

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3.2.1.1. Impulsão sobre superfície plana premida em duas faces 

No caso de superfícies planas premidas nas duas faces (i.e. nos dois lados) pelo mesmo

líquido e com superfície livre do líquido exibindo uma diferença de nível hs (ver Figura 3.12), a resultante das forças de pressão será:

( ) dAhdA p pdF   sγ =−= 12   (3.9)

onde: γ e hs são constantes.

Figura 3.12 – Superfície plana(a) e vertical premidas nas duas faces. 

A impulsão resultante, com o ponto de aplicação (centro de impulsão) coincidente com o

centro de gravidade da superfície, é expressa pela equação:

 Ah sγ π  =   (3.10)

A equação (3.10) só é valida quando se despreza a espessura da superfície onde é exercida a

impulsão excepto quando se trata de parede vertical.

3.2.2. Impulsão sobre superfície curva 

Ao contrário do que acontece com a superfície plana, no caso das superfícies curvas a

resultante do sistema de forças de pressão não é uma força única. Nesse caso tem‐se:impulsão vertical (π v) e impulsão horizontal (π h).

O cálculo da impulsão hidrostática numa superfície curva tem procedimento diferente

relativamente ao caso das superfícies planas (não se trata de algo complexo como vem

referido em muitos livros! É apenas diferente!). O procedimento é diferente devido aos

seguintes factos:

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Ficheiro: Hidrostatica.doc  Pág. 3‐14 de 3‐22 ©Herland er MATA-LIMA, PhD 

1)  as forças que actuam sobre áreas elementares (porções da superfície) não são todas

paralelas;

2) 

como as forças não são paralelas a simples soma algébrica das respectivasgrandezas não tem significado;

3)  apenas podem ser somadas as componentes das forças actuantes, segundo direcções

especificadas, separadamente de modo a calcular as componentes da força

resultante;

4)  é necessário determinar as componentes horizontal e vertical da força resultante

(total).

Analisemos os casos ilustrados nas figuras seguintes (Figura 3.13,

 3.14) para melhor

compreender a situação.

(a) Impulsão sobre superfície curva (b) Componente vertical ehorizontal da impulsão 

(c) Volume vertical  (∀L) e a projecçãoortogonal da área ( Apo) 

Figura 3.13 – Impulsão hidrostática sobre superfície curva.

 A impulsão vertical (πv)

A componente vertical da impulsão é igual ao peso do volume de líquido (∀L) delimitado

pela superfície premida, pelas projectantes verticais tiradas pelo contorno da superfície e

pela superfície livre (vide equação de πv na Figura 3.13b).

Lv ∀=γ π    (3.11)

A impulsão horizontal ( πh ) 

A componente horizontal da impulsão é igual à impulsão hidrostática exercida sobre a

superfície plana correspondente à projecção ortogonal da superfície curva num plano

perpendicular (vide equação de πh na Figura 3.13b).

∀L  Apo 

α+β = 90 ºC

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 poCGh Ahγ π  =   (3.12)

onde: hCG é altura da coluna do líquido até a centro da gravidade da superfície plana

correspondente à projecção ortogonal da superfície curva,  Apo é a área da superfície plana

correspondente à projecção ortogonal da superfície curva, conforme indica a Figura 3.13b.

 A impulsão resultante ( força total ou global, π ) 

A impulsão resultante, quando as componentes horizontal e vertical da força são

coplanares3, obtém‐se através da equação:

22

hv π π π  +=  (3.13)

A direcção da impulsão é determinada através do ângulo formado com o plano horizontal

(ver Figura 3.13a):

⎟⎟ ⎠

 ⎞⎜⎜⎝ 

⎛ =

h

vtg π 

π  β  , sendo ⎟⎟

 ⎠

 ⎞⎜⎜⎝ 

⎛ =

h

varctg π 

π  β   

(3.14)

O caso anterior (representado na Figura 3.13) refere‐se à uma comporta côncava. Iremos

agora analisar uma situação correspondente à impulsão exercida sobre uma superfície cilíndrica convexa.

3 Forças que actuam no mesmo plano.

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Ficheiro: Hidrostatica.doc  Pág. 3‐16 de 3‐22 ©Herland er MATA-LIMA, PhD 

(a) Impulsão sobre superfície cilíndrica (b) Forças actuantes

(c) Volume (∀L1) correspondente a força vertical πv1 (d) Volume (∀L2) correspondente a força vertical πv2 

Figura 3.14 – Impulsão hidrostática sobre superfície curva.

 A impulsão vertical ( πv  )  

De acordo com a Figura 3.14c, d:

21 vvv π π π  −= , com 11 Lv ∀= γ π  e 22 Lv ∀= γ π    (3.15)

 A impulsão horizontal  ( πh ) De acordo com a Figura 3.14b:

21 hhh π π π  −= , com 111 poCGh Ahγ π  = e 222 poCGh Ahγ π  =   (3.16)

onde: hCG é altura da coluna do líquido até a centro da gravidade da superfície plana

correspondente à projecção ortogonal da superfície curva,  Apo é a área da superfície plana

correspondente à projecção ortogonal da superfície curva.

Nota: resolva os exercícios da Fichas 2B. Após a resolução poderá considerar‐se um expert  

no assunto☺.

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Ficheiro: Hidrostatica.doc  Pág. 3‐17 de 3‐22 ©Herland er MATA-LIMA, PhD 

3.2.3. Impulsão sobre corpos mergulhados 

Conceitos a saber sobre impulsão sobre corpos mergulhados num líquido em repouso:

 um corpo total ou parcialmente mergulhado num líquido fica sob a acção de uma força

global para cima (designada por impulsão);

 a impulsão, para cima, é exercida pelo líquido e deve‐se ao facto da pressão nas

regiões inferiores do corpo (F inf ) ser superior à pressão nas regiões superiores (F sup) –

ver Figura 3.15b;

 a impulsão não tem componente horizontal porque as forças exercidas pelo fluído em

cada lado do corpo são iguais (equilibram‐se) – Figura 3.15b;

(a) Corpo mergulhado com contorno ABCD (b) Forças actuantes

Figura 3.15 – Impulsão sobre corpo mergulhado.

 a força para cima (representada na Figura 3.15b por F in, DAB) corresponde ao peso

do volume do líquido delimitado pela linha DABX’XD;

 a força para baixo (exercida na superfície DCB) corresponde ao peso do líquido na

regiãoDCBX’X;

 o líquido exerce sobre o corpo uma força resultante para cima que é:

( ) ( )( ) ( )( ) X '  DCBX líquido peso X '  DABX líquido peso ABCDemlíquido Peso −=   (3.17a)

 ABCD ABCD g ∀= ρ π    (3.17b)

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Ficheiro: Hidrostatica.doc  Pág. 3‐18 de 3‐22 ©Herland er MATA-LIMA, PhD 

 a impulsão é a resultante da força ascendente (para cima) exercida pelo líquido sobre

o corpo ( corpo g ∀= ρ π  ). De acordo com o “princípio de  ARQUIMEDES”4, a impulsão 

exercida sobre um corpo mergulhado é igual ao peso do volume do líquido deslocado.Quando a impulsão é maior que o peso do corpo, este flutua;

 se o corpo estiver parcialmente mergulhado a impulsão será igual ao peso do volume

da parte mergulhada (Figura 3.16);

(a) Corpo parcialmente mergulhado (b) Parte mergulhada

Figura 3.16 – Impulsão sobre corpo parcialmente mergulhado.

 quando um corpo mergulhado não está apoiado, o equilíbrio apenas ocorre quando a

impulsão sobre o corpo for rigorosamente equivalente ao seu peso. Se a impulsão for

superior ao peso (e.g. o caso do balão no ar, bolha de ar na água) o corpo sobe até que

a sua massa volúmica média seja equivalente a do fluído envolvente.

3.2.4. Equilíbrio de corpos flutuantes

Um corpo flutuante apresenta, necessariamente, o peso inferior ao peso do volume do

líquido que pode deslocar.

Portanto, para que o corpo flutue a sua massa volúmica tem que ser inferior a do líquido.

Nesse caso, o peso total do corpo vai ser igual ao produto do volume submerso pelo peso

volúmico (ou específico) do corpo. A porção submersa do corpo é designada, na literatura

brasileira, por carena ou querena.

É ainda comum designar‐se o centro de gravidade da parte submersa por centro de carena 

que corresponde ao ponto de aplicação da impulsão.Existem três estados possíveis de equilíbrio:

i.  Equilíbrio estável – quando sujeito a um deslocamento o corpo retoma a posição

original;

4 Site com ilustrações do princípio de  Arquimendes: http://www.grow.arizona.edu/Grow‐‐GrowResources.php?ResourceId=197  

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ii.  Equilíbrio instável – nesse caso o corpo não regressa a posição inicial, afastando‐se

cada vez mais;

iii. 

Equilíbrio neutro ou indiferente – quando sujeito a um deslocamento e depoisabandonado, permanece na nova posição (não regressa à posição original e nem se

afasta).

Para garantir o equilíbrio estável dum corpo flutuante é necessário que se cumpram as

seguintes condições:

  o centro de gravidade (CG) do corpo deve situar‐se abaixo da posição do metacentro

(MC), i.e. CG < MC;

m

' GG I MC ∀=   (3.18)

onde: MC é a posição do metacentro, IGG’ o momento de inércia da área que a

superfície do líquido intercepta no flutuante relativo ao eixo sobre o qual se supõe

que o corpo possa virar, ∀m o volume da parte submersa do corpo (volume de

carena).

Quando o CG e MC coincidem o equilíbrio é neutro/indiferente.

Nota: para ângulos pequenos (inferiores a 15º, fraca inclinação do corpo) a variação daposição do metacentro não é significativa podendo‐se considerar a altura  metacéntrica 

constante (a variação da distância entre CG e MC) (Azevedo Neto et al., 1998: 41‐44,

Massey, 2002: 118‐131).

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Exercício 1

Considere um prisma rectangular de madeira com as dimensões indicadas na Figura e de

densidade0,82. Verifique se o prisma flutuará em condições estáveis na posição indicada.

Figura 3.17 – Corpo flutuante.

Resolução:

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Exercício 2

Pretende‐se colocar uma bóia cilíndrica de 80  kg, com 1,50  m de altura e 1,0  m de

diâmetro, a flutuar com o eixo na vertical, em água do mar com massa volúmica 1026 kg/m3. Agarrado ao centro da superfície de topo da bóia está um corpo com 10  kg demassa. Pretende‐se mostrar que haverá instabilidade inicial, com a bóia a flutuarlivremente.

Figura 3.18 – Corpo flutuante. 

Resolução:

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Ficheiro: Hidrostatica.doc  Pág. 3‐22 de 3‐22 ©Herland er MATA-LIMA, PhD 

REFERÊNCIAS

AZEVEDO NETTO, J.M., FERNANDEZ Y FERNANDEZ, M., ARAUJO, R., ITO, A.E. (1998).Manual  de Hidráulica. 8ª Edição, Editora Edgar Blücher, São Paulo.

DAUGHERTY, R.L., FRANZINI, J.B. & FINNEMORE, E.J. (1985). Fluid   Mechanics  with Engineering  Applications. 8th Edition, McGraw‐Hill, New York.

MASSEY, B.S. (2002). Mecânica dos Fluidos. Fundação Calouste Gulbenkian, Lisboa.

QUINTELA, A.C. (2005). Hidráulica. 9ª Edição, Fundação Calouste Gulbenkian, Lisboa.