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Mecânica dos Fluidos


  Biofísica

A pressão exercida por um líquido ou um gás em movimento faz funcionar as turbinas, máquinas hidráulicas que transformam a energia desses fluidos em força capaz de alimentar geradores elétricos e acionar motores.
Mecânica dos fluidos é a disciplina da física que estuda a reação dos gases e líquidos às forças exercidas sobre eles. Os gases, diferentemente dos líquidos, que apresentam forma variável e volume constante, têm variáveis essas duas características. Distinguem-se dos líquidos também por sua maior compressibilidade e grande capacidade de expansão e, em razão dessas propriedades, denominam-se fluidos elásticos. Quando submetidos a agitação térmica, contudo, os gases não obedecem às leis da mecânica dos fluidos.
Abordagem histórica. A primeira grande descoberta sobre o comportamento dos fluidos data do século III a.C., quando Arquimedes enunciou o princípio sobre o equilíbrio dos corpos flutuantes, segundo o qual todo corpo parcial ou totalmente imerso num fluido está sujeito à ação de uma força denominada empuxo, de direção vertical, sentido ascendente e equivalente, em módulo, ao peso do fluido deslocado pelo corpo.
As leis sobre o movimento, formuladas por Isaac Newton no século XVII, consolidaram as descobertas de Galileu no domínio da dinâmica e favoreceram o progresso dos conhecimentos sobre mecânica dos fluidos. Acrescentaram-se as experiências de Torricelli para medir a pressão atmosférica e com a enunciação do princípio de Pascal, com base no qual construíram-se máquinas como a prensa hidráulica.
No século XVIII, o suíço Daniel Bernoulli publicou os primeiros estudos sobre fluidos em movimento, que contribuiriam para a formulação da hidrodinâmica. O avanço experimentado pelo cálculo e pela análise matemática no século seguinte foi aplicado com êxito na elaboração de uma axiomática para a mecânica de fluidos. Nos séculos XIX e XX, a acumulação de dados e experiências e o próprio aperfeiçoamento das exposições teóricas foi sintetizado, em brilhantes tratados, por pesquisadores ilustres como os britânicos John William Rayleigh e Osborne Reynolds, e os alemães Hermann von Helmholtz e Ludwig Prandtl, que criaram importantes conceitos, como os de turbulência e viscosidade.
O nascimento da aviação estimulou o estudo das técnicas aerodinâmicas, com a criação de centros de simulação de vôo e a construção de protótipos de modelos reais. A impossibilidade prática de resolver, de acordo com os postulados teóricos conhecidos, os problemas complexos surgidos em condições naturais, transformou a mecânica dos fluidos numa ciência prática, em que as contribuições da técnica e da experimentação desempenham papel fundamental.


Natureza dos fluidos. Do ponto de vista estritamente físico, os fluidos apresentam como característica mais importante a tendência a adotarem a forma do recipiente que os contém. A distinção entre gases, líquidos e sólidos, no que diz respeito a essa e a outras propriedades, como a elasticidade, a viscosidade etc., fundamenta-se na diferença de intensidade entre as forças de coesão e repulsão que mantêm unidas as moléculas das substâncias. O estudo da estrutura molecular, contudo, foge ao objetivo da mecânica dos fluidos. As propriedades físicas que interessam a esse ramo da ciência são analisadas em três áreas fundamentais: a hidrostática, a hidrodinâmica e a aerodinâmica.


Hidrostática. A disciplina da mecânica que se encarrega do estudo dos fluidos em repouso denomina-se hidrostática e envolve o conhecimento de duas grandezas fundamentais: densidade e pressão. A densidade de um fluido se define como a razão entre sua massa total e seu volume. Como substância-padrão emprega-se a água, à qual atribui-se o valor de um grama por centímetro cúbico. A pressão do fluido, força que sua massa exerce por unidade de superfície, é variável em diferentes pontos e aumenta com a profundidade.
Os líquidos em repouso se comportam segundo duas leis da hidrostática enunciadas por Arquimedes e Pascal. A de Arquimedes foi incluída com êxito na doutrina mecanicista de Newton e fornece os princípios básicos para a solução dos problemas de flutuação relacionados com o projeto e a construção de barcos. A lei de Pascal empregou o princípio da variação da pressão com a profundidade para explicar o chamado paradoxo hidrostático, fenômeno segundo o qual a pressão que uma coluna de líquido exerce sobre o fundo de um recipiente independe da forma desse recipiente. Já se sabia que a pressão exercida sobre um fluido varia na razão direta da profundidade, de acordo com um fator de proporcionalidade igual ao produto da densidade do fluido pela aceleração da gravidade.
A partir desse resultado teórico, Pascal concluiu que a pressão aplicada a um fluido se transmite igualmente em todas as direções. Esse princípio foi aplicado na fabricação de diversas máquinas, especialmente a prensa hidráulica, e pode ser comprovado por meio de uma experiência em que, num balão de vidro com orifícios de mesmo tamanho, um líquido submetido à pressão de um êmbolo é projetado para fora em jatos de comprimento idêntico.


Hidrodinâmica. A disciplina da mecânica dos fluidos que estuda as propriedades e o comportamento dos líquidos e gases em movimento denomina-se hidrodinâmica. Essa ciência emprega os conceitos de densidade, pressão e viscosidade e considera os fenômenos de turbulência no interior dos fluidos.


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