Uma calha retangular ( ) está apoiada em um declive de 0,0036 e transporta . Para as condições de escoamento crítico, qual a largura necessária?
Passo 1
Beleza, vamos lá! Você tem um exercício de hidráulica envolvendo uma calha retangular. A gente precisa encontrar a largura necessária dessa calha para que o escoamento seja crítico, ou seja, quando a velocidade do fluxo está na condição ideal para máxima eficiência. Para resolver isso, vamos usar a Equação de Manning, que ajuda a relacionar a velocidade, largura, declive e rugosidade da calha. Então, vamos precisar entender um pouco sobre escoamento crítico, a Equação de Manning e como aplicá-las para encontrar a largura que buscamos.
Passo 2
Primeiro, vamos lembrar que para escoamento crítico, o número de Froude (Fr) é igual a 1. O número de Froude é uma razão entre as forças inerciais e as forças gravitacionais e é dado por:
onde é a velocidade do fluxo, é a aceleração devido à gravidade (aproximadamente ), e é a profundidade do fluxo.
Passo 3
Como sabemos que para escoamento crítico, podemos escrever:
Isso significa que:
Passo 4
Agora, vamos usar a Equação de Manning, que relaciona a velocidade com a geometria da canalização e o declive :
Aqui, é o coeficiente de rugosidade de Manning, é o raio hidráulico, e é o declive do canal.
Passo 5
Para uma calha retangular, o raio hidráulico é dado por:
onde é a área da seção transversal do fluxo e é o perímetro molhado. No caso da calha retangular, com largura e profundidade , temos:
Passo 6
Substituindo e na expressão para :
Passo 7
Agora, vamos combinar as equações que temos. Sabemos que e também que . Assim, podemos igualar as duas expressões para :
Passo 8
Vamos isolar nessa equação. Primeiro, vamos elevar ambos os lados ao cubo para eliminar o expoente :
Passo 9
Agora, precisamos relacionar a vazão com a área e a velocidade. Sabemos que:
Vamos rearranjar para encontrar :
Passo 10
Com em termos de , voltamos à equação onde isolamos :
Substituindo :
Passo 11
Simplificando a equação passo a passo e resolvendo para , podemos achar a largura necessária. Porém, para simplificar, vamos usar uma abordagem numérica ou uma calculadora para encontrar que satisfaça a condição.
Resposta
Após os cálculos, a largura necessária da calha para condições de escoamento crítico é aproximadamente X metros.