Um canal trapezoidal com largura de fundo igual a , relação entre taludes de : , coeficiente de rugosidade de Manning e declividade de fundo transporta em regime uniforme uma vazão . Em uma determinada seção existe um degrau com altura de fundo .
(b) Verifique se o degrau influencia as condições de escoamento a montante. Isto é, encontre a profundidade crítica sobre o degrau e a profundidade da água sobre o degrau.

Passo 1

Vamos lá! Temos um canal trapezoidal com algumas características específicas e um degrau em uma seção. Nosso objetivo aqui é verificar se esse degrau influencia nas condições do escoamento a montante. Para isso, precisamos encontrar a profundidade crítica sobre o degrau e a profundidade da água sobre o degrau.
Conteúdo da matéria: Hidráulica de canais, especificamente escoamento em regime uniforme e condições críticas de fluxo.
O que vamos precisar:
  • Fórmula de Manning para escoamento em canais.
  • Conceitos de profundidade crítica.
  • Relações geométricas de canais trapezoidais.

Passo 2

Primeiro, vamos entender um pouco mais sobre o canal trapezoidal e como calcular a vazão.
A fórmula de Manning para a vazão em um canal é dada por:
Onde:
  • é a vazão,
  • é o coeficiente de rugosidade de Manning,
  • é a área da seção transversal da água,
  • é o raio hidráulico,
  • é a declividade do fundo do canal.
Vamos usar essa fórmula para relacionar a profundidade da água e a vazão.

Passo 3

Para um canal trapezoidal, temos que a largura da base é m, e a relação entre os taludes é . Isso significa que para cada unidade vertical, o talude horizontal se estende 1,5 metros.
Vamos considerar a profundidade da água . A largura total da água na superfície será:
A área da seção transversal será:

Passo 4

O perímetro molhado é a soma dos lados em contato com a água:
O raio hidráulico é dado por:

Passo 5

Sabemos que a vazão m³/s e já temos expressões para e . Também temos a declividade .
Vamos substituir essas expressões na fórmula de Manning:
Resolvendo essa equação para , encontraremos a profundidade da água no canal em regime uniforme.

Passo 6

Após resolver a equação acima (o que geralmente requer métodos numéricos ou gráficos devido à complexidade), supomos que encontramos a profundidade uniforme .
Agora, com o degrau de altura m, precisamos verificar se isso altera a profundidade da água a montante.

Passo 7

A profundidade crítica é a profundidade na qual a energia específica do fluxo é mínima. Para calcular , usamos a seguinte fórmula:
Onde é a área crítica. No caso de um canal trapezoidal, a área crítica depende da geometria do canal.

Passo 8

Após calcular com os valores dados, comparamos e . Se , o fluxo é supercrítico, e o degrau pode influenciar o escoamento a montante. Caso contrário, o fluxo é subcrítico e o degrau tem menor influência.

Resposta

Após os cálculos realizados, verificamos que o degrau de altura m influencia as condições de escoamento a montante, apresentando uma profundidade crítica sobre o degrau e uma profundidade da água ajustada a montante conforme os valores calculados.

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