Dois fluidos imiscíveis fluem entre um par de placas horizontais com a interface líquido/líquido situada na metade da distância entre as placas. Derive a equação para o perfil de velocidade de cada um dos fluidos. Derive a expressão para a distância onde a tensão de cisalhamento é igual a zero.
Passo 1
Beleza, vamos entender o que o problema tá pedindo. A gente tem dois fluidos que não se misturam (tipo óleo e água), com viscosidades diferentes () e densidades diferentes (). Esses fluidos estão entre duas placas horizontais, e a interface entre eles está justamente no meio da distância entre as placas. Nosso objetivo é encontrar como a velocidade de cada fluido varia no espaço (o perfil de velocidade) e descobrir onde a tensão de cisalhamento é zero.
Passo 2
Primeiro, vamos pensar no que é tensão de cisalhamento. É a força que faz com que uma camada de fluido deslize sobre a outra. A equação que descreve o perfil de velocidade em um fluxo laminado entre placas é baseada na lei de Newton para fluidos viscosos:
Aqui, é a tensão de cisalhamento, é a viscosidade do fluido, e é a derivada da velocidade em relação à posição perpendicular às placas.
Passo 3
Como temos dois fluidos diferentes, vamos considerar cada um separadamente. Vamos chamar de Fluido I ao de cima e Fluido II ao de baixo. A interface está no meio, então a distância total entre as placas é dividida igualmente entre os dois fluidos.
Vamos assumir que a velocidade das placas é constante e que o fluxo está em regime estacionário (não muda com o tempo). Assim, para cada fluido, a equação de equilíbrio de forças fica:
Passo 4
Integrando a equação acima para o Fluido I:
Integrando de novo:
Fazendo o mesmo para o Fluido II:
Passo 5
Agora, vamos aplicar as condições de contorno. Sabemos que em cada placa a velocidade do fluido deve igualar a velocidade da própria placa. Se assumirmos que a placa de baixo está parada (), temos:
Para o Fluido II, na posição :
E, para a placa de cima na posição (onde é a distância total entre as placas):
Passo 6
A interface está na metade, ou seja, em . Aqui, a velocidade dos dois fluidos deve ser igual:
Além disso, a tensão de cisalhamento também deve ser igual na interface:
Passo 7
Vamos resolver as constantes. Primeiro, da condição de continuidade da velocidade:
E da condição de continuidade da tensão de cisalhamento:
Da segunda equação, podemos expressar em função de :
Substituindo na primeira equação:
Resolvendo para :
Passo 8
Agora, vamos considerar a condição na placa de cima. Se a velocidade da placa de cima for , então:
Substituindo :
Fatorando :
Simplificando:
Finalmente, resolvendo para :
E, consequentemente:
Passo 9
Agora, com as constantes determinadas, podemos escrever os perfis de velocidade:
Para o Fluido I:
Simplificando:
Para o Fluido II:
Passo 10
Por fim, para encontrar a posição onde a tensão de cisalhamento é zero, usamos a condição de equilíbrio das tensões:
Como já tínhamos resolvido essa igualdade na interface, percebemos que a tensão de cisalhamento é zero fora dessas regiões, ou seja, na transição entre os fluidos. Portanto, a distância onde a tensão de cisalhamento é zero coincide com a posição da interface, que é:
Resposta
A posição onde a tensão de cisalhamento é zero está localizada na metade da distância entre as placas, ou seja: