Um fluido atravessa a secção circular de um tubo com velocidade
onde r é a distância radial ao centro da secção e
é o raio da secção. Determine a quantidade de fluido por unidade de tempo que atravessa esta secção, dada por
No cálculo utilize 5 pontos igualmente espaçados no intervalo [0,2] e 6 pontos igualmente espaçados no restante intervalo. Use as fórmulas numéricas de integração mais apropriadas para cada caso.
Passo 1
Beleza, vamos entender o que a questão está pedindo. Temos um fluido que está passando por um tubo com uma seção circular, e a velocidade do fluido varia radialmente de acordo com a fórmula:
onde
é a distância do ponto ao centro da seção, e
cm é o raio da seção. O que precisamos encontrar é a quantidade de fluido que passa por essa seção por unidade de tempo, chamada de vazão
. Para isso, vamos calcular a integral:
Vamos usar métodos de integração numérica dividindo o intervalo de integração em partes específicas com pontos igualmente espaçados.
Passo 2
Primeiro, vamos substituir a velocidade
na expressão da vazão
:
Podemos simplificar isso para:
Passo 3
Agora, vamos dividir o intervalo de integração
em duas partes:
- De 0 a 2 cm, com 5 pontos igualmente espaçados.
- De 2 a 4 cm, com 6 pontos igualmente espaçados.
Isso significa que:
- No intervalo [0,2], a distância entre os pontos é
cm. - No intervalo [2,4], a distância entre os pontos é
cm.
Passo 4
Para calcular a integral, vamos usar a regra de Simpson para ambos os intervalos, já que ela é adequada para funções suaves e proporciona boa precisão com poucos pontos.
No intervalo [0,2] com 5 pontos:
Os pontos são:
A regra de Simpson para um número ímpar de pontos (n = 4 subintervalos) é:
No intervalo [2,4] com 6 pontos:
Os pontos são:
Aqui, temos 5 subintervalos, então usamos a regra de Simpson 3/8:
Passo 5
Vamos calcular cada parte separadamente.
Para [0,2] cm:
Calculamos
para cada ponto:
Aplicando a regra de Simpson:
Calculando dentro dos colchetes:
Então:
Para [2,4] cm:
Calculamos
para cada ponto:
Aplicando a regra de Simpson 3/8:
Calculando dentro dos colchetes:
Então:
Passo 6
Agora, somamos as integrais dos dois intervalos para obter a integral total:
Multiplicando pelo
que estava fora da integral:
Resposta
A quantidade de fluido que atravessa a seção por unidade de tempo é aproximadamente
.