Um fluido se desloca no sentido se , em um bocal convergente com , com perfil de velocidade dado por e sai com perfil , após uma redução para . Determine .
Passo 1
Beleza, vamos lá! A gente tem um problema de dinâmica dos fluidos envolvendo um bocal convergente. O fluido está se movendo na direção $ x $ com um perfil de velocidade inicial $ u_1® $ dentro de um bocal com raio $ R_1 = 2 $ cm. Depois, o bocal diminui para um raio $ R_2 = 1 $ cm, e a gente quer descobrir como fica o novo perfil de velocidade $ u_2® $. Para resolver isso, vamos usar o Princípio da Continuidade, que basicamente diz que a massa do fluido que entra no bocal tem que ser igual à que sai, desde que a densidade seja constante.
Passo 2
Primeiro, vamos entender o que é o perfil de velocidade $ u_1® $. Ele nos diz como a velocidade do fluido varia de uma posição radial $ r $ até o centro do bocal. A fórmula dada é:
Aqui, $ U_{máx} $ é a velocidade máxima no centro do bocal ($ r = 0 $).
Passo 3
Agora, para encontrar $ u_2® $, precisamos usar o Princípio da Continuidade. Esse princípio nos diz que:
Onde:
$ A_1 $ e $ A_2 $ são as áreas das seções transversais nos raios $ R_1 $ e $ R_2 $, respectivamente.
$ \overline{u}_1 $ e $ \overline{u}_2 $ são as velocidades médias nos respectivos raios.
Como o bocal está reduzindo o raio, a área está diminuindo, então a velocidade média deve aumentar para manter a continuidade.
Passo 4
Vamos calcular as áreas $ A_1 $ e $ A_2 $:
Então,
Passo 5
Agora, precisamos calcular as velocidades médias $ \overline{u}_1 $ e $ \overline{u}_2 $. A velocidade média é a média do perfil de velocidade sobre a área do bocal. Então:
Passo 6
Vamos calcular $ \overline{u}_1 $:
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Passo 7
Agora vamos aplicar o Princípio da Continuidade:
á
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Passo 8
Sabemos que no novo bocal com raio $ R_2 = 1 $ cm, o perfil de velocidade $ u_2® $ terá a mesma forma que $ u_1® $, mas com $ U_{máx} $ ajustado para $ \overline{u}_2 $. Então: