Enunciado
FenTrans, MecFlu, TransCal e TransMassa - Fox - Mecânica dos Fluidos- Ed: 8º - Capítulo 11.Problemas - Ex. 14
Uma comporta parcialmente aberta em um canal retangular de 5 m de largura carrega água a 10 m³/s. A profundidade a montante é de 2,5 m. Determine a profundidade a jusante e o número de Froude.
Passo 1
Tá legal, podemos começar esse exercício aplicando a equação de Bernoulli entre o topo do canal (ponto 1) e o ponto onde a água é descarregada na comporta (ponto 2), então, temos:
Nesse caso, como ambos os pontos 1 e 2 estão expostos à atmosfera, então temos: e podemos cancelar os termos de pressão. Sabemos também que no ponto 1, temos a altura a montante dada no enunciado, de , então, substituindo os valores conhecidos, a equação se torna:
Passo 2
Agora, devido a continuidade do problema, temos que e podemos escrever:
No entanto, as áreas são dadas por:
Então, dessa forma, podemos escrever as velocidades nos pontos 1 e 2, como:
Então, substituindo esses valores na equação de Bernoulli encontrada no passo 1, temos:
Agora, substituindo os valores conhecidos, temos:
Agora, multiplicando a equação dos dois lados por :
Para resolver essa equação, podemos contar com a ajuda de uma calculadora, que nos dá:
Vamos analisar as possíveis soluções! Já podemos descartar a primeira de cara, pois nesse caso, nosso sistema de coordenadas está no fundo da barragem, e seria impossível a profundidade a jusante estar abaixo do nível do solo. E olhando para a terceira solução, podemos desconsidera-la pois ela se encontra a mesma altura da montante, o que seria impossível, então, só nos restou:
Passo 3
Agora, nós sabemos que o número de Froude é dado por:
E que, nesse caso, é dado por:
Então, substituindo a expressão para na equação do número de Froude, temos:
Então, precisamos encontrar a velocidade para encontrar o número de Froude. Para encontrar a velocidade ficou fácil, basta usar a fórmula da vazão apresentada no passo 2:
Substituindo os valores conhecidos:
E, substituindo esse valor para o número de Froude, temos: