Enunciado
FenTrans, MecFlu, TransCal e TransMassa - Frank White - Mecânica dos Fluidos- Ed: 6º - Capítulo 2.Problemas - Ex. 133
Considere um cone circular reto uniforme de densidade , flutuando com seu vértice para baixo na água . O raio da base é e a altura do cone é . Calcule e coloque em gráfico a estabilidade desse cone, na forma adimensional, versus para uma gama de .
Passo 1
Fala galera, vem comigo resolver essa questão!!
Queremos calcular e plotar em um gráfico a estabilidade desse cone, na forma adimensional, versus para uma gama de . Para que o cone seja estável, precisamos que:
Para obter , podemos usar a formula 2.37:
Em que é o centróide, é o metacentro, é o centro de flutuabilidade, é o momento de inércia e é o volume submerso.
Passo 2
Não temos todo os dados para usar a formula diretamente, então, podemos começar usando a ideia de que as forças que atuam verticalmente o mantém em equilíbrio, ou seja, a soma das forças é igual a zero. Assim temos:
Aqui, é o volume de líquido deslocado, é o volume do cone, é o peso especifico da água e é o peso especifico do cone.
O volume de água deslocado será o volume do cone até a interface. Seja o raio na do cone na interface, seja à altura do cone que está submerso, o raio da base do cone e a altura do cone.
Devido ser um cone reto, podemos fazer a seguinte afirmação sobre a relação entre as suas alturas e seus respectivos raios.
Substituindo temos o seguinte:
Para simplificar, podemos dizer que
Passo 3
Agora, usamos a equação 2.37 que falamos no passo 1 para encontrar o metacentro:
Para esse cone o momento de inércia é dado por
E o volume submerso é dado por
O centro de gravidade está em acima do fundo e está em acima do fundo. Para essa questão a distancia é dada por:
Substituindo, temos:
Adimensionalizando e substituindo e , pela relação obtida no passo anterior, temos:
Passo 4
Com a equação obtida no passo anterior, podemos plotar um gráfico de em função de .
Resposta
Obtemos a função: