Enunciado

O diâmetro, d, de bolhas de sabão produzidas por um brinquedo depende da viscosidade, μ, massa específica, ρ, e da tensão superficial, σ, da água com sabão, bem como do diâmetro do anel do brinquedo, D, e do diferencial de pressão, Δp, gerando as bolhas. Use a análise dimensional para encontrar os parâmetros Π que caracterizam este fenômeno.

Passo 1

Vamos lá! O enunciado já da de bandeija pra a gente quem a gente tem que relacionar com quem! Direto e reto!

Vamos escrever isso bonitinho:

d = f ( μ , ρ , σ , D , Δ P )

Com isso temos:

n = 6

Vamos nessa então descobrir os parâmetros π que caracterizam o comportamento do jato de tinta!

Passo 2

Agora a gente vai listar as dimensões primárias desses parâmetros! A gente vai fazer isso usando M L t se você quiser usar o F L t e comparar a resposta final, tudo bem!

d = L 1 ; μ = M 1 L - 1 t - 1 ; ρ = M 1 L - 3 ; σ = M 1 t - 2 ;

  D = L 1 ; Δ P = M 1 L - 1 t - 2

A gente usou as dimensões M ,   L e t , então:

r = 3

Passo 3

Como vimos que r = 3 temos que selecionar 3 parâmetros dentro dos nossos parâmetros relevantes, que vão ser os parâmetros repetidos.

Relembando nossos parâmetros relevantes:

d = f ( μ , ρ , σ , D , Δ P )

d   é o parâmetro dependente, então a gente já exclui ele!

É interessante pegar os parâmetros mais simples, dai já podemos tirar D , Δ P e ρ .

Ficamos com:

D , Δ P   e   ρ

Passo 4

A gente tem:

m = r = 3

E:

n = 6

Então ficamos com:

n - m = 6 - 3 = 3

Logo vamos achar três grupos π !

Passo 5

Agora sim, vamos encontrar o nosso primeiro grupo π !!

Começando com o π 1 , onde vamos usar o   d :

π 1 = 1 = { ( d ) × D a × Δ P b × ρ c }

Escrevendo suas dimensões básicas:

π 1 = M 0 L 0 t 0 = { ( L 1 ) × L 1   a × M 1 L - 1 t - 2 b × M 1 L - 3 c }

Equacionando:

Massa:

M 0 = M b × M c

0 = b + c

c = - b

Comprimento:

L 0 = L 1 × L a × L - b × L - 3 c

0 = 1 + a - b - 3 c

0 = 1 + a - b + 3 b

0 = 1 + a + 2 b  

Tempo:

t 0 = t - 2 b

b = 0

Logo:

0 = 1 + a + 2 b  

0 = 1 + a

a = - 1

E:

c = - b

c = 0

Substituindo a , b e c , temos:

π 1 = { ( d ) × D - 1 × Δ P 0 × ρ 0 }

Organizando:

π 1 = d D

Passo 6

Agora vamos de π 3 , dessa vez vamos descobrir a relação de μ com as variáveis repetidas:

π 2 = 1 = { ( μ ) × D d × Δ P e × ρ f }

Escrevendo suas dimensões básicas:

π 2 = M 0 L 0 t 0 = { ( M 1 L - 1 t - 1 ) × L 1   d × M 1 L - 1 t - 2 e × M 1 L - 3 f }

Equacionando:

Massa:

M 0 = M 1 × M e × M f

0 = 1 + e + f

e + f = - 1

Comprimento:

L 0 = L - 1 × L d × L - e × L - 3 f

0 = - 1 + d - e - 3 f

Tempo:

t 0 = t - 1 × t - 2 e

0 = - 1 - 2 e

e = - 1 2

Logo:

e + f = - 1

f = - 1 + 1 2 = - 1 2

E:

0 = - 1 + d - e - 3 f

0 = - 1 + d - - 1 2 - 3 - 1 2

d = 1 - 1 2 - 3 2 = - 1

Substituindo :

π 2 = { ( μ ) × D - 1 × Δ P - 1 2 × ρ - 1 2 }

Organizando:

π 2 = μ D Δ P ρ

Passo 7

E finalmente, o último π que é o π 3 com a relação de σ com os parâmetros repetidos:

π 3 = 1 = { ( σ ) × D g × Δ P h × ρ l }

Escrevendo suas dimensões básicas:

π 3 = M 0 L 0 t 0 = { ( M 1 t - 2 ) × L 1   g × M 1 L - 1 t - 2 h × M 1 L - 3 l }

Equacionando:

Massa:

M 0 = M 1 × M h × M l

0 = 1 + h + l

h + l = - 1

Comprimento:

L 0 = L g × L - h × L - 3 l

0 = g - h - 3 l

Tempo:

t 0 = t - 2 × t - 2 h

0 = - 2 - 2 h

h = - 1

Logo:

h + l = - 1

l = - 1 + 1 = 0

E:

0 = g + 1

g = - 1

Substituindo :

π 3 = { ( σ ) × D - 1 × Δ P - 1 × ρ 0 }

Organizando:

π 3 = σ D Δ P

Uhuuuuul!!!

Resposta

Os parâmetros Π que caracterizam esse fenômeno são:

π 1 = d D

π 2 = μ D Δ P ρ

π 3 = σ D Δ P

Ver Outros Exercícios desse livro