Enunciado

O empuxo de uma hélice de embarcação deve ser medido durante testes de “água­aberta” a diversas velocidades angulares e velocidades à frente (“velocidades de avanço”). Supõe­se que o empuxo, F T , depende da massa específica da água, ρ , do diâmetro da hélice, D , da velocidade de avanço, V , da aceleração da gravidade, g , da velocidade angular, ω , da pressão no líquido, p , e da viscosidade do líquido, μ . Desenvolva um conjunto de parâmetros adimensionais para caracterizar o desempenho da hélice. (Um dos parâmetros resultantes, g D / V 2 , é conhecido como a velocidade de avanço de Froude.)

Passo 1

Fala aiii, tudo bem? Nessa questão nós temos a relação funcional entre o impulso de uma hélice marítima e outros parâmetros físicos. Com isso queremos encontrar os termos que caracterizam esse fenômeno.

Passo 2

Para resolver essa questão usaremos o teorema pi de Buckingham. Onde encontramos que o número de parâmetros é:

n = 8

Selecionando as dimensões primárias M ,   L ,   t :

r = 3

E os parâmetros repetidos:

m = r = 3

Passo 3

Então nós temos n   -   m   =   5 grupos sem dimensão. Configurando as seguintes equações dimensionais:

π 1 = F T . ρ a . V b . D c = M . L t 2 M L 3 a L t b L c = M 0 L 0 t 0    

Somando os expoentes:

M : 1 + a = 0

L : 1 - 3 . a + b + c = 0

t : - 2 - b = 0

Temos que a solução do sistema é:

a = - 1

b = - 2

c = - 2

Então:

π 1 = F T ρ . V 2 . D

Passo 4

Para o segundo grupo temos:

π 2 = g . ρ a . V b . D c = 1 t 2 M L 3 a L t b L c = M 0 L 0 t 0    

Somando os expoentes:

M : a = 0

L : 1 - 3 . a + b + c = 0

t : - 2 - b = 0

Temos que a solução do sistema é:

a = 0

b = - 2

c = 1

Então:

π 2 = g . D V 2

Passo 5

Para o terceiro grupo temos:

π 3 = ω . ρ a . V b . D c = 1 t M L 3 a L t b L c = M 0 L 0 t 0    

Somando os expoentes:

M : a = 0

L : - 3 . a + b + c = 0

t : - 1 - b = 0

Temos que a solução do sistema é:

a = 0

b = - 1

c = 1

Então:

π 3 = ω . D V 2

Passo 6

Para o quarto grupo temos:

π 4 = p . ρ a . V b . D c = M L . t 2 M L 3 a L t b L c = M 0 L 0 t 0    

Somando os expoentes:

M : 1 + a = 0

L : - 1 - 3 . a + b + c = 0

t : - 2 - b = 0

Temos que a solução do sistema é:

a = - 1

b = - 2

c = 0

Então:

π 4 = p ρ . V 2

Passo 7

Para o quinto grupo temos:

π 5 = μ . ρ a . V b . D c = M L . t M L 3 a L t b L c = M 0 L 0 t 0    

Somando os expoentes:

M : 1 + a = 0

L : - 1 - 3 . a + b + c = 0

t : - 1 - b = 0

Temos que a solução do sistema é:

a = - 1

b = - 1

c = - 1

Então:

π 5 = μ ρ . V . D

Passo 8

Verificando usando as dimensões F ,   L ,   t , T :

F . L 4 F . t 2 . t 2 L 2 . 1 L 2 = 1

L 2 t 2 . L . t 2 L 2 = 1

F L 2   . L 4 F . t 2 . t 2 L 2 = 1

F . t L 2 . L 4 F . t 2 . t L . 1 L = 1

Resposta

π 1 = F T ρ . V 2 . D

π 2 = g . D V 2

π 3 = ω . D V 2

π 4 = p ρ . V 2

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