Enunciado

O esquema mostra um jato de ar descarregando verticalmente. Experiências mostram que uma bola colocada no jato fica suspensa em uma posição estável. A altura de equilíbrio da bola o jato depende de D, d, V, ρ, μ, e de W, em que W é o peso da bola. Análise dimensional é sugerida para correlacionar os dados experimentais. Determine 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:

h = f ( D , d , V , ρ ,   μ ,   W )

Com isso temos:

n = 7

Vamos nessa então descobrir os parâmetros π que descrevem esse fenômeno!

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!

h = L 1 ; D = L 1 ; d = L 1 ; V = L 1 t - 1 ; ρ = M 1 L - 3 ;

μ = M 1 L - 1 t - 1 ; W = 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:

h = f ( D , d , V , ρ ,   μ ,   W )

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

Temos D   e   d com a mesma dimensão, vamos escolher o d para ser um parâmetro repetido!

Entre os parâmetros relevantes que sobram, é interessante pegar os mais simples, dai já podemos tirar V e ρ .

Ficamos com:

d , V   e   ρ

Passo 4

A gente tem:

m = r = 3

E:

n = 7

Então ficamos com:

n - m = 7 - 3 = 4

Logo vamos achar quatro grupos π !

Passo 5

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

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

π 1 = 1 = { ( h ) × d a × V b × ρ c }

Escrevendo suas dimensões básicas:

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

Equacionando:

Massa:

M 0 = M c

0 = c

Comprimento:

L 0 = L 1 × L a × L b × L - 3 c

0 = 1 + a + b - 3 c

0 = 1 + a + b

Tempo:

t 0 = t - b

b = 0

Logo:

0 = 1 + a + b

0 = 1 + a

a = - 1

Substituindo a , b e c , temos:

π 1 = { ( h ) × d - 1 × V 0 × ρ 0 }

Organizando:

π 1 = h d

Passo 6

Para o π 2 a gente vai fazer relacionando D com as variáveis repetidas! Só que a dimensão de D é exatamente igual a dimensão de h , então a relação vai ser a mesma, só precisamos substituir h por D :

π 2 = D d

Passo 7

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

π 3 = 1 = { ( μ ) × d d × V e × ρ f }

Escrevendo suas dimensões básicas:

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

Equacionando:

Massa:

M 0 = M 1 + M f

0 = 1 + f

f = - 1

Comprimento:

L 0 = L - 1 × L d × L e × L - 3 f

0 = - 1 + d + e - 3 f

0 = - 1 + d + e + 3

d + e = - 2

Tempo:

t 0 = t - 1 × t - e

0 = - 1 - e

e = - 1

Logo:

d + e = - 2

d = - 2 + 1 = - 1

Substituindo :

π 3 = { ( μ ) × d - 1 × V - 1 × ρ - 1 }

Organizando:

π 3 = μ d V ρ

Passo 8

E finalmente, o último π que é o π 4 com a relação de W com os parâmetros repetidos:

π 4 = 1 = { ( W ) × D g × V h × ρ l }

Escrevendo suas dimensões básicas:

π 4 = M 0 L 0 t 0 = { ( M 1 L 1 t - 2 ) × L 1   g × L 1 t - 1 h × M 1 L - 3 l }

Equacionando:

Massa:

M 0 = M 1 + M l

0 = 1 + l

l = - 1

Comprimento:

L 0 = L 1 × L g × L h × L - 3 l

0 = 1 + g + h - 3 l

0 = 1 + g + h + 3

g + h = - 4

Tempo:

t 0 = t - 2 × t - h

0 = - 2 - h

h = - 2

Logo:

g + h = - 4

g = - 4 + 2 = - 2

Substituindo :

π 4 = { ( W ) × d - 2 × V - 2 × ρ - 1 }

Organizando:

π 4 = W d 2 V 2 ρ

Uhuuuuul!!!

Resposta

Os parâmetros π que caracterizam o fenômeno, são:

π 1 = h d

π 2 = D d

π 3 = μ d V ρ

π 4 = W d 2 V 2 ρ

Ver Outros Exercícios desse livro