Enunciado

Um funil cônico, com meio ângulo θ = 15 ° , com diâmetro máximo D = 70   m m e altura H , deixa escapar líquido por um orifício (diâmetro d = 3,12   m m ) no seu vértice. A velocidade do líquido deixando o reservatório é dada, aproximadamente, por V = 2 g h em que y é a altura da superfície livre do líquido acima do orifício. Determine a taxa de variação do nível da superfície no reservatório no instante em que y = H / 2 .

Passo 1

Nos foi dado no enunciado que:

D = 70   m m = 0,07   m

d = 3,12   m m = 0,00 312   m

V = 2 g h

θ = 15 °

g = 9,8   m / s 2

Podemos fazer as seguintes considerações:

∀ = c o n s t a n t e

Fluxo incompressível

Passo 2

Podemos fazer um esboço do volume de controle da seguinte maneira

Onde o volume de controle é referido como o tracejado pontilhado.

Passo 3

Podemos aplicar a equação da continuidade no volume de controle desenhado. Assim temos:

∂ ∂ t ∫ V C   ρ d ∀ + ∫ S C   ρ V → ⋅ d A → = 0

Pelas considerações feitas:

0 - V H / 2 A H / 2 + V 0 A 0 = 0

V H / 2 A H / 2 = V 0 A 0

V H / 2 = V 0 A 0 A H / 2

Passo 4

Podemos rescrever a equação encontrada no passo anterior sabendo que:

V H / 2 = - d y d t

Pois y está diminuindo.

Podemos dizer também que:

A 0 = π d 2 4

e

A H / 2 = π D / 2 2 4

Pois D H / 2 = D / 2

Podemos também escrever H como:

H = D / 2 tan ⁡ θ = D 2 tan ⁡ θ

E como foi dito no enunciado:

V 0 = 2 g H 2   = g H

Substituindo na equação temos:

V H / 2 = V 0 A 0 A H / 2

- d y d t = g H × π d 2 / 4 π D / 2 2 / 4  

- d y d t = g D 2 tan ⁡ θ × d D / 2 2

d y d t = - d D / 2 2 × D g 2 tan ⁡ θ

d y d t = - 4 d D 2 × D g 2 tan ⁡ θ

Passo 5

Para calcular a taxa de variação do nível da superfície no reservatório no instante em que y = H / 2 , bata substituirmos os valores fornecido no enunciado na equação encontrada no passo anterior.

d y d t = - 4 0,00 312   m   0,07   m   2 × 0,07   m × 9,8   m / s 2 2 tan ⁡ 15 °

d y d t = - 0,009   m / s

d y d t = - 9   m m / s

Resposta

d y d t = - 9   m m / s

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