Enunciado

Uma hélice de 6 m de diâmetro desloca um barco com a velocidade de 7,5 m/s, quando gira a 120 rpm. Constrói-se um modelo geometricamente semelhante do casco e da hélice na escala 1:10 para determinação da força de tração axial. Determinar a velocidade do modelo, a rotação da hélice do modelo e as escalas das forças. Dado: f ρ , v , D , n , g , F = 0 .

Passo 1

Fala aí! Vamos começar identificando a função representativa, nesse caso, o enunciado já nos forneceu, olha ela aí:

f ρ , v , D , n , g , F = 0

Vamos precisar fazer a análise dimensional dela, ok? Verificando a equação dimensional para cada uma das grandezas da função, temos:

ρ = M L - 3 ;   v = L T - 1 ;   D = L ;   n = T - 1 ;   g = L T - 2 ;   F = M L T - 2

Agora vamos calcular o número de adimensionais independentes m = n - r , nesse caso temos:

n = 6   g r a n d e z a s   e n v o l v i d a s   n o   f e n ô m e n o

r = 3   n ú m e r o   d e   g r a n d e z a s   f u n d a m e n t a i s   d o   f e n ô m e n o

Sendo assim, temos:

m = 6 - 3

m = 3

Isso significa que teremos três grupos adimensionais!

Passo 2

Agora vamos construir esses três números adimensionais:

π 1 = ρ α 1 v α 2 D α 3 n  

π 2 = ρ β 1 v β 2 D β 3 F

π 3 = ρ δ 1 v δ 2 D δ 3 g

Vamos começar pelo π 1 … substituindo cada uma das grandezas dimensionais nas equações, temos:

π 1 = ρ α 1 v α 2 D α 3 n = M L - 3 α 1 L T - 1 α 2 L α 3 T - 1

Então, para que π 1 seja adimensional, temos:

α 1 + 0 = 0 → α 1 = 0

- α 2 - 1 = 0 → α 2 = - 1

- 3 α 1 + α 2 + α 3 + 0 = 0 → - 3 0 + ( - 1 ) + α 3 = 0 → α 3 = 1

Dessa forma, ficamos então com:

π 1 = ρ 0 v - 1 D 1 n → π 1 = n D v

Agora, repetindo o mesmo processo para π 2 :

π 2 = ρ β 1 v β 2 D β 3 F = M L - 3 β 1 L T - 1 β 2 L β 3 M L T - 2

Então, para que π 2 seja adimensional, temos:

β 1 + 1 = 0 → β 1 = - 1

- β 2 - 2 = 0 → β 2 = - 2

- 3 β 1 + β 2 + β 3 + 1 = 0 → - 3 - 1 + - 2 + β 3 + 1 = 0 → β 3 = - 2

Dessa forma, temos então:

π 2 = ρ - 1 v - 2 D - 2 F → π 2 = F ρ v 2 D 2

Opa! Isso aí é conhecido pra gente, né? É o número de Euler! Então:

π 2 = F ρ v 2 D 2 = E u

Passo 3

Não vamos esquecer de encontrar π 3 , do mesmo jeitinho:

π 3 = ρ δ 1 v δ 2 D δ 3 g = M L - 3 δ 1 L T - 1 δ 2 L δ 3 L T - 2

Então, para que π 3 seja adimensional, temos:

δ 1 + 0 = 0 → δ 1 = 0

- δ 2 - 2 = 0 → δ 2 = - 2

- 3 δ 1 + δ 2 + δ 3 + 1 = 0 → - 3 0 + - 2 + δ 3 + 1 = 0 → δ 3 = 1

Dessa forma, temos então:

π 3 = ρ 0 v - 2 D 1 g   →   π 3 = D g v 2

Opa! Esse cara aí também é conhecido! É o número de Froude! Então ficamos com:

π 3 = F r = v 2 D g

Passo 4

Agora que encontramos os grupos dimensionais, sabemos que esses números devem ser iguais entre o modelo e o protótipo, ou seja:

n m D m v m = n p D p v p

E u m = E u p → F m ρ m v m 2 D m 2 = F p ρ p v p 2 D p 2

F r m = F r p → v m 2 D m g m = v p 2 D p g p

Como o enunciado não nos disse nada a respeito das condições atmosféricas entre o ambiente de teste do modelo e do protótipo, vamos supor que todas elas são iguais, ok? Então ficamos com g m = g p = g e ρ m = ρ p = ρ , então, substituindo os valores conhecidos na equação de Froude, temos:

v m 2 1 g = 7,5 2 10 g → v m = 2,37   m / s

Agora, vamos usar esse resultado na primeira equação para encontrar a rotação da hélice, olha só:

n m D m v m = n p D p v p

n m ( 1 ) ( 2,37 ) = ( 120 ) ( 10 ) ( 7,5 )

n m = 379,5   r p m

E substituindo os valores conhecidos na equação para o número de Euler, temos que a escala das forças é:

F m ρ 2,37 2 1 2 = F p ρ 7,5 2 10 2

F m F p = 0,001

F m F p = 1 1000

Uhul! Mandamos bem!

Resposta

A velocidade do modelo é: v m = 2,37   m / s

O número de rotação da hélice do modelo é: n m = 379,5   r p m

E a escala das forças é: F m F p = 1 1000

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