Enunciado

O “spin” (giro em torno do próprio eixo) tem papel importante na trajetória de bolas de golfe, pingue­pongue e tênis. Então, é importante conhecer a taxa com a qual o “spin” decresce para uma bola em voo. Supõe­se que o torque aerodinâmico, T atuando sobre a bola em voo, dependa da velocidade da bola, V , da massa específica do ar, ρ , da sua viscosidade, μ , do diâmetro da bola, D , da taxa de giro (velocidade angular), ω , e da profundidade (ou diâmetro) das cavidades da bola, d . Determine os parâmetros adimensionais que resultam.

Passo 1

Nessa questão nós temos a relação funcional entre o torque aerodinâmico em uma bola giratória e outros parâmetros físicos. Com isso, queremos encontrar os termos que caracterizam esse fenômeno.

Passo 2

Para resolver essa questão vamos usar o teorema pi de Buckingham. Para o número de parâmetros temos:

n = 7

Selecionando as dimensões primárias M ,   L ,   t :

r = 3

E os parâmetros repetidos:

m = r = 3

Passo 3

Nós temos n   -   m   =   4 grupos sem dimensão. Configurando as seguintes equações dimensionais:

π 1 = T . ρ a . V b . D c

Então,

M . L 2 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 : 2 - 3 . a + b + c = 0

t : - 2 - b = 0

Temos que a solução do sistema é:

a = - 1

b = - 2

c = - 3

Então:

π 1 = T ρ . V 2 . D 3

Verifique usando as dimensões F ,   L ,   t :

F . L . L 4 F . t 2 . t 2 L 2 . 1 L 3 = 1

Passo 4

Para o segundo grupo temos:

π 2 = μ . ρ a . V b . D c

Então,

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 2 = μ ρ . V . D

Verifique usando as dimensões F ,   L ,   t :

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

Passo 5

Para o terceiro grupo temos:

π 3 = ω . ρ a . V b . D c

Então,

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

Verifique usando as dimensões F ,   L ,   t :

1 t . L . 1 L = 1

Passo 6

Para o quarto grupo temos:

π 4 = d . ρ a . V b . D c

Então,

L . 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 : - b = 0

Temos que a solução do sistema é:

a = 0

b = 0

c = - 1

Então:

π 4 = d D

Verifique usando as dimensões F ,   L ,   t :

L . 1 L = 1

A relação funcional é:

π 1 = f ( π 2 , π 3 , π 4 )

Resposta

π 1 = T ρ . V 2 . D 3

π 2 = μ ρ . V . D

π 3 = ω . D V

π 4 = d D

π 1 = f ( π 2 , π 3 , π 4 )

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