Exercícios Resolvidos de Regimes da Força de Arraste: Fluxo Turbulento e Fluxo Viscoso.

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Enunciado

  1. Mostre que as velocidades terminais são diferentes para os regimes da força de arraste.
  2. Compare as velocidades e mostre que a força de arraste pode ser aproximada pela equação

F d = b v + c v ²

Passo 1

a ) Vamos começar calculando para o fluxo turbulento, para isso basta a gente usar a segunda lei de Newton e encontrar a relação das forças:

∑ F = P - F d = 0

P = F d

m g = F d

A força de arraste para fluxo turbulento é dada pela expressão:

F d = 1 2 ρ C A v 2

Assim:

m g = 1 2 ρ C A v 2

Rearrumando:

v = v t = 2 m g ρ A C

Passo 2

Para o fluxo laminar a parada é um pouco diferente, a gente precisa pegar aquela equação geral e partir dela:

d v d t + b m v   =   g

Pra velocidade terminal, a gente precisa do ponto em que t → ∞ .Se liga nessa ideia, se o tempo tende ao infinito o termo d v / d t , tende a zero. Com isso a equação fica:

b m v = g

v t = m g b

Aqui a gente mostra que as velocidades são diferentes dependendo do regime, pois dependem de fatores diferentes.

Passo 3

b) Vamos agora comparar as velocidades e fazer a análise. Para o fluxo turbulento encontramos:

v t = 2 m g ρ A C

Rearrumando :

v t 2 = 2 m g ρ A C

Para simplificar faremos:

c = 1 2 ρ A C

v t 2 = m g c

Para o fluxo laminar nós temos:

v t = m g b

Olhando assim elas ficam bem parecidas, a diferença é o expoente e a constante que multiplica cada uma. Podemos dizer que :

P = m g = F d

F d = b v t

F d = c v t ²

A gente não pode simplesmente somar as duas forças de arraste, a aproximação da mesma é dada por uma função definida por partes. A gente vai juntar as duas partes que encontramos e assim:

F D = b v + c v ²

Se o fluxo é laminar:

F D = b v

Se o fluxo é turbulento:

F d = c v ²

Quando as velocidades são baixas a função é linear, quando a velocidade aumenta, o efeito da turbulência faz aparecer o termo ao quadrado.

Resposta

Ei, a resposta está no passo a passo :)