CONSTRUÇÃO E OTIMIZAÇÃO DE UM DISPOSITIVO DE BAIXO CUSTO DESTINADO AO ESTUDO DOS ESCOAMENTOS DOS FLUIDOS MOREIRA, A. F. (IC)¹ ; BARROSO, W. W. R. A. (IC) 2 ; SILVA, D. L. (IC)3 ; ALMEIDA, ALMEID A, F. F. E. 4 F. (P) Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia da Paraíba (IFPB) - Camus !oão Pessoa -,"Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia da Paraíba (IFPB) - Camus !oão Pessoa# $Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia da Paraíba (IFPB) - Camus !oão Pessoa Pessoa -,4 Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia da Paraíba (IFPB) Camus !oão Pessoa Pessoa e-mail% ale&'mgt(otmail*com +IC) Iniciação Cientíca +TC) Tcnico em .uímica +P.) Pes/uisador
RESUMO 0 ensi ensino no e&e e&eri rime ment ntal al al1o al1o de gran grande de dic dicul ulda dade de 1ist 1isto o /ue /ue os e/ui e/uia ame ment ntos os dos dos labo labora rat2 t2ri rios os dema demand ndam am muit muitas as 1e3e 1e3es, s, um custo ele1ado o /ue torna in1i1el a rtica e&erimental dentro do ensino* 5entro dessa erse ersecti cti1a 1a este este trabal trabalo o 'oi desen1 desen1ol1 ol1ido ido tendo como rincial ob6eti1o de ser utili3ado ara ns didticos nas aulas de mec7nica dos 8uidos 'acilitando o arendi3ado e dinami3ando as aulas* Consiste na montagem de um disositi1o semelante ao de 0sborne
9e:nolds ara medir o numero de 9e:nolds e deste modo di'erenciar o tio de escoamento de um 8uido, odendo este ser do tio laminar, tran transi siçã ção o ou turb turbul ulen ento to** ;a cons constr truç ução ão do disositi1o 'oram utili3ados materiais de bai&o custo e de 'cil a/uisição obtendo resultados satis'at2rios e dentro das e&ectati1as* e&ectati1as*
PALAVRAS!C"AVE# Fluidos, Bai&o custo, ;
CONSTRUCTION AND OPTIMIZATION OF A LOW COST DEVICE FOR T"E STUD$ OF FLOW OF FLUIDS ABSTRACT E&eri E&erimen menta tall teaci teacing ng is o' great great di=cul di=cult: t: since since te e/uim e/uiment ent o' labora laborator tories ies o'ten o'ten re/uire a ig cost >ic ma?es it un'easible e&e e&eri rime ment ntal al rac racti tice ce >it >itin in te te sco scool ol** @iti itin n tis tis ers erse ect cti1 i1e, e, tis tis >or? >or? >as >as de1elo de1eloed ed >it >it te rimar rimar: : uros urose e to be used used 'or educat education ional al uros uroses es in te 8uid 8uid mecanics mecanics classes classes 'acilitat 'acilitating ing learning learning and stimulating lessons* It consists in assembling
a de1i de1ice ce simi simila larr to 0sbo 0sborn rne e 9e:no e:nold lds s to measu easurre te te 9e:no e:nold lds s numb number er and and to distinguis te t:e o' 8o> o' a 8uid, >ic ma: ma: be o' te t:e lamina laminar, r, transi transitio tion, n, or turbul turbulent ent t:e* t:e* In constr construct ucting ing te de1ice de1ice ine&ensi1e and eas: to urcase materials and and obta obtain inin ing g sati satis' s'ac acto tor: r: resu result lts s >iti >itin n e&ectations >ere used*
IA Congresso ;orte ;ordeste de Pes/uisa e Ino1ação, "4
%E$!WORDS# Fluids, Do> cost , 9e:nolds ;umber*
IA Congresso ;orte ;ordeste de Pes/uisa e Ino1ação, "4
"
CONSTRUÇÃO E OTIMIZAÇÃO DE UM DISPOSITIVO DE BAIXO CUSTO DESTINADO AO ESTUDO DOS ESCOAMENTOS DOS FLUIDOS. &. INTRODUÇÃO ma das grandes diculdades resentes na educação interligar o conecimento ensinado nas aulas e associ-lo rtica, gerando assim muitas 1e3es aatia do aluno com o assunto abordado* Contudo, tal rtica nem semre tão simles 1isto /ue uma necessidade de materiais e e/uiamentos de custos ele1ados, in1iabili3ando a e&eriência* 5iante de tal roblema, uma alternati1a
tio de escoamento do 8uido ara alicação nas aulas de mec7nica dos 8uidos 'acilitando o arendi3ado e dinami3ando as aulas*
&.2. N'MERO DE RE$NOLDS 0sborne 9e:nolds 'e3 seu e&erimento utili3ando um aarato simles mostrado na Figura * Jdmita /ue a gua escoa num tubo , /ue aresenta dum di7metro 5, com uma 1elocidade mdia Q* Podemos obser1ar algumas características se in6etarmos um lí/uido colorido /ue aresenta massa esecíca igual a da gua no escoamento+;H0;,"4)*
F*+ &! E&erimento utili3ado ara caracteri3ar o escoamento em tubos* Fonte% modicado de unson et al*,"4* .uando a 1a3ão Nsucientemente e/uenaO, o traço colorido ermanece como uma lina bem denida ao longo do duto e aresenta somente alguns le1es borrMes ro1ocados ela di'usão molecular do corante na gua* He a 1a3ão aresenta um N1alor intermedirioO, o traço de corante 8utua no temo e no esaço e aresenta /uebras intermedirias* Jgora, se a 1a3ão Nsucientemente grandeO, o traço de corante /uase /ue imediatamente aresenta-se borrado e esala-se ao longo de todo o tubo de 'orma aleat2ria* J Figura " ilustra estas características e os escoamentos corresondentes são denominados escoamento laminar, de transição e turbulento* +;H0;,"4)*
F*+ 2! Filetes de tintas tíicos*
Fonte: modificado de Munson et al.,2004.
Como não ade/uado caracteri3ar /uantidades dimensionais como Ne/uenasO ou NgrandesO 9e:nolds recisou então, relacionar essas grande3as com uma grande3a de re'erência, e /uando se 'a3 isso se gera grande3as adimensionais* 0 ar7metro mais imortante nos escoamentos em condutos o n
ρ VD =
VD =
µ
v
e/uação
+) Em /ue V a 1elocidade mdia do escoamento no tubo, ρ a massa esecíca do 8uido, µ a 1iscosidade do 8uido /ue uma roriedade 'ísica /ue caracteri3a a resistência de um 8uido ao escoamento a uma dada temeratura e D /ue o di7metro do tubo* Jssim odemos determinar se o escoamento laminar, de transição ou turbulento de acordo com o n
2. MATERIAIS E METODOS 0s materiais usados na construção do disositi1o estão listados na Tabela * ;a e&ecução da e&eriência, 'oi montado um diagrama es/uemtico do disositi1o como mostrado na Figura $, em seguida utili3ando-se dos materiais aresentados na Tabela o disositi1o 'oi desen1ol1ido como mostra a Figura 4*
T-/ & 0 ateriais utili3ados* I1 *14 4 " $ 4
S
U V " $
E567879:
N*+9: F*+ 3
"
Cai&a de Isoor $D Funil de bromo angueira TermRmetro 5igital Boia de Cai&a de 5escarga Corante Jlimentício Pro1eta Huorte ni1ersal CronRmetro Garra Pieta Torneira
4 " -
S $ UeV
Qidro
F*+ 3! Es/uema de montagem do disositi1o de medição
F*+ <- 5isositi1o de medição do ;umero de 9e:nolds montado* Para 'a3er o e&erimento, o ní1el de gua do reser1at2rio de distribuição de1e ser mantido constante, e isto 'eito com uma boia ara cai&a de descarga* Com o ní1el de gua do reser1at2rio constante, ao abrir ou 'ecar a torneira de escae do 8uido, a 1elocidade mdia do escoamento ter uma 1ariação, e atra1s do 'unil de bromo liberamos o lí/uido colorido /ue 'acilitar a 1isuali3ação dos tios de escoamentos* 5eois estabeleceu-se o escoamento do 8uido no duto, abrindo a 1l1ula reguladora na saída at conseguirmos 1isuali3ar um lete de tinta est1el no centro da ro1eta* Em seguida e'etuou-se a leitura do 1olume do 8uido escoado na ro1eta e o temo ara encer tal 1olume ara calcular a 1a3ão* Gradati1amente aumentou-se a 1a3ão at /ue o escoamento 'osse 1isuali3ado como se todo lete de tinta ocuasse desordenadamente o interior do tubo, 'a3endo o mesmo rocedimento citado anteriormente* 9eetiu-se o e&erimento ara mais S 1alores de 1a3ão di'erentes no escoamento*
3. RESULTADOS E DISCURS=ES Inicialmente determinamos a 1a3ão do escoamento, ara esse clculo usamos a E/uação ", em /ue V o 1olume de li/uido recolido na ro1eta, e t o temo gasto ara recoler este 1olume de li/uido* Q
V =
t
e/uação +")
Jtra1s da 1a3ão Q e ela E/uação $, encontramos a 1elocidade mdia do escoamento na seção trans1ersal da ro1eta com di7metro DW mm*
V
4Q =
π D
e/uação +$)
2
Temos /ue a rea em mX ode ser dada ela E/uação 4 A
=
π D 4
e/uação +4)
Com a 1elocidade mdia do escoamento na seção trans1ersal da ro1eta e sua 1iscosidade cinemtica igual aro&imadamente a ,& -U m"Ys +reali3ado com gua a "ZC), calculou-se o n
N>
V/*( T(5) ?) "S, S , V "," $ ,U "
(?@5)
& -U
"
100 x 10-6
$
100 x 10-6
4
100 x 10-6
S
100 x 10-6
S
20 x 10-6
U
100 x 10-6
",V
34,84 x 10-6
3,99 x 10-6 5,03 x 10-6 8,18 x 10-6 9,42 x 10-6
A() V,S4 -U V,S4 -U V,S4 -U V,S4 -U V,S4 -U V,S4 -U
&
V(@5) S, & $
&
U4,4 & $
& & & &
4,S -$ ,4 -$ "S4*US -$ 44$,U$ -$
& & & &
C/7*/ 4
O-5+ 4
S", Daminar
Daminar
R
U$4
Daminar
Daminar
$, Daminar Daminar " V, Transit2r Daminar S io "S", Transit2r Turbulen $ io to 4$", Turbulen Turbulen 4 to to
N N+ 4 495.
0s 1alores obtidos atra1s da '2rmula do n
J rerodução do e&erimento mostrou os escoamentos dos 8uidos de 'orma similar ao de 0sborne 9e:nolds, odendo ser alicado em laborat2rio nas aulas de mec7nica dos 8uidos* 0 disositi1o ser imortante nos estudos da discilina, 'acilitando a comreensão do aluno e comlementando seu arendi3ado* 0btemos resultados dentro da ersecti1a aesar de alguns 1alores do n
Pro1amos tambm /ue odemos recorrer a materiais de bai&o custo e de recisão ra3o1el ara ns didticos, 6 /ue alguns e/uiamentos são caros dicultando o acesso s rticas laboratoriais na maioria das 1e3es*
REFERNCIAS ;H0;, Bruce 9* # [0;G, 5onald F* # 0\IIHKI, Teodore K* F*415 4 M7G7 45 F/*45% tradução da /uarta edição americana% Eur:ale de !e6us Lerbini* ] Hão Paulo% Edgard Blucer,"4* GIJ;I, \* A EH6+19: E5 4 C75# Possibilidades e Dimites na Busca de uma Jrendi3agem signicati1a* "* $$ '* Proosta de ação rossional resultante da 5issertação +estrado em Ensino de Ciências) - Programa de P2sGraduação em Ensino de Ciências, ni1ersidade de Brasília, Brasília* "*
HCKTL, 5* A EH6+19: 7 F+ 4 CJ71 4 R/44* "* 4 '* Trabalo de conclusão de curso +Graduação em .uímica Dicenciatura) ] Instituto de .uímica, ni1ersidade Federal do 9io Grande do Hul, Porto Jlegre* "*
