Fluidos

Os fluidos são as substâncias nos estados físicos da matéria líquido e gasoso. São classificados como fluidos ideais, reais, incompressíveis, compressíveis, newtonianos e não newtonianos de acordo com as características que têm, como massa específica, pressão, viscosidade e compressibilidade.

Leia também: O que é a matéria?

Resumo sobre fluidos

• Fluidos são substâncias nos estados líquido e gasoso.
• Todos os líquidos e gases são fluidos.
• As principais características dos fluidos são massa específica, pressão, viscosidade e compressibilidade.
• Os tipos principais são os fluidos ideais, os reais, os incompressíveis, os compressíveis, os newtonianos e os não newtonianos.
• O princípio de Stevin aborda a relação entre a pressão e a altura em pontos distintos de um fluido.
• Os fluidos de mesma massa específica nos vasos comunicantes terão a mesma pressão nos pontos em que estão na mesma altura.
• O teorema de Pascal afirma que a pressão realizada em um ponto de um fluido estático é transferida igualmente por todo o fluido.
• O teorema de Arquimedes descreve a força de empuxo.
• Os fluidos são importantes para a manutenção da vida, o desenvolvimento da tecnologia e a construção de encanações e equipamentos.

O que são fluidos?

Os fluidos são substâncias gasosas e líquidas que se deformam sem dificuldade e se adequam ao formato do recipiente no qual são colocados.

• Substâncias líquidas: apresentam volume bem definido e conseguem mudar a sua forma dependendo do recipiente no qual são colocadas.
• Substâncias gasosas: não apresentam volume e forma bem definidos e conseguem ocupar todo o recipiente no qual são colocadas.

Existem diversos exemplos de fluidos, como água, piche, mel, óleo, leite, ar, oxigênio, hidrogênio e muitos outros.

Principais características dos fluidos

As principais características dos fluidos são massa específica, pressão, viscosidade e compressibilidade.

• Massa específica: indica a distribuição massa por volume de um corpo ou fluido. Dependendo do seu valor, um corpo é capaz de emergir ou submergir em um fluido. Ela pode ser calculada pela fórmula:

\(\rho = \frac{m}{V} \)

ρ é a massa específica, medida em [kg/m³].

m é a massa, medida em quilogramas [kg].

V é o volume, medido em [m³].

• Pressão: é gerada por meio da aplicação de força sobre a superfície de um corpo ou fluido. Ela pode ser calculada pela fórmula:

\(p = \frac{F}{A} \)

p é a pressão, medida em Pascal [Pa].

F é a força, medida em Newton [N].

A é a área da superfície, medida em [m²].

• Viscosidade: indica a resistência de um fluido ao fluxo de escoamento. Quanto maior for a viscosidade de um fluido, menor será a sua fluidez, e, quanto menor for a viscosidade de um fluido, maior será a sua fluidez.
• Compressibilidade: indica o quanto um fluido é capaz de reduzir o seu volume quando sujeito a variações de pressão.

Veja também: Hidrostática — ramo da Física que estuda o comportamento dos fluidos em repouso

Tipos de fluidos

Os principais tipos de fluidos são os ideais, os reais, os incompressíveis, os compressíveis, os newtonianos e os não newtonianos.

• Fluidos ideais: não existem na natureza, mas são usados para simplificações matemáticas. Para ser considerado um fluido ideal, é necessário que ele tenha escoamento laminar, incompressível, não viscoso e irrotacional.
• Fluidos reais: são os que existem na natureza.
• Fluidos incompressíveis: neles a massa específica não se altera consideravelmente quando sofre uma compressão ou variação de temperatura.
• Fluidos compressíveis: neles a massa específica se altera quando sofre uma compressão ou variação de temperatura.
• Fluidos newtonianos: obedecem à lei de Newton da viscosidade, apresentando viscosidade constante independentemente da taxa de cisalhamento.
• Fluidos não newtonianos: não obedecem à lei de Newton da viscosidade, apresentando variações em sua viscosidade dependendo da taxa de cisalhamento.

Princípio de Stevin

O princípio de Stevin ou lei fundamental da hidrostática estabelece a relação entre pressão e altura em diferentes pontos de um fluido. Esse princípio tem como consequências o princípio dos vasos comunicantes e o princípio de Pascal.

A fórmula da lei de Stevin é:

\(p_1 - p_2 = \rho \cdot g \cdot \Delta h \)

p₁ é a pressão no ponto 1, medida em Pascal [Pa].

p₂ é a pressão no ponto 2, medida em Pascal [Pa].

ρ é a massa específica, medida em [kg/m³].

g é a aceleração da gravidade, medida em [ms²].

∆h é a variação da altura ou profundidade, medida em metros [m].

Ou:

\(p_1 - p_2 = \gamma \cdot \Delta h \)

p₁ é a pressão no ponto 1, medida em Pascal [Pa].

p₂ é a pressão no ponto 2, medida em Pascal [Pa].

γ é o peso específico, medido em [N/m³].

∆h é a variação da altura ou profundidade, medida em metros [m].

Vasos comunicantes e fluidos

Quando fluidos de mesma massa específica são colocados em vasos comunicantes, apenas nos pontos que têm a mesma altura, teremos a mesma pressão (C e D na imagem), mas, em pontos com diferença de altura, teremos diferentes pressões (A e B ou E e F na imagem), independentemente da massa específica do fluido.

A fórmula dos vasos comunicantes é:

\(H_1 \cdot d_1 = H_2 \cdot d_2 \)

H₁ e H₂ são as alturas relacionadas às áreas, medidas em metros [m].

d₁ e d₂ são as densidades dos fluidos, medidas em [kg/m³].

Teorema de Pascal

O teorema de Pascal é o princípio da hidrostática que permitiu o desenvolvimento das prensas e macacos hidráulicos, já que ele estabelece que, ao se aplicar uma pressão num ponto do fluido em equilíbrio, essa pressão será propagada uniformemente por todo o fluido.

A fórmula do teorema de Pascal é:

\(\frac{F_1}{A_1} = \frac{F_2}{A_2} \)

Que também pode ser representada como:

\(\frac{A_1}{A_2} = \frac{H_2}{H_1} \)

F₁ e F₂ são as forças aplicada e recebida, respectivamente, medidas em Newton [N].

A₁ e A₂ são as áreas relacionadas à aplicação das forças, medidas em [m²].

H₁ e H₂ são as alturas relacionadas às áreas, medidas em metros [m].

Teorema de Arquimedes

O teorema de Arquimedes é o princípio da hidrostática que enuncia a força de empuxo — que um fluido aplica sobre um corpo que está completa ou parcialmente imerso nele. Dependendo da relação da força de empuxo (direção vertical e sentido para cima) com a força peso (direção vertical para baixo), um corpo é capaz de flutuar ou afundar.

• Força de empuxo > força peso: corpo flutua, como a madeira na água.
• Força de empuxo = força peso: corpo mantém sua posição.
• Força de empuxo < força peso: corpo afunda, como o ferro na água.

A fórmula do teorema de Arquimedes é:

E = peso do fluido deslocado

E = ρ_f ∙ V_fd ∙ g

E é a força de empuxo, medida em newtons [N].

ρ_f é a densidade do fluido, medida em [kg/m³].

V_fd é o volume do fluido deslocado, medido em [m³].

g é a aceleração da gravidade, medida em [m/s²]

Importância dos fluidos

Os fluidos são extremamente importantes para a engenharia, física, química, medicina e, principalmente, para a existência e manutenção da vida. Pensando nisso, selecionamos a importância de alguns fluidos:

• Água: importante para a regulação fisiológica e metabólica.
• Leite: importante para a nutrição.
• Oxigênio: importante para a respiração da maioria dos seres vivos.  
• Hidrogênio: importante para a produção industrial e de combustíveis.
• Dióxido de carbono: importante para a fotossíntese e regulação climática.
• Nitrogênio: importante na formação das proteínas, anticorpos e enzimas.

Saiba mais: Qual é a diferença entre vapor e gás?

Exercícios resolvidos sobre fluidos

01) (Fuvest-SP) Um objeto homogêneo colocado em um recipiente com água tem 32% de seu volume submerso; já em um recipiente com óleo, esse objeto tem 40% de seu volume submerso. A densidade desse óleo, em g/cm³, é:

Note e adote:

Densidade da água = 1 g/cm³

a) 0,32

b) 0,40

c) 0,64

d) 0,80

e) 1,25

Resolução

Alternativa D

Primeiramente, calcularemos o empuxo do corpo na água por meio da fórmula do teorema de Arquimedes:

\(E_A = d_f \cdot g \cdot V_{fd} \)

\(E_A = 1 \cdot g \cdot 0,32\, \text{V} \)

Depois, calcularemos o empuxo do corpo no óleo por meio da fórmula do teorema de Arquimedes:

\(E = d_f \cdot g \cdot V_{fd} \)

\(E_O = d \cdot g \cdot 0,4\, \text{V} \)

Por fim, calcularemos a densidade do óleo por meio da igualdade entre os dois empuxos descobertos anteriormente:

\(E_A=E_O\)

\(1 \cdot g \cdot 0,32\, \text{V} = d \cdot g \cdot 0,4\, \text{V} \)

\(1 \cdot 0,32 = d \cdot 0,4 \)

\(d = \frac{0,32}{0,4} \)

\(d=0,8 g⁄cm^3 \)

02) (EEAR) Uma prensa hidráulica possui ramos com áreas iguais a 15 cm² e 60 cm². Se aplicarmos uma força de intensidade F₁=8N sobre o êmbolo de menor área, a força transmitida ao êmbolo de maior área será:

a) \(\frac{F_1}{4} \)

b) \(\frac{F_1}{2} \)

c) \(2F_1\)

d) \(4F_1\)

Resolução

Alternativa D

Primeiramente, transformaremos as áreas de cm² para m2:

\(15cm²=0,0015m^2\)

\(60cm²=0,006m^2\)

Por fim, calcularemos a segunda força por meio da fórmula do princípio de Pascal:

\(\frac{F_1}{A_1} = \frac{F_2}{A_2} \)

\(\frac{8}{0,0015} = \frac{F_2}{0,006} \)

\(F_2 = \frac{8}{0,0015} \cdot 0,006 \)

\(F_2=32N\)

Fontes

HALLIDAY, D.; RESNICK, R.; WALKER, J. Fundamentos da Física: Gravitação, Ondas e Termodinâmica (vol. 2), 8. ed. Rio de Janeiro, RJ: LTC, 2009.

NUSSENZVEIG, H. M. Curso de física básica: Fluidos, Oscilações e Ondas, Calor (vol. 2). 5 ed. São Paulo: Editora Blucher, 2015.