Atrito na pele – Arrasto por fricção
Como foi escrito, quando um fluxo de fluido sobre uma superfície estável , por exemplo, a placa plana, o leito de um rio, ou a parede de um tubo, o fluido de tocar a superfície é trazido para descanso pela tensão de corte para a parede. A região na qual o fluxo se ajusta da velocidade zero na parede ao máximo na corrente principal do fluxo é denominada camada limite . Portanto, um fluido em movimento exerce forças tangenciais de cisalhamento na superfície devido à condição de não escorregamento causada por efeitos viscosos. Esse tipo de força de arrasto depende principalmente da geometria, da rugosidade da superfície sólida (somente em fluxo turbulento ) e do tipo de fluxo de fluido . oo atrito é proporcional à área da superfície. Portanto, corpos com uma área de superfície maior sofrerão um arrasto de atrito maior. É por isso que os aviões comerciais reduzem sua área total de superfície para economizar combustível. O arrasto de atrito é uma forte função da viscosidade, e um fluido “idealizado” com viscosidade zero produziria arrasto de atrito zero, uma vez que a tensão de cisalhamento da parede seria zero.
O atrito da pele é causado pelo arrasto viscoso na camada limite ao redor do objeto. As características básicas de todas as camadas limite laminar e turbulenta são mostradas no fluxo em desenvolvimento sobre uma placa plana. Os estágios da formação da camada limite são mostrados na figura abaixo:
Camadas de limite pode ser laminar ou turbulento , dependendo do valor do número de Reynolds .
Para números de Reynolds mais baixos , a camada limite é laminar e a velocidade no sentido do fluxo muda uniformemente à medida que se afasta da parede, conforme mostrado no lado esquerdo da figura. À medida que o número de Reynolds aumenta (com x), o fluxo se torna instável e, finalmente, para números mais altos de Reynolds, a camada limite é turbulenta e a velocidade do fluxo é caracterizada por fluxos instáveis (mudando com o tempo) dentro da camada limite.
A transição da camada limite laminar para a turbulenta ocorre quando o número de Reynolds em x excede Re x ~ 500.000 . A transição pode ocorrer mais cedo, mas depende principalmente da rugosidade da superfície . A camada limite turbulenta espessa mais rapidamente do que a camada limite laminar como resultado do aumento da tensão de cisalhamento na superfície do corpo.
Existem duas maneiras de diminuir a resistência ao atrito :
- o primeiro é moldar o corpo em movimento para que o fluxo laminar seja possível
- o segundo método é aumentar o comprimento e diminuir a seção transversal do objeto em movimento, tanto quanto possível.
O coeficiente de atrito da pele , C D, atrito , é definido por
Deve-se notar que o coeficiente de atrito da pele é igual ao fator de atrito de Fanning . O fator de atrito de Fanning, nomeado após John Thomas Fanning, é um número sem dimensão, que é um quarto do fator de atrito de Darcy . Como pode ser visto, existe uma conexão entre as forças de atrito da pele e as perdas na cabeça de atrito .
Veja também: Fator de atrito de Darcy
Para o fluxo laminar em um tubo, o fator de atrito de Fanning (coeficiente de atrito da pele) é uma consequência da lei de Poiseuille que é dada pelas seguintes equações:
Em fluxos turbulentos , no entanto, as coisas são mais difíceis, pois o fator de atrito depende fortemente da rugosidade do tubo . O fator de atrito para o fluxo de fluido pode ser determinado usando um gráfico Moody . Por exemplo:
O componente de atrito da força de arrasto é dado por:
Cálculo do coeficiente de atrito da pele
O fator de atrito para escoamento turbulento depende fortemente da rugosidade relativa. É determinado pela equação de Colebrook ou pode ser determinado usando o gráfico Moody . O gráfico Moody para Re = 575 600 e ε / D = 5 x 10 -4 retorna os seguintes valores:
- o fator de atrito de Darcy é igual a f D = 0,017
- o fator de atrito de Fanning é igual a f F = f D / 4 = 0,00425
Portanto, o coeficiente de atrito da pele é igual a:
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