Anadim
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Este documento apresenta uma breve introdução à análise dimensional, começando com exemplos introdutórios e definindo formalmente o conceito de dimensão. Em seguida, discute como a análise dimensional pode ser usada para encontrar formas universais de funções que descrevem fenômenos físicos em termos de variáveis adimensionais.
![11 1.1 – Primeiros exemplos
As dimensões fundamentais são, novamente, M, L, T. Mas nem sempre isso será assim! As
dimensões das diversas variáveis são
ρ = ML−3
,
ν = L2
T−1
,
D = L,
U = LT−1
,
F = MLT−2
.
Temos 5 variáveis, e 3 dimensões fundamentais. Devemos ter 5 − 3 = 2 grupos adimensionais
(na verdade, esse é o teorema dos Π’s!). Vamos escolher 3 variáveis que estarão (potencialmente)
presentes nos 2 grupos. Por simplicidade, escolhemos D, U e ρ. Note que, entre elas, temos
presentes todas as dimensões fundamentais. Faça
Π1 = FDa
U b
ρc
,
Π1 = MLT−2
[L]a
LT−1 b
ML−3 c
,
1 = M1+c
L1+a+b−3c
T−2−b
.
Nas equações acima, note que nós impusemos, sem perda de generalidade, que o expoente
de F é 1: de fato, qualquer potência de Π1 será novamente adimensional, e portanto essa escolha
não tira a generalidade do cálculo de Π1. Note também que nós estabelecemos que uma variável
adimensional tem dimensão 1: Π1 = 1. Temos um sistema de equações em a, b, c:
0 0 1
1 1 −3
0 −1 0
a
b
c
=
−1
−1
2
.
A solução do sistema é a = −2, b = −2, c = −1, donde
Π1 =
F
ρU 2D2
.
Procuramos, da mesma forma, o segundo parâmetro adimensional:
Π2 = νDa
U b
ρc
,
Π2 = L2
T−1
[L]a
LT−1 b
ML−3 c
,
1 = Mc
L2+a+b−3c
T−1−b
,
donde a = −1, b = −1, c = 0, e
Π2 =
ν
UD
.
Nós acabamos de encontrar Π2 = 1/Re, onde Re é o número de Reynolds em mecânica dos
fluidos. Na verdade, tanto faz Π2 ou 1/Π2 (porque qualquer potência de um número adimensional
é, novamente, um número adimensional), e nossa relação em uma roupagem “clássica” é
F
ρU 2D2
= f
UD
ν
.
A função f é desconhecida, e a Análise Dimensional não nos permitirá obtê-la, da mesma ma-
neira que não foi possível encontrar o valor numérico de Π1 no exemplo anterior. Ela precisa ser
encontrada experimentalmente. Mas em vez de irmos para o laboratório e variarmos aleatoria-
mente 5 variáveis (digamos, com 10 valores de cada, produzindo 105 = 100000 de experimentos),
nós agora podemos fazer um número bem menor de experimentos, e variar aleatoriamente ape-
nas 2 parâmetros, Π1 e Π2 (se cada um deles assumir 10 valores, teremos 102 = 100 experimentos:
a economia no esforço experimental é substancial).](https://image.slidesharecdn.com/anadim-170210173457/85/Anadim-11-320.jpg)
![Matemática Aplicada 14
1.3 – Análise dimensional e formas universais de funções de fenôme-
nos físicos
A solução de um problema físico consiste em obter uma variável física a (note que a
agora denota uma variável específica, e não mais uma grandeza) em função de diversas
outras, digamos, a1,. . . ,ak;b1,. . . ,bm. Em geral nós procuramos a função f tal que (Eq.
(1.19) de Barenblatt (1996)):
a = f (a1,. . . ,ak;b1,. . . ,bm).
As k variáveis ou a1,. . . ,ak possuem entre si as k dimensões fundamentais da classe de
sistemas de unidades na qual o fenômeno em questão é descrito. As variáveis restantes
possuem dimensões dependentes, de tal forma que
b1 = a1
p1
. . . ak
r1
,
...
bm = a1
pm
. . . ak
rm
.
Teorema 1.2 Teorema dos Π’s:
f (a1,. . . ,ak;b1,. . . ,bm) = a
p
1 . . . ar
kΦ
b1
a
p1
1 . . . ar1
k
,. . . ,
bm
a
pm
1 . . . arm
k
.
Em suma:
O Teorema dos Π’s simplesmente afirma que as leis da Física não dependem
do particular sistema de unidades utilizado.
Suponha agora que você queira analisar algum tipo de força F em um escoamento
de um fluido com densidade (massa específica) ρ, viscosidade cinemática ν, velocidade
U , comprimento D. Suponha também que o escoamento se dê, parcialmente ou não,
sob a ação da gravidade, de maneira que você precisa também incluir a aceleração da
gravidade д na sua lista. Em uma classe de sistemas MLT, a matriz dimensional será
D U ρ F ν д
M 0 0 1 1 0 0
L 1 1 −3 1 2 1
T 0 −1 0 −2 −1 −2
Note que, essencialmente, nós simplesmente adicionamos д à lista de variáveis que
já existia no Exemplo 2. Portanto, nós já temos os parâmetros adimensionais Π1 e Π2
daquele exemplo. Falta obter Π3, apenas:
Π3 = дDa
Ub
ρc
Π3 = LT−2
[L]a
LT−1 b
ML−3 c
1 = Mc
L1+a+b−3c
T−2−b](https://image.slidesharecdn.com/anadim-170210173457/85/Anadim-14-320.jpg)
Anadim
- 1. Uma breve introdução à Análise Dimensional Nelson Luís Dias Departamento de Engenharia Ambiental e Lemma — Laboratório de Estudos em Monitoramento e Modelagem Ambiental Universidade Federal do Paraná 13 de fevereiro de 2014
- 2. Sumário 2 ©2014 Nelson Luís da Costa Dias. Todos os direitos deste documento estão reservados. Este documento não está em domínio público. Cópias para uso acadêmico podem ser fei- tas e usadas livremente, e podem ser obtidas em http://www.lemma.ufpr.br/wiki/ index.php/Prof._Nelson_Luís_Dias – Recursos de Internet. Este documento é distribuído sem nenhuma garantia, de qualquer espécie, contra eventuais erros aqui con- tidos.
- 3. Sumário 1 Uma breve introdução à análise dimensional 9 1.1 Primeiros exemplos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.2 Definição formal de Dimensão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.3 Análise dimensional e formas universais de funções de fenômenos físicos 14 3
- 4. Sumário 4
- 5. Lista de Figuras 1.1 Análise dimensional do período de um pêndulo. . . . . . . . . . . . . . . 10 5
- 6. Sumário 6
- 7. Prefácio Este texto é parte de um projeto maior, em preparação, que ambiciona cobrir o conteúdo de duas disciplinas que o autor leciona na graduação da UFPR. Não seria justo fazer meus alunos esperarem demais pelas partes que já estão razoavelmente prontas. O leitor, ou a leitora, deve entretanto cuidar para o fato de que se trata de um excerto de um projeto maior, e que consequentemente pode haver falhas. Note, leitor ou leitora, que se trata de uma introdução, e que não há nenhuma ambição de completude da parte do autor; mesmo assim...Divirta-se! 7
- 8. Sumário 8
- 9. 1 Uma breve introdução à análise dimensional Em cursos de engenharia, matemática e física (entre outros), é frequente encontrar afir- mações do tipo: “a dimensão de trabalho é ML2T−2”, mas a definição do que sejam “di- mensões” é raramente, ou nunca, encontrada. O nome que se dá ao estudo das dimen- sões físicas das variáveis de um problema, e dos parâmetros que o governam, é análise dimensional. A análise dimensional tem um impacto profundo em todos os problemas de engenharia. Este capítulo apresenta uma breve introdução informal ao assunto. As idéias aqui apresentadas são uma adaptação da introdução à análise dimensional de (Ba- renblatt, 1996). 1.1 – Primeiros exemplos Exemplo 1.1 O período de um pêndulo mostrado na figura 1.1 é T. O comprimento da corda é L. A massa do pêndulo é m. A aceleração da gravidade é д. As dimensões fundamentais deste problema são M (massa), L (comprimento), e T (tempo), porque todas as variáveis do problema possuem dimensões que podem ser expressas como pro- dutos de potências dessas três. Conforme veremos a seguir, esse fato na verdade é um teorema, mas por ora é razoável aceitá-lo, como o fazem a maioria dos livros de física ou de engenharia. A única variável da lista acima que envolve M é m. O fato de que m é a única variável com dimen- são M nos faz desconfiar de que m não pode fazer parte da “lista” de variáveis que intervêm no cálculo de T. Por quê? Porque, conforme também veremos, todas as equações da Física devem envolver apenas grupos de variáveis adimensionais. Por enquanto, acredite, e continue. Com T, L e д, temos: T = T, L = L, д = LT−2 . Na lista acima, o símbolo · significa “dimensão de”. Confirme a afirmação feita acima: todas as 3 variáveis têm dimensões expressas como produtos de potências de L e T. 9
- 10. Matemática Aplicada 10 Θ0 v mg θ L Figura 1.1: Análise dimensional do período de um pêndulo. Com a última “equação dimensional” acima, podemos construir uma variável adimensional facilmente: д = c2 LT −2 T2 = c2 L д T = c L д A variável adimensional acima é c. Se nós a chamarmos de Π1, Π1 = T L д . Uma solução analítica (aproximada) do problema do pêndulo pode ser obtida, e nos leva ao valor numérico Π1 = 2π, onde π = 3,141592 . . .. A análise dimensional não permite a obtenção do valor numérico de Π1. Ele poderia ser obtido, entretanto, experimentalmente, realizando-se diversas medidas de L e T; cada uma delas produziria, por exemplo, um valor experimental para Π1. A média desses valores seria uma boa estimativa do valor de π1. Exemplo 1.2 Suponha um escoamento de um fluido com massa específica ρ e viscosidade cine- mática ν em torno de um cilindro com diâmetro D, com velocidade U . Suponha que a força do escoamento sobre o cilindro seja F. O que a análise dimensional pode nos dizer?
- 11. 11 1.1 – Primeiros exemplos As dimensões fundamentais são, novamente, M, L, T. Mas nem sempre isso será assim! As dimensões das diversas variáveis são ρ = ML−3 , ν = L2 T−1 , D = L, U = LT−1 , F = MLT−2 . Temos 5 variáveis, e 3 dimensões fundamentais. Devemos ter 5 − 3 = 2 grupos adimensionais (na verdade, esse é o teorema dos Π’s!). Vamos escolher 3 variáveis que estarão (potencialmente) presentes nos 2 grupos. Por simplicidade, escolhemos D, U e ρ. Note que, entre elas, temos presentes todas as dimensões fundamentais. Faça Π1 = FDa U b ρc , Π1 = MLT−2 [L]a LT−1 b ML−3 c , 1 = M1+c L1+a+b−3c T−2−b . Nas equações acima, note que nós impusemos, sem perda de generalidade, que o expoente de F é 1: de fato, qualquer potência de Π1 será novamente adimensional, e portanto essa escolha não tira a generalidade do cálculo de Π1. Note também que nós estabelecemos que uma variável adimensional tem dimensão 1: Π1 = 1. Temos um sistema de equações em a, b, c: 0 0 1 1 1 −3 0 −1 0 a b c = −1 −1 2 . A solução do sistema é a = −2, b = −2, c = −1, donde Π1 = F ρU 2D2 . Procuramos, da mesma forma, o segundo parâmetro adimensional: Π2 = νDa U b ρc , Π2 = L2 T−1 [L]a LT−1 b ML−3 c , 1 = Mc L2+a+b−3c T−1−b , donde a = −1, b = −1, c = 0, e Π2 = ν UD . Nós acabamos de encontrar Π2 = 1/Re, onde Re é o número de Reynolds em mecânica dos fluidos. Na verdade, tanto faz Π2 ou 1/Π2 (porque qualquer potência de um número adimensional é, novamente, um número adimensional), e nossa relação em uma roupagem “clássica” é F ρU 2D2 = f UD ν . A função f é desconhecida, e a Análise Dimensional não nos permitirá obtê-la, da mesma ma- neira que não foi possível encontrar o valor numérico de Π1 no exemplo anterior. Ela precisa ser encontrada experimentalmente. Mas em vez de irmos para o laboratório e variarmos aleatoria- mente 5 variáveis (digamos, com 10 valores de cada, produzindo 105 = 100000 de experimentos), nós agora podemos fazer um número bem menor de experimentos, e variar aleatoriamente ape- nas 2 parâmetros, Π1 e Π2 (se cada um deles assumir 10 valores, teremos 102 = 100 experimentos: a economia no esforço experimental é substancial).
- 12. Matemática Aplicada 12 1.2 – Definição formal de Dimensão Um sistema de unidades é formado por um conjunto de padrões para as suas gran- dezas fundamentais, em termos das quais todas as demais grandezas do sistema podem ser escritas. Dado o conjunto de grandezas fundamentais, isso define a classe do sistema. Por exemplo, o sistema internacional de unidades (SI) é um sistema de classe MLT (se circunscrito a grandezas mecânicas). As grandezas fundamentais do sistema são massa, comprimento e tempo. Os padrões (unidades) são, respectivamente, o quilograma (kg), o metro (m), e o segundo (s), donde o nome, também utilizado, MKS. Dois exemplos de grandezas derivadas no SI são a velocidade (com unidades m s−1), e a força (com unidades kg m s−2). Outros sistemas de mesma classe são possíveis. Dois exemplos são o sistema CGS (centímetro – grama – segundo), que é métrico, e o sistema MLT britânico (pé – libra-massa – segundo). O conjunto de grandezas fundamentais é razoavelmente arbitrário: é necessário ape- nas que todas as demais grandezas sejam exprimíveis em função das grandezas funda- mentais escolhidas; cada escolha de grandezas fundamentais definirá uma nova classe. Por exemplo, em mecânica o sistema técnico métrico kilograma-força – metro – segundo tem como grandezas fundamentais a força, o comprimento e o tempo, sendo um sistema de classe FLT. Da mesma maneira, o sistema britânico libra-força – pé – segundo também é um sistema de classe FLT. Até agora, nós fomos cuidadosos em não utilizar a palavra dimensão. Com a in- trodução acima, nós estamos em condições de dar uma definição formal de dimensão. Considere portanto dois sistemas de unidades de mesma classe. Por exemplo, considere dois sistemas MLT, tais como o CGS e o MKS. Definição — O fator numérico pelo qual uma grandeza muda quando passa de um sis- tema de unidades para outro de mesma classe é a sua dimensão. Por exemplo, considere uma passagem CGS → MKS. Os fatores numéricos para massa, comprimento e tempo são: M = 0,001; L = 0,01; e T = 1. Definição — As dimensões das unidades fundamentais que definem a classe do sistema são as dimensões fundamentais dessa classe. No caso acima, as unidades fundamentais são massa, comprimento e tempo. As di- mensões fundamentais da classe são M, L, e T. Considere o seguinte princípio: todos os sistemas de uma determinada classe são equivalentes. Por exemplo, para a classe de sistemas MLT, as dimensões de todas as grandezas físicas devem ser expressas apenas em função dessas dimensões fundamentais: se a é uma grandeza qualquer do sistema de unidades, devemos ter a = ϕ(M,L,T) onde · significa “dimensão de”, eϕ é a função dimensional da grandeza a. A consequên- cia do princípio de equivalência dos sistemas de unidade de uma determinada classe é o
- 13. 13 1.2 – Definição formal de Dimensão Teorema 1.1 A função dimensional ϕ é sempre uma função potência nas dimensões fundamentais: ϕ = Mα Lβ Tγ Fica claro que nós estamos sempre nos referindo a relações entre sistemas: não há um sistema absoluto de unidades. A ênfase será sempre nas transformações sofridas por um dado objeto matemático quando ele é escrito, ou referenciado, em diferentes siste- mas. Essa é a mesma idéia que vai motivar nossas operações com vetores e tensores em espaços vetoriais. Ainda falta uma coisa: uma grandeza física é um termo genérico: força, carga elétrica, pressão, velocidade, são grandezas. Nos problemas do mundo real, entretanto, existem variáveis: “a força do escoamento sobre um cilindro”, “a carga elétrica armazenada em uma bateria”, “a velocidade média do rio em uma seção transversal”, “a pressão do esco- amento em um ponto do espaço e um instante do tempo”, etc., são variáveis que entram em problemas específicos. Portanto, necessitamos de: Definição — Variáveis são instâncias específicas de grandezas físicas. A dimensão de uma variável é a mesma dimensão da sua grandeza física. Em particular, variáveis podem ser adimensionais: Definição — Variáveis cujos valores numéricos não mudam quando passam de um sis- tema de unidades para outro de mesma classe são denominadas variáveis adimensionais. Exemplo 1.3 O grupo Π1 = T L/д é uma variável adimensional. Se д = LT−2 , na passagem de um sistema MLT com valores T , L , д para outro com valores T = T T, L = L L, д = д LT2 teremos Π1 = T L/д = T T L L/(д LT−2) = T T T L /(д ) = T L /д = Π1. Portanto, Π1 = Π1, e Π1 é uma grandeza adimensional
- 14. Matemática Aplicada 14 1.3 – Análise dimensional e formas universais de funções de fenôme- nos físicos A solução de um problema físico consiste em obter uma variável física a (note que a agora denota uma variável específica, e não mais uma grandeza) em função de diversas outras, digamos, a1,. . . ,ak;b1,. . . ,bm. Em geral nós procuramos a função f tal que (Eq. (1.19) de Barenblatt (1996)): a = f (a1,. . . ,ak;b1,. . . ,bm). As k variáveis ou a1,. . . ,ak possuem entre si as k dimensões fundamentais da classe de sistemas de unidades na qual o fenômeno em questão é descrito. As variáveis restantes possuem dimensões dependentes, de tal forma que b1 = a1 p1 . . . ak r1 , ... bm = a1 pm . . . ak rm . Teorema 1.2 Teorema dos Π’s: f (a1,. . . ,ak;b1,. . . ,bm) = a p 1 . . . ar kΦ b1 a p1 1 . . . ar1 k ,. . . , bm a pm 1 . . . arm k . Em suma: O Teorema dos Π’s simplesmente afirma que as leis da Física não dependem do particular sistema de unidades utilizado. Suponha agora que você queira analisar algum tipo de força F em um escoamento de um fluido com densidade (massa específica) ρ, viscosidade cinemática ν, velocidade U , comprimento D. Suponha também que o escoamento se dê, parcialmente ou não, sob a ação da gravidade, de maneira que você precisa também incluir a aceleração da gravidade д na sua lista. Em uma classe de sistemas MLT, a matriz dimensional será D U ρ F ν д M 0 0 1 1 0 0 L 1 1 −3 1 2 1 T 0 −1 0 −2 −1 −2 Note que, essencialmente, nós simplesmente adicionamos д à lista de variáveis que já existia no Exemplo 2. Portanto, nós já temos os parâmetros adimensionais Π1 e Π2 daquele exemplo. Falta obter Π3, apenas: Π3 = дDa Ub ρc Π3 = LT−2 [L]a LT−1 b ML−3 c 1 = Mc L1+a+b−3c T−2−b
- 15. 15 1.3 – Análise dimensional e formas universais de funções de fenômenos físicos Donde a = 1, b = −2, c = 0, e Π3 = дD U 2 Em mecânica dos fluidos o parâmetro adimensional usual é 1/ √ Π3, denominado nú- mero de Froude: Fr = U дD . O que o teorema dos Π’s agora nos permite escrever é F ρU 2D2 = ϕ UD ν , U дD . Se o problema em questão for complicado demais para ser resolvido analitica ou nu- mericamente, uma forma muito comum de ataque é a construção de um modelo reduzido físico. No modelo, mede-se tudo, ou seja: Fm,ρm,Um,Dm,νm,д. Enquanto isso, no protótipo nós devemos ter uma lista análoga, Fp,ρp,Up,Dp,νp,д. Agora, se nós desejarmos utilizar o mesmo fuido no modelo e no protótipo (exemplo: modelos reduzidos hidráulicos, utilizando água), devemos reescrever essas listas: Fm,ρ,Um,Dm,ν,д. e Fp,ρ,Up,Dp,ν,д. Nossa condição de similaridade para a construção do modelo agora é óbvia: UmDm ν = UpDp ν , U 2 m дDm = U 2 p дDp . Do ponto de vista de um projetista, nós conhecemosUp e Dp. Queremos portanto calcular quem devem ser Um e Dm no modelo que vamos construir, de tal forma que possamos medir Fm e, dessa forma, obter Fp. Como há duas equações acima, em princípio deveria ser possível obter Um e Dm. Tentemos: Um = Up Dp Dm , U 2 p D2 p D2 m 1 Dm = U 2 p Dp , D3 m = D3 p, Dm = Dp ⇒ Um = Up. Portanto: o único “modelo” possível é do mesmo tamanho que o protótipo, o que é uma impossibilidade prática. Os engenheiros hidráulicos que trabalham com modelos
- 16. Matemática Aplicada 16 reduzidos costumam se referir a este fato dizendo que é impossível obter “similaridade perfeita”. De fato, é impossível construir um modelo realmente reduzido (ou seja: em uma escala menor) com o mesmo fluido (por exemplo água) que o protótipo, e que atenda ao mesmo tempo à igualdade dos parâmetros adimensionais “Número de Reynolds” e “Número de Froude”. Com isso, chegamos ao fim de nosso primeiro capítulo.
- 17. Referências Bibliográficas Barenblatt, G. I. (1996). Scaling, self-similarity and intermediate asymptotics. Cambridge University Press. 17