Análise do comportamento de fluidos não newtonianos

Análise do comportamento de fluídos não newtonianos
Análise do comportamento de fluidos não
newtonianos
Augusto Passoni, Isadora Drovandi, Patrícia
Costa, Ozéias Dias e Renan Santos
Professor: Carlos Suetoshi Miyazawa
Campus Santo André
Resumo
Um fluido é uma substância que se deforma continuamente quando sujeito a ação de uma força. Ele pode ser um
fluido cuja viscosidade é constante - fluidos newtonianos – ou variável – fluidos não newtonianos. Contudo, em
especial aos fluidos não newtonianos do tipo dilatante – no caso, água e maisena em proporção 1:2 - apresentam
propriedades interessantes e de certa complexidade, por exemplo, a resposta às deformações. É, portanto, que
para mensurar tal reação, foram feitos testes de absorção de impacto sobre queda livre utilizando um sistema
composto do fluido juntamente com um sensor frágil o suficiente para ponderarmos os resultados. Nesse caso,
usou-se como sensor um ovo e como recipiente para o fluido não escoar, uma luva de silicone. Durante os testes,
o sistema alcançou uma velocidade máxima de 40km/h e mesmo assim o ovo não quebrou. Basicamente, o
experimento se basta da queda do sistema juntamente com a quebra ou não do ovo. Caso o ovo quebre, a altura
de queda livre foi suficientemente alta, dando ao fluido muita energia para se dissipar . Com isso, provou-se que o
comportamento de elementos de fácil acesso pode ser extremamente interessante.
INTRODUÇÃO
Um fluido é uma substância que se deforma
continuamente quando sujeito à ação de
uma força. Fluidos newtonianos são
aquelas substâncias que seguem as leis de
Newton possuindo uma taxa de deformação
constante em relação a tensão (força por
área) aplicada. Já os fluidos não
newtonianos são aquelas substancias
(liquidas ou gasosas) que desafiam as lei de
Newton e os princípios de nossa lógica mais
elementar. O físico e matemático Isaac
Newton estabeleceu a existência de uma
relação linear entre o esforço aplicado no
fluido e a resposta desse a esta força, um
fluido não newtoniano não tem um valor de
viscosidade definido e constante, por isso
sua surpreendente resposta ante aos
estímulos externos.
OBJETIVO
Este
projeto
visa
compreender
o
interessante e exótico comportamento dos
chamados fluidos não newtonianos, em
especial, do tipo dilatante, como por
exemplo a mistura de amido de milho e
água. Demonstrar experimentalmente as
alterações sofridas pelo material quando
sujeito a tensões ou pressões externas
variadas e fornecer testes alternativos para
melhor compreensão de suas aplicações.
Verificaremos,
principalmente,
o
comportamento
de fluídos
dilatantes
perante tensões superficiais variadas.
METODOLOGIA
Parte A – Preparação do fluido não
newtoniano.
Os materiais necessários para a preparação
do fluido são: Béquer de 500 ml; amido de
milho; béquer com 100 ml de água;
recipiente (vasilha); bastão de vidro.
Usando como base um béquer de 500ml,
separa-se 200ml de maisena e 100ml de
água, junta-se as duas medidas em um
recipiente e mistura-se vagarosamente para
deixar a mistura homogênea.
Parte B – Queda Livre.
A fim de analisar a absorção de impacto,
monta-se um sistema contendo o fluido não
newtoniano, um referencial frágil o
suficiente para graduar a absorção e um
invólucro que seja maleável e resistente.
Neste caso, usou-se: Ovo, fluido não
newtoniano feito na parte A e luva de
silicone grande.
Amarraram-se os dedos da luva para que o
sistema
tivesse
um
formato
mais
homogêneo. Adicionou-se o fluido e o ovo
dentro da luva. A intenção é simular um
colete, pois quando o sistema for liberado
na altura de teste, o ovo deverá cair
juntamente com uma camada de fluido ao
seu redor.
IX Simpósio de Base Experimental das Ciências Naturais da Universidade Federal do ABC - 12 e 13 de agosto de 2011
Análise do comportamento de fluídos não newtonianos
Agora se varia a altura de queda do sistema
a fim de obter a faixa de absorção de
impacto referente a esse fluido. A seguir, na
figura 1, pode-se melhor compreender como
o fluido age quando sujeito a um impacto.
Figura 1:Ilustração do
fluido em equilíbrio e
quando esta sujeito a
uma tensão
superficial(pressão).
A partir dos testes é possível montar um
quadro relacionando a quantidade de
energia cinética que foi absorvida pelo
fluido,
desconsiderando
perdas,
à
velocidade com que o conjunto luva, fluido e
ovo chegam ao chão com a condição do
ovo pós-queda até o momento de sua
quebra. Os dados foram baseados numa
amostra de
aproximadamente
300g,
incluindo o peso do ovo, da luva e do fluido.
Quadro I: Análise dos testes de queda livre.
Altura Energia Mecânica Velocidade Condição
de
Final
final do
do ovo
queda (instantaneamente
projétil
pósantes do impacto)
queda
0,5 m
1,5 J
3,16 11,38
m/s km/h
Não
quebrou
1,5 m
4,5 J
5,48 19,72
m/s km/h
Não
quebrou
2,5 m
7,5 J
7,07 25,46
m/s km/h
Não
quebrou
4,0 m
12,0 J
8,94 32,20
m/s km/h
Não
quebrou
6,5 m
19,5 J
11,4 41,05
Leve
m/s km/h rachadura
6,7 m
20,1 J
11,58 41,67 Quebrou
m/s km/h
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Em princípio, conseguimos estimar uma
taxa de absorção de energia pelo fluido, no
entanto a precisão não é muito boa já que
boa parte dessa energia foi dissipada em
calor, arrasto e, principalmente, som.
Infelizmente não foi possível fazer um
experimento mais concreto, pois o custo e a
disponibilidade de instrumentos não foram
plausíveis. Contudo, a velocidade a qual foi
alcançada na iminência de quebrar o ovo foi
relativamente grande, sendo que 40km/h é
a velocidade aproximada de um carro em
uma via coletora.
Conforme se seguiu o experimento,
notamos a aplicação fundamental dos
conceitos de mecânica clássica e físicoquímica, necessitando-se de cálculos e
teorias
básicas
para
analisar
um
comportamento aparentemente complexo.
Quanto às proporções diferentes, em
volume de maisena e água, selecionamos
das apresentadas na metodologia a de 2
para 1, pois essa se encaixa na condição
necessária para desacelerar o ovo de forma
suficientemente lenta, ao passo que
absorve o impacto. Visto que quanto maior
o tempo do impacto menor será a força
exercida sobre o ovo conservando o
momento linear.
Conclusão
Após os experimentos, percebemos que é
possível fazer um colete de absorção de
impacto razoavelmente bom com um fluido
não
newtoniano
do
tipo
dilatante,
dependendo apenas da pressão exercida
sobre o sistema em questão e da fragilidade
do sensor de impacto. Muito embora seja
composto de elementos simples, que
podem ser encontrados em qualquer
mercado,
apresenta
propriedades
interessantes e notórias.
Referências
[1]www.mdig.com.br/index.php?itemid=1307
[2]www.ifi.unicamp.br/~lunazzi/F530_F590_F69
0_F809_F895/F809/F809_sem1_2007/MarieleK
_Tamashiro_RF.pdf
[3]ciencia.hsw.uol.com.br/armadura-liquida1.htm
AGRADECIMENTOS
Agradecemos a todos do grupo de
laboratório, incluindo discentes, docentes e
aos técnicos.
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