autor 1 &autor 2 (2013)

Construo e otimizao de um dispositivo de baixo custo destinado ao estudo dos escoamentos dos fluidosMOREIRA, A. F. (IC) ; BARROSO, W. R. A. (IC)2 ; SILVA, D. L. (IC)3 ; ALMEIDA, F. E. F. (PQ)4Instituto Federal de Educao, Cincia e Tecnologia da Paraba (IFPB) - Campus Joo Pessoa -,2Instituto Federal de Educao, Cincia e Tecnologia da Paraba (IFPB) - Campus Joo Pessoa; 3Instituto Federal de Educao, Cincia e Tecnologia da Paraba (IFPB) - Campus Joo Pessoa -,4 Instituto Federal de Educao, Cincia e Tecnologia da Paraba (IFPB) - Campus Joo Pessoa e-mail: alexfmgt@hotmail.com

(IC) Iniciao Cientfica (TC) Tcnico em Qumica

(PQ) Pesquisador

RESUMO O ensino experimental alvo de grande dificuldade visto que os equipamentos dos laboratrios demandam muitas vezes, um custo elevado o que torna invivel a prtica experimental dentro do ensino. Dentro dessa perspectiva este trabalho foi desenvolvido tendo como principal objetivo de ser utilizado para fins didticos nas aulas de mecnica dos fluidos facilitando o aprendizado e dinamizando as aulas. Consiste na montagem de um dispositivo semelhante ao de Osborne Reynolds para medir o numero de Reynolds e deste modo diferenciar o tipo de escoamento de um fluido, podendo este ser do tipo laminar, transio ou turbulento. Na construo do dispositivo foram utilizados materiais de baixo custo e de fcil aquisio obtendo resultados satisfatrios e dentro das expectativas.PALAVRAS-CHAVE: Fluidos, Baixo custo, Nmero de Reynolds.

CONSTRUCTION AND OPTIMIZATION OF A LOW COST DEVICE FOR THE STUDY OF FLOW OF FLUIDS ABSTRACT Experimental teaching is of great difficulty since the equipment of laboratories often require a high cost which makes it unfeasible experimental practice within the school. Within this perspective, this work was developed with the primary purpose to be used for educational purposes in the fluid mechanics classes facilitating learning and stimulating lessons. It consists in assembling a device similar to Osborne Reynolds to measure the Reynolds number and to distinguish the type of flow of a fluid, which may be of the type laminar, transition, or turbulent type. In constructing the device inexpensive and easy to purchase materials and obtaining satisfactory results within expectations were used.KEY-WORDS: Fluids, Low cost , Reynolds Number.

Construo e otimizao de um dispositivo de baixo custo destinado ao estudo dos escoamentos dos fluidos.1. INTRODUOUma das grandes dificuldades presentes na educao interligar o conhecimento ensinado nas aulas e associ-lo prtica, gerando assim muitas vezes apatia do aluno com o assunto abordado. Contudo, tal prtica nem sempre to simples visto que h uma necessidade de materiais e equipamentos de custos elevados, inviabilizando a experincia. Diante de tal problema, uma alternativa til a utilizao de materiais de baixo custo na construo de dispositivos para a realizao das prticas com o propsito de melhorar o aprendizado.

Giani (2010), afirma que o professor deve estar bem preparado e motivado para o desenvolvimento de atividades experimentais, para poder explorar as potencialidades da experimentao e desenvolver aulas experimentais com mais frequncia e com melhores resultados. Schutz (2009, p. 10), afirma ainda, que: A experimentao um recurso capaz de assegurar uma transmisso eficaz dos conhecimentos escolares, porm a falta de preparo dos professores faz com que essa no seja uma prtica constante nas escolas e o ensino de cincias acaba se tornando algo distante da realidade e do cotidiano do aluno. Esquece-se que estes contedos esto presentes na vida dos alunos a todo o momento e que sempre se pode experimentar e avaliar at que ponto foram utilizados esquemas vlidos para a construo dos conceitos (SCHUTZ, 2009). O estudo dos escoamentos dos fluidos de extrema importncia, estando sempre no nosso cotidiano como, por exemplo: as tubulaes de gua na nossa casa, o oleoduto que transporta leo cru por quase 1290 km atravs do Alasca e at sistemas mais complexos como os tubos que transportam sangue no nosso corpo (artrias e veias). Alm do mais, o estudo dos escoamentos dos fluidos til na otimizao do funcionamento de equipamentos como mquinas, aeronaves, geradores de energias etc. Contudo h uma complexidade em visualizar os tipos de escoamentos de fluidos que existem (MUNSON,2004).Segundo Munson (2004), ao estudar os fluidos notamos que h dois tipos de escoamentos, o laminar e o turbulento. Osborne Reynolds foi o primeiro a distinguir a diferena entre estes dois tipos de escoamento, construindo um dispositivo capaz de visualizar o tipo de escoamento de acordo com a velocidade mdia do fluido.

Diante de tais problemas e perspectivas construiu-se um equipamento semelhante ao de Reynolds com materiais de baixo custo, capaz de mostrar o tipo de escoamento do fluido para aplicao nas aulas de mecnica dos fluidos facilitando o aprendizado e dinamizando as aulas.1.2. NMERO DE REYNOLDSOsborne Reynolds fez seu experimento utilizando um aparato simples mostrado na Figura 1. Admita que a gua escoa num tubo , que apresenta dum dimetro D, com uma velocidade mdia V. Podemos observar algumas caractersticas se injetarmos um lquido colorido que apresenta massa especfica igual a da gua no escoamento(MUNSON,2004).

Figura 1- Experimento utilizado para caracterizar o escoamento em tubos.

Fonte: modificado de Munson et al.,2004.

Quando a vazo suficientemente pequena, o trao colorido permanece como uma linha bem definida ao longo do duto e apresenta somente alguns leves borres provocados pela difuso molecular do corante na gua. Se a vazo apresenta um valor intermedirio, o trao de corante flutua no tempo e no espao e apresenta quebras intermedirias. Agora, se a vazo suficientemente grande, o trao de corante quase que imediatamente apresenta-se borrado e espalha-se ao longo de todo o tubo de forma aleatria. A Figura 2 ilustra estas caractersticas e os escoamentos correspondentes so denominados escoamento laminar, de transio e turbulento. (MUNSON,2004).

Figura 2- Filetes de tintas tpicos.Fonte: modificado de Munson et al.,2004.Como no adequado caracterizar quantidades dimensionais como pequenas ou grandes Reynolds precisou ento, relacionar essas grandezas com uma grandeza de referncia, e quando se faz isso se gera grandezas adimensionais. O parmetro mais importante nos escoamentos em condutos o nmero de Reynolds, Re - a razo entre os efeitos de inrcia e os viscosos no escoamento. Assim o termo vazo, agora deve ser substitudo pelo nmero de Reynolds mostrado na Equao 1. (MUNSON,2004).

equao (1)Em que V a velocidade mdia do escoamento no tubo, a massa especfica do fluido, a viscosidade do fluido que uma propriedade fsica que caracteriza a resistncia de um fluido ao escoamento a uma dada temperatura e D que o dimetro do tubo. Assim podemos determinar se o escoamento laminar, de transio ou turbulento de acordo com o nmero de Reynolds, que pode ser pequeno suficiente, intermedirio ou grande suficiente. (MUNSON,2004).Portanto, por definio um escoamento laminar se o Re for menor do que aproximadamente 2100 e o escoamento turbulento se for maior do que aproximadamente 4000. Para nmero de Reynolds entre esses limites o escoamento apresenta caractersticas de transio de um estado pra outro (escoamento transitrio). (MUNSON,2004).Diante de tal dispositivo criado por Reynolds, pensamos num dispositivo semelhante, porm construdo com materiais de baixo custo e aproveitando vidrarias do laboratrio de qumica do IFPB Campus Joo Pessoa. 2. MATERIAIS E METODOS

Os materiais usados na construo do dispositivo esto listados na Tabela 1.Na execuo da experincia, foi montado um diagrama esquemtico do dispositivo como mostrado na Figura 3, em seguida utilizando-se dos materiais apresentados na Tabela 1 o dispositivo foi desenvolvido como mostra a Figura 4.Tabela 1 Materiais utilizados.

ItemQuantidadeEspecificaoNumerao na Figura 3

11Caixa de Isopor 30L4

21Funil de bromo2

31Mangueira 11

41Termmetro Digital -

51Boia de Caixa de Descarga8

61Corante Alimentcio -

71Proveta5

81Suporte Universal10

91Cronmetro -

101Garra1

111Pipeta3

122Torneira6 e 7

131Vidro9

Figura 3- Esquema de montagem do dispositivo de medio

Figura 4- Dispositivo de medio do Numero de Reynolds montado.

Para fazer o experimento, o nvel de gua do reservatrio de distribuio deve ser mantido constante, e isto feito com uma boia para caixa de descarga. Com o nvel de gua do reservatrio constante, ao abrir ou fechar a torneira de escape do fluido, a velocidade mdia do escoamento ter uma variao, e atravs do funil de bromo liberamos o lquido colorido que facilitar a visualizao dos tipos de escoamentos.

Depois estabeleceu-se o escoamento do fluido no duto, abrindo a vlvula reguladora na sada at conseguirmos visualizar um filete de tinta estvel no centro da proveta. Em seguida efetuou-se a leitura do volume do fluido escoado na proveta e o tempo para encher tal volume para calcular a vazo.

Gradativamente aumentou-se a vazo at que o escoamento fosse visualizado como se todo filete de tinta ocupasse desordenadamente o interior do tubo, fazendo o mesmo procedimento citado anteriormente. Repetiu-se o experimento para mais 5 valores de vazo diferentes no escoamento.3. RESULTADOS E DISCURSES

Inicialmente determinamos a vazo do escoamento, para esse clculo usamos a Equao 2, em que V o volume de liquido recolhido na proveta, e t o tempo gasto para recolher este volume de liquido.

equao (2)Atravs da vazo Q e pela Equao 3, encontramos a velocidade mdia do escoamento na seo transversal da proveta com dimetro D= 10mm.

equao (3)

Temos que a rea em m pode ser dada pela Equao 4

equao (4)Com a velocidade mdia do escoamento na seo transversal da proveta e sua viscosidade cinemtica igual aproximadamente a 1,01x10-6 m2/s (realizado com gua a 20C), calculou-se o nmero de Reynolds usando a Equao 1.Os Resultados obtidos esto na Tabela 2.

Tabela 2- Resultados obtidos.N*Volume(m)T(s)Q(m/s)A(m)V(m/s)ReCalculadoObservado

1100 x 10-625,053,99 x 10-678,54 x 10-650,80 x 10-3502,9LaminarLaminar

2100 x 10-619,875,03 x 10-678,54 x 10-664,04 x 10-3634LaminarLaminar

3100 x 10-612,238,18 x 10-678,54 x 10-6104,15 x 10-31031,2LaminarLaminar

4100 x 10-610,629,42 x 10-678,54 x 10-6119,94 x 10-31187,5LaminarTransitrio

5100 x 10-6520 x 10-678,54 x 10-6254.65 x 10-32521,3TransitrioTurbulento

6100 x 10-62,8734,84 x 10-678,54 x 10-6443,63 x 10-34392,4TurbulentoTurbulento

N = Nmero de medies.

Os valores obtidos atravs da frmula do nmero de Reynolds no coincidiram totalmente com as observaes feitas, podendo ser explicado pela discrepncia dos caminhos que o fluido percorre, passando pela proveta, vlvula reguladora de sada e pela mangueira que o fluido percorre para a pia. 4. CONCLUSO

A reproduo do experimento mostrou os escoamentos dos fluidos de forma similar ao de Osborne Reynolds, podendo ser aplicado em laboratrio nas aulas de mecnica dos fluidos. O dispositivo ser importante nos estudos da disciplina, facilitando a compreenso do aluno e complementando seu aprendizado. Obtemos resultados dentro da perspectiva apesar de alguns valores do nmero de Reynolds diferenciarem do observado na prtica, porm isso pode ser melhorado aprimorando o dispositivo, fazendo com que exista menos turbulncia no caminho percorrido pelo fluido.

Provamos tambm que podemos recorrer a materiais de baixo custo e de preciso razovel para fins didticos, j que alguns equipamentos so caros dificultando o acesso s prticas laboratoriais na maioria das vezes.REFERNCIASMUNSON, Bruce R. ; YOUNG, Donald F. ; OKIISHI, Theodore H. Fundamentos da Mecnica dos Fluidos: traduo da quarta edio americana: Euryale de Jejus Zerbini. So Paulo: Edgard Blucher,2004.GIANI, K. A Experimentao no Ensino de Cincias: Possibilidades e Limites na Busca de uma Aprendizagem significativa. 2010. 33 f. Proposta de ao profissional resultante da Dissertao (Mestrado em Ensino de Cincias) - Programa de Ps-Graduao em Ensino de Cincias, Universidade de Braslia, Braslia. 2010.

SCHUTZ, D. A Experimentao como Forma de Conhecimento da Realidade. 2009. 41 f. Trabalho de concluso de curso (Graduao em Qumica Licenciatura) Instituto de Qumica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre. 2009.Tecnologia & Desenvolvimento Sustentvel, Ano 07, Vol 12

IX Congresso Norte Nordeste de Pesquisa e Inovao, 20141

autor 1 &autor 2 (2013)

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