«Manómetros
*Forca Hidrostática em Superfícies Submersas
eFlutuacäo
iS) |
E
<
=
nN
O
[3
A
E
Prof. Henrique Mariano
<
E
nN
O
[3
A
jan
Prof. Henrique Mariano
\
<
=
=
<
22
UN
O
2
=
en
NOUS Oo x aix
Lae
YF,=0 \
LE = p,8x82- p,dxössin® en
EF. = p28 y—p.8x8.sc0s0 y 2 =p ey,
P,- P, = Pa,
y
SIMPLIFICANDO essas expressöes, tem-se
bz
2)
P.=p,=(pa.+Y)
Prof. Henrique
6x7 0;8y 3 0;5z 30
Prof. Henrique
CA
2
E
<
E
nN
O
[3
A
E
PRESSAO EM UM PONTO
Ver-se-á agora como varia a pressáo, ponto-a-ponto, numa quantidade de fluido
que nao apresenta tensôes de cisalhamento.
Seja o elemento de fluido em repouso mostrado na figura ao lado, onde atua
forcas superficiais, devido a pressáo, e forgas de campo como o peso W do
elemento.
As arestas do cubo elementar sao respectivamente 5x;5y;5z nas diregöes x, y,
z. A forca resultante na diregáo y é dada por:
Ylsssz (AA
> po: CE à pss
=> 5F, _ erases
dy
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PRESSAO EM UM PONTO
Similarmente tem-se
A
2
iS)
E
<
E
nN
O
[3
A
E
Prof. Henrique Mariano
PRESSAO EM UM PONTO
Como a força superficial é um campo vetorial, a força
2
iS)
E
<
E
nN
O
[3
A
E
resultante é:
öF,=öFi+öFj+öFr,k
op. op. op
oF =-| —i+—j+—k xd yd
. Eo did
e) d g
O operador = i+ aya az 37K ) éum
operador vetorial chamado eradiénte ec
representado pelo símbolo V (nabla) ou pela
abreviatura grad. Assim tem-se:
SF, =-—Vpô x6 yo z
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CA
2
E
<
E
nN
O
[3
A
E
PRESSAO EM UM PONTO
SF, =-Vp6 xd yd z
ou ainda Ô F,
SxS ySz
Considerando que o peso do elemento de fluido é
dado por: -S Wk = —Y (8x5 yöz)k
onde o sinal negativo (-) indica que a forga aponta
para baixo, no sentido conträrio ao do eixo z.
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PRESSAO EM UM PONTO
Aplicando-se a 2* lei de Newton no elemento de fluido
mostrado anteriormente, tem-se:
Y SF=5ma> ) SF = 5F, -5Wk =5ma
> —V pô xd yb z-y.6 x6 yd zk = as
— que € a equaçäo geral do movimento para o caso de
fluidos que nao apresentam tensöes de cisalhamento.
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PRESSAO EM UM PONTO
Em um fluido em repouso, temos que a
aceleraçäo € nula, isto €, a=0. Entáo a equagäo do
movimento se transforma em:
-Vp- yk= 0
Op _ 9p
Pela lei de Pascal, tem-se que 5, ~ + =0,5
que levando à equaçäo acima tem-se:
dp
dz
CA
2
un
E
<
E
nN
O
[3
A
E
=
Prof. Henrique Mariano
PRESSAO EM UM PONTO
dp
dz
Esta equagäo indica que o gradiente de pressáo na
direçäo vertical é negativo, ou seja, a pressáo
diminui quando o pontoé considerado mais acima,
num fluido em repouso. Esta equaçäo é válida
qualquer que seja a expressáo para Y.
CA
~Y
2
E
<
E
nN
O
[3
A
E
Prof. Henrique Mariano
FE Pam = Po
ue Mariano
Prof. Henrique Mariano
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p=Yh+ py
Prof. Henrique Mariano
p=yh+ py
PP YA =Pe =} #Y >
Pa = Pam +7 yg da Y 4d,
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Pa = Pam +Y yg Y ¿4
Pa 7 Yardh Y 44,
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Prof. Henrique Mariano
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p=PRT -.y=pg
dp _
dz A
dp _ pg _,dP _ gd
da RT p RT
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Pi a
In L2 =-£
P, =~ py a)
E
RT,
P2= p, exo |-
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(E:
T =T,+ cz “.c =constante
Mh) Hek\ gf& ._ „IT
("Herr are ar
El
Prof. Henrique Mariano
Prof. Henrique Mariano
2
iS)
E
<
E
nN
O
[3
A
E
PRESSAO EM UM PONTO
Exemplo:
Soluçäo: Vamos usar a expressáo, = |
isto é,
Pi = Po+Yz-.d =
im | Li Bs
Y gasolina =0,68y
agua
=0,68>y
gasolina
agua
Pi = Patm HOY agua = Pam + 0,68*9800*5 = Dag, +33320Pa
onde p, é a pressáo na interface gasolina-água. Se
considerar Pin a pressáo p, € dita préssäo absoluta, se Pain,
= 0 a pressäo € dita relativa. A pressáo p2 no fundo do
tanque será entáo igual a pressáo da interface gasolina-
água acrescida da carga devido a altura da água, assim:
Po = Pi PY asalto = 33320+9800*1=43120Pa
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27
p=yh+ py
Dr _, Y(h-h) f 12,01(381-0)
P DP, 1,013x10*
Prof. Henrique Mariano
0,955
9,8
7286, a -0)|
=e" = 0,956
Prof. Henrique
ATMOSFERA PADRAO
ATMOSFERA PADRAO
d,
— PSA P__
RT p
=
2
| e integrando
=>
E
<
E
nN
O
[3
A
E
ATMOSFERA PADRAO
Levando esses
dp g dz
\ x 123
dados á equacäo dp = dz > —=
AERO e? ar p RT
obtém-se: 8
Ai
p= Po 1 1 atm = 101,33 kPa
1, = 14,696 psi
=29,92 in Hg
= 33,94 ft H,O
onde p, é a pressáo absoluta em z=0, e R =
286,9 J/kg.K.
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ATMOSFERA PADRAO
MEDICOES DE PRESSAO
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MEDICOES DE PRESSAO
4 kN
Pavan t= En 79,5
m
m“
P = Po agua ch = 472kPa(abs)
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MANOMETRIA
CA
Jump across
in fluid 2
ue Mariano
MANOMETRIA
MANOMETRIA
MANOMETRIA
Tubos Inclinados
o Se Ya ey, forem gases e Ya
o fluido manométrico, for o
mercúrio, entáo os dois M
primeiros tém pesos «YY
específicos desprezíveis em
relaçäo ao último; nesse caso
tem-se: Pa+YaD, Y, D, sind -Y,D, = Py
Pa — Pr =Y14D, +Y,D, Sin6 +Y,D,
2
E
<
E
nN
O
[3
A
E
ou seja, a leitura da carga D, será:
Pa7 Pp =Y„D; Sin0
coincidir com o plano da
superficie submersa e o e
eixo x perpendiculara À
esse plano. Além disso a
superficie do liquido esta
em contato com a
atmosfera. Se o plano dF = pdA..p=yh
submerso fizer um .
ángulo 8 com o plano da > dF =YhdA .. h= ysin®
superficie livre, tem-se: —dF =yysin0 dA
A = 3,048 [m] x 1 [m] = 3,048 [m2]; y = 1/2 = 1,524 [m];
W = 25 [ton] = 25[ton] x 1000[kgf/ton] x 9,8[N/kgf] = 245.000[N] ;
X = ycos =1,524.cos45° = 1,524.0,707 = 1,0775[m]
145; 1 3 a = 3
I = Dh =—.1.(3,048) =2,3597[m'] e = 9800[N/m*]
Substituindo esses valores na expresso de ye H, tem-se:
1 | 245000 x1,077468
77 1524x3,048| 9800x0,707
-2,359737216 } 7,694 1[m]
H = (7,6941+1,524) 0,707
H =6,5172[m]
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FORCA HIDROSTATICA NUMA
SUPERFICIE PLANA
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FORCA HIDROSTATICA NUMA
SUPERFICIE PLANA
2.Uma barragem, figura ao lado,
mantém ägua por uma comporta em
L. Desprezando o peso da comporta,
determine o momento T, sobre o eixo
de apoio por unidade de
comprimento.
Solucáo
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FORCA HIDROSTATICA NUMA
SUPERFICIE PLANA
Assim tem-se:
E
<
E
nN
O
[3
A
E
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FORCA HIDROSTATICA NUMA
SUPERFICIE CURVA
2
iS)
E
<
E
nN
O
[3
A
E
FORCA HIDROSTÁTICA NUMA
Soluge SUPERFÍCIE CURVA
lucáo ——
Pode-se, esquematicamente, estabelecer E
que as forgas que atuam no cilindro säo: a =
forga que atua acima do quadrante 2 (F,),a E
forga lateral no quadrante 2 (F,) e a força
sobre a superficie dos quadrantes 3 e 4.
Assim, calculando F, tem-se:
ral eral p
2 o SN
F, é a força resultante sobre a metade
inferior da superfície cilíndrica, e é igual
ao peso do fluido “imaginário” acima dela.
Assim tem-se:
F,
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FORCA HIDROSTATICA NUMA
SUPERFICIE CURVA
FORCA HIDROSTATICA NUMA
SUPERFICIE PLANA
030m
b=0,60m
E
<
=
nN
O
[3
A
E
FORCA HIDROSTATICA NUMA
SUPERFICIE PLANA
Solucáo r
e=0,30m
A ärea da superficie €:
A S = J ” = = =
0
O momento da área em relagáo ao eixo que passa pelo
vértice superior da superfície triangular/é:
aa
M $ rez JE bz’
0
0
A coordenada z, do centro de
gravidade é
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FORCA HIDROSTATICA NUMA
SUPERFICIE PLANA
O momento de inércia em relaçäo ao eixo baricéntrico é:
lo =1 Az; =
4 213) 36
ba? a] ba?
O quadrado do raio de giragáo é dado por:
à Loa _ E
A 18
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A |] VV
2
iS)
E
<
=
nN
O
[3
A
E
FORCA HIDROSTÁTICA NUMA
SUPERFÍCIE PLANA
A ordenada h,¿ que determina a profundidade do
centro de gravidade € igual a ordenada z,
adicionado a profundidade do topo da superfície
submersa e, assim: h
CG —e + Zo
A ordenada do centro den empuxo o ou centröide é
igual a: 2
he = Neg +
Neg
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FORCA HIDROSTATICA NUMA
SUPERFICIE PLANA
Entáo o empuxo sobre a superfície submersa é:
E= .h..A
A ordenada yc do centro de empuxo pode ser
calculada pela proporciónalidade Y: está para b/2
assim como h.-e estápara“ ‚logo:
CA
2
E
<
=
nN
O
[3
A
E
Ye _ hc =e
b/2 a
b=0,60m
Prof. Henrique Mariano
FORCA HIDROSTATICA NUMA
SUPERFICIE PLANA
A soluçäo numérica será feita no
MathCad:
a := 0.9 b := 0.6 e:= 03 Y = 9800
2
A = 0.27
= 1-A-20" Ig = 0.012
E
<
=
nN
O
[3
A
E
hcg := e+ z0 heg = 0.9
E:=y-he-A E = 2514 x 10° = ye = 0.21769
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FORCA HIDROSTATICA NUMA
SUPERFICIE PLANA
FORCA HIDROSTATICA NUMA
SUPERFICIE CURVA
FORCA HIDROSTATICA NUMA
SUPERFICIE CURVA
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EMPUXO, FLUTUACAO E
ESTABILIDADE
“o empuxo sobre um corpo
submerso é igual ao peso do liquido
deslocado”. =
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EMPUXO, FLUTUACAO E
ESTABILIDADE
F,=F,-F,-W
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EMPUXO, FLUTUACAO E
ESTABILIDADE
EMPUXO, FLUTUACAO E
ESTABILIDADE
F,-F,= (h-h)A
\
F,= (Iy—h,)A={(h,=h) AV]
EMPUXO, FLUTUACAO E
ESTABILIDADE
F;.y, = BY) EY Wo,
V.y, =V,.y, -(Vp —V).y,
Vol)
Y v
Os resultados acima sao válidos para os corpos que flutuam se o
peso específico do fluido acima da superfície do líquido é muito
pequeno comparado com o do líquido onde o corpo flutua. 78
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EMPUXO, FLUTUACAO E
ESTABILIDADE
Vy. = J j ydV
vol
if vat , fra, +...
=
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EMPUXO, FLUTUACAO E
ESTABILIDADE
I Az
at | Fludo de donsidhdo d
|
¥W=d(V-2Az)
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EMPUXO, FLUTUACAO E
ESTABILIDADE
Solucáo:
EMPUXO, FLUTUACAO E
ESTABILIDADE
(2)
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Resolvendo esta última equagäo, através do MathCad,
lobtém-se:
: G
VRR Dane WM pam be Om |
Les La HET (park 2 pany Hae pam be a)
Como se vé, é possível duas soluçôes. Veja a seguir um exemplo numérico:
Dando alguns valores numéricos para as variáveis. Sejam
Y = 9800 N patm := 101.33 x H:= em h:= 04m
m m
[my H+ y-h+ (pam? + 2- patm-y-H+2-y-patm-h+ y?
<
E
un
O
[2
A
=
x1 = 6.703 x 10m x2 = -0.617 m
portanto o valor de h1 é igual ao valor de x1
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ESTABILIDADE DE CORPOS
FLUTUANTES
A cada dV pode-se associar um df de valor
X
O momento m desse conjugado (df a
esquerda |, e a direita |) pode ser calculado
tomando o momento em relaçäo a y:
m= [ x. dA=. fxd=. I,
onde I, ye o momento de inércia de ärea A
em relagäo a a0 eixo y.
Prof. Henrique
ESTABILIDADE DE CORPOS
FLUTUANTES
ESTABILIDADE DE CORPOS
FLUTUANTES
ESTABILIDADE DE CORPOS
FLUTUANTES
V =2,5MN =9.8x10°x80x25xd > d =1,27m
55 -$ =3,5—0,64 = 2,86m
E
nN
O
[3
A
E
ESTABILIDADE DE CORPOS
FLUTUANTES
A altura metacéntrica é
9800x -L 25 x10°
12
=} e — 2,86 = 0,82 — 2,86 = —2,04m
25x10°
Como MG < 0 — barcaga é instável.
O momento restaurador parà uma del =
rotaçäo de 5° em torno de seu eixo |
longitudinal, é dado por:
4 5X2 75 710"
m . Æ,,=9,8x10" x x 1,78x10 Nm
360° 12
Prof. Henrique Mariano
Prof. Henrique Mariano
2
E
<
E
nN
O
[3
A
E
VARIACAO DA PRESSAO NUM FLUIDO EM
MOVIMENTO DE CORPO RÍGIDO
A equaçäo do movimento (para as Re indicadas) € e
| para fluidos que estáo em repouso ou À
movimento sem apresentar tensdes de
cisalhamento[1]. Se o centro de rotaçäo éo “y o
eixo O e sua velocidade de translagáo á V, f
velocidade de um ponto arbiträrio P sobre o ;
corpo é dado por: Y =V, +? XT, < m Vo
Derivando, obtém-se a forma mais geral da aceleragáo
de um corpo rígido: AN. d?
a=—2+?x(? Xt) +7 xD
t t
[1] Um movimento de fluido que náo apresenta tensáo de cisalhamento € aquele em que a massa do
fluido € submetida a um movimento de corpo rif 9
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E
E
E
nN
O
[3
A
E
VARIACAO DA PRESSAO EM MOVIMENTO
DE CORPO RÍGIDO
D]
a= M}? x(? Ea, ;
dt dt why a
O primeiro termo do 2° membro |
representa a aceleraçäo de translaçäo;
segundo termo é a aceleraçäo /
centripeta, cuja diregáo € de P parajo —
eixo de rotacáo, perpendicularmente; e Fe;
o terceiro termo € a aceleraçäo linear,
devido äs variagöes da velocidade
angular.
dv. d?
V k= a LH? x(2 xn)+—xr
P 9 dt ( 0) dd
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VARIACAO DA PRESSAO EM MOVIMENTO
DE CORPO RÍGIDO
a
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VARIACAO DA PRESSAO NUM FLUIDO EM
MOVIMENTO DE CORPO RÍGIDO
Op a Op
-P= a;enad peed a à
By a,;e na diregao z = (g+a;)
Op Op .
dp = —-dy + —0z
lp 5 22 az zZ
dp =— a,dy— (g +a,)dz
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VARIACAO DA PRESSAO NUM FLUIDO EM
MOVIMENTO DE CORPO RÍGIDO
da__ 4
dy gta,
\a, cos
a,sin +g
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VARIACAO DA PRESSAO NUM FLUIDO EM
MOVIMENTO DE CORPO RÍGIDO
Solucáo: ı:
ian
dy
—_ = 0,306 + z= 3,60*0,306 ~1,10m
3,60
Vv
derramado
vl
3
V, = 2 41,1013,60x1,80 =0,3564m*
2 103
03
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VARIACAO DA PRESSAO NUM FLUIDO EM
MOVIMENTO DE CORPO RÍGIDO
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VARL ACAO DA PRESSAO NUM FLUIDO EM
MOVIMENTO DE CORPO RIG IDO |
Solucäo: E
Sabe-se que tan e
gta,
mas como a,=0ea,=g=9,8
m/s? implica que
tan =-1=> =45°
Como o espago livre na extremidade fechada é 0,30m (1,20m -
0,90m) este é totalmente preenchido. A altura que o líquido subiria
se houvesse um tubo virtual prolongado na extremidade fechada
seria: 2=1,20xtan =1,20x1=1,20m , tomando como linha base
o ponto para onde baixou o liquido na extremidade aberta. Isto nos
diz que se houvesse tubo prolongando-se do lado fechado, o
liquido subiria até uma altura de 1,80m. Assim a pressáo em B é:
2
E
<
=
nN
O
[3
A
E
kN a 2
Pp= My = ‚30= 2,947 A pressäo em A, sera:
Pı= h, = 9800x(1,80 — 0,30) = 14, 5 105
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VARIACAO DA PRESSAO NUM FLUIDO EM
MOVIMENTO DE CORPO RIGIDO
Pag. 60 -White
Solucäo: a,
3cm|
a,
== 9.713.357.5094 =35,5° "4 |
gta, 9,81 I
"Sem!
Az = (3cm)(tan@ ) =2,14cm
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VARIACAO DA PRESSAO NUM FLUIDO EM
MOVIMENTO DE CORPO RIGIDO
Pag. 60 -White
Pa=P8 (Zap -s4)=(1010[ 8] (ser inp=04 2] rire 4
7
TER a +(g-a,) /
ds E
G=,/7 +(9,81-0) = 1205|? |
Ss
As =(7+2,14)cos® =7,44cm
Pa = PG.As = (1010) (12,05) (0,0744) = 906[ Pa]
107
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Exercicio Proposto
Como está em queda livre, sem arrasto, a aceleraçäo da queda € Logo
(g+a,)= (g-8)=0 Isso implica que a pre: constante ei pontos e
igual a pressäo atmosférica de 101 kPa. Logo a resposta
correta € a de número 4 acima.
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VARIACAO DA PRESSAO NUM FLUIDO EM
MOVIMENTO DE CORPO RÍGIDO
Prof. Henrique Mariano
VARIACAO DA PRESSAO NUM FLUIDO EM
MOVIMENTO DE CORPO RÍGIDO
Oz
Prof. Henrique Mariano
VARIACAO DA PRESSAO NUM FLUIDO EM
MOVIMENTO DE CORPO RÍGIDO
Op Op
De"
dp = ar r Oz zZ
Bor Zap dz
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VARIACAO DA PRESSAO NUM FLUIDO EM
MOVIMENTO DE CORPO RÍGIDO
R \ À / 2 8
p= fa rdraf2 fic fi
8
0 0
222
—h He
8
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VARIACAO DA PRESSAO NUM FLUIDO EM
MOVIMENTO DE CORPO RÍGIDO
2 /2H
r
SS pr
R= Ve + “P= 4 2
Prof. Henrique Mariano
VARIACAO DA PRESSAO NUM FLUIDO EM
MOVIMENTO DE CORPO RÍGIDO
42
- de h+ —,
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VARIACAO DA PRESSAO NUM FLUIDO EM
MOVIMENTO DE CORPO RÍGIDO
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VARIACAO DA PRESSAO NUM FLUIDO EM
MOVIMENTO DE CORPO RIGIDO
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VARIACAO DA PRESSAO NUM FLUIDO EM
MOVIMENTO DE CORPO RIGIDO
27__7+c=0
28
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VARIACAO DA PRESSAO NUM FLUIDO EM
MOVIMENTO DE CORPO RÍGIDO
Aas
IR=0,30m
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VARIACAO DA PRESSAO NUM FLUIDO EM
MOVIMENTO DE CORPO RÍGIDO
~ }.20 0,108 =0,34m?
derramado
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VARIACAO DA PRESSAO NUM FLUIDO EM
MOVIMENTO DE CORPO RÍGIDO