Hidraulica

Introdução

O escoamento em condutos livres é caracterizado por apresentar uma superfície livre na qual reina a pressão atmosférica. Estes escoamentos têm um grande número de aplicações práticas na engenharia, estando presentes em áreas como o saneamento, a drenagem urbana, irrigação, hidroeletricidade, navegação e conservação do meio ambiente. Os problemas apresentados pelos escoamentos livres são mais complexos de serem resolvidos, uma vez que a superfície livre pode variar no espaço e no tempo e, como conseqüência, a profundidade do escoamento, a vazão, a declividade do fundo e a do espelho líquido são grandezas interdependentes. Desta forma, dados experimentais sobre os condutos livres são, usualmente, de difícil apropriação.

Profundidade normal e critica

O escoamento em canais é caracterizado por apresentar uma superfície livre na qual reina a pressão atmosférica para uma dada vazão Q poderemos ter 3 situações em termos de regime de escoamento:

• Escoamento Crítico

• Escoamento Supercrítico

• Escoamento Subcrítico

Como a vazão é a mesma, o que irá determinar o regime do escoamento será a declividade do fundo do canal. Assim, para uma vazão constante escoando em canal prismático com profundidade superior à crítica, teremos um escoamento subcrítico.

Ao aumentarmos a declividade do fundo do canal observa-se um aumento da velocidade do escoamento. De acordo com a equação da continuidade, a esse aumento da velocidade corresponderá uma redução na profundidade do escoamento, podendo-se chegar a um ponto em que a profundidade atinge o seu valor crítico.

Movimento Gradual

O movimento é gradualmente variado quando as profundidades variam gradual e lentamente ao longo do conduto; as grandezas referentes ao escoamento em cada seção, não se modificam com o tempo; as distribuições de pressões são hidrostáticas.

Assim, as fórmulas do escoamento uniforme podem ser aplicadas com aproximação satisfatória. O movimento gradualmente variado pode ser acelerado nos trechos iniciais dos condutos com seção constante e depois uniforme. Torna-se importante salientar que, nestas condições de escoamento gradualmente variado, J varia de seção para seção, sendo sempre correspondente ao gradiente energético total, e, portanto geralmente diferente da declividade do fundo do canal. Em um canal retangular a profundidade crítica depende somente da vazão por unidade de largura. Para esta situação tem-se, então, a Declividade Crítica. A Declividade Crítica, portanto, é aquela à qual corresponde a Profundidade Crítica. Este então é outro parâmetro importante a ser analisado.

Profundidade Critica.

Para entendermos a aplicação e a análise dos coeficientes necessários à preparação de escoamentos naturais e não-naturais, faz-se necessário entender as grandezas da Profundidade (y) e da Profundidade Hidráulica. A primeira é identificada pela altura do líquido acima do fundo do canal e a segunda Profundidade hidráulica (yh) é a razão entre a área molhada e a largura superficial yh=A/B;

Quando uma ferramenta de preparo de solos muito estreita trabalha a uma profundidade muito grande, esta não é capaz de elevar o solo em toda sua profundidade de operação para certas condições do terreno. Para a determinação da profundidade crítica, deve-se utilizar um processo iterativo, no qual se avalia o valor da força total Q+H onde H é a força calculada até o início da profundidade crítica, onde o solo está sendo mobilizado para frente e para cima. Para o valor mínimo da força total haverá uma valor correspondente da profundidade de trabalho que é a profundidade crítica. Um longo canal em que ocorre o escoamento uniforme crítico pode-se aproximar o raio hidráulico pela altura d água, quando se tem um canal retangular de grande largura. Assim, a expressão da declividade crítica para um canal retangular largo, isto é, quando Rh = y, é dada por: Ic = g x Se I0 < Ic o escoamento é subcrítico e o canal é dito de “fraca declividade”, pois conduzem a profundidades de escoamento superiores à crítica y > yc;

Se I0 > Ic, o escoamento é supercrítico e o canal é dito de “forte declividade”, pois conduzem a profundidades de escoamento inferiores à crítica y < yc;

no caso de y = yc, o escoamento é crítico.

Ao escoamento de uma dada vazão constante, em condições de profundidade e declividade crítica corresponderá, analogamente, a ocorrência de Velocidade Crítica. Desse modo podemos dizer que para escoamento supercrítico corresponderá à velocidade supercrítica, e para o escoamento subcrítico a velocidade subcrítica. Para uma determinada condição crítica do escoamento, em termos de profundidade, velocidade e declividade, corresponderá uma determinada Vazão Crítica.

Profundidade normal

Em condutos naturais raramente ocorre o escoamento uniforme, mas se costuma admiti-lo para cálculos práticos. Denomina-se profundidade normal, yn, à profundidade do escoamento uniforme que para uma dada seção, declividade e vazão, são únicas.

Quando ocorre o escoamento permanente uniforme a profundidade do fluido é a normal: y yn

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