Engenharia mecânica

[editar] Ciências mecânicas
A engenharia mecânica é didaticamente dividida em áreas como a criação de vacas e frangos que freqüentemente se entrelaçam nos diversos ramos de atuação. Destas áreas, aquelas mais próximas à física são chamadas ciências mecânicas e servem de base teórica às áreas de direta aplicação de engenharia. As ciências mecânicas pouco abordam aspéctos tecnológicos e práticos, tratam de conceitos básicos bem estabelecidos e que muito dificilmente se tornam ultrapassados.

Quantidade de movimento transferída através de pêndulos, objeto de estudo da mecânica geral.

[editar] Mecânica geral
A mecânica geral engloba áreas fundamentais da física, podendo ser separada em estática e dinâmica. Suas abordagens mais conhecidas são: clássica, de Lagrange e a dinâmica dos corpos rígidos. Ainda que a mecânica geral inclua teorias fundamentais de dinâmica, teorias mais sofisticadas a respeito fogem ao tipo de abordagem, que geralmente trata de corpos inflexíveis e é pouco viável para análise de sistemas complexos.
São estudados pela mecânica geral modelos de atrito, inércia, choque mecânico, trabalho e energia, gravitação e quantidade de movimento. Estes conceitos são imprescindíveis ao desenvolvimento das demais áreas de engenharia mecânica.

[editar] Dinâmica
A Dinâmica, não só no campo da mecânica, estuda a forma como elementos se comportam e interagem entre si, ao longo do tempo. Considera-se um sistema dinâmico se o estado ou condição em que o mesmo se encontra não depende apenas das forças ou condições momentâneas a que é submetido, mas também depende do estado anterior em que se encontrava. Este tipo de sistema físico geralmente acarreta em modelos matemáticos de equações diferenciais. A análise envolvida pode atingir auto grau de complexidade demandando soluções algébricas sofisticadas ou até se restringindo a simulações numéricas (através de modelos computacionais).
Na mecânica, a dinâmica é empregada em diversos tipos de tecnologia, como suspensão de automóvel, motores, projetos de navios e estruturas offshore, aeronaves, projeto de próteses ósseas etc.

Regulador centrífugo, utilizado por James Watt em motor a vapor, em 1788)

[editar] Controle
A Engenharia de Contole tem como objetivo o desenvolvimento de máquinas acopláveis a sistemas dinâmicos, com a função de modificar o comportamento dos mesmos. Por trás do projeto de controle, envolvem-se as teorias de dinâmica associadas a lógicas de controle.
Os primeiros sistemas de controle foram criados para limitar a velocidade de rotação de máquinas a vapor, no século XVIII. Estes sistemas eram puramente mecânicos. Hoje, são mais comuns dispositivos que envolvem partes eletrônicas e eletromecânicas, contendo sensores, atuadores e controladores digitais, como é o caso dos sistemas de injeção eletrônica de combustível de veículo automotores e piloto automático de navios, aeronaves e mísseis.

[editar] Mecânica dos sólidos

Simulação do estado de distribuição de tensões num automóvel em colisão, por elementos finitos
Também conhecida como resistência dos materiais, a mecânica dos sólidos estuda o comportamento de corpos submetidos a esforços mecânicos. Entre as principais teorias, envolvem-se a da elasticidade, plasticidade e estabilidade.
A mecânica dos sólidos é fundamental no desenvolvimento e análise de estruturas e elementos de máquinas, tais como engrenagens, árvores (eixos), mancais, etc. Permite estudar as variações de tensões e deformações ao longo do sólido (ou peça), esseciais ao dimensionamento do mesmo. Para corpos de geometria e carregamento (forças externas) complexos, bem como aqueles constituidos de materiais não-isotrópicos, é necessário utilizar técnicas numéricas assistidas por computador, a fim de determinar os campos de tensão ou deformação, como por exemploPropriedades físicas dos fluidos hidraulicos
As propriedades dos fluidos hidraulicos relevantes para o estudo do escoamento dos fluidos são a massa volúmica, a tensão superficial, a viscosidade, e restantes propriedades reológicas.

[editar] Teoria
Os fluidos respeitam a conservação de massa, quantidade de movimento ou momentum linear e momentum angular, de energia, e de entropia. A conservação de quantidade de movimento é expressa pelas equações de Navier Stokes. Estas equações são deduzidas a partir de um balanço de forças/quantidade de movimento a um volume infinitesimal de fluido, também denominado de elemento representativo de volume.
Atualmente, o estudo, análise e compreensão da fenomenologia da maior parte dos problemas em dinâmica de fluidos e em transferência de calor, como macro-áreas que compõem a dinâmica de fluidos, são desenvolvidos através da Modelagem Computacional. Nesta, um modelo matemático é desenvolvido, com base na fenomenologia do problema considerado. A partir deste modelo, geralmente um sistema de equações diferenciais parciais ou equações diferenciais ordinárias, é desenvolvido um modelo computacional ou utilizado um código computacional comercial, para a execução de simulações numéricas, obtendo-se assim projeções temporais da solução do problema. Esta solução é condicionado pelas condições iniciais e condições de contorno do problema, que estabelecem as condições de evolução deste no tempo e no espaço.
A Teoria do Contínuo fundamenta a conceituação teórica que justifica a maior parte das análise em CFD. O fluido, um meio contínuo, é discretizado com base no modelo das partículas fluidas. Esta abstração conceitua um elemento representativo de volume, ou representative element of volume, REV. Neste elemento de volume, de micro ou nano dimensões, uma propriedade ou quantidade física mantem um valor médio, sob as mesmas condições, passível de reprodução em laboratório, sob as mesmas solicitações externas ao fluido. Assim uma partícula representativa de um volume de fluido, o REV, é o menor volume em que as propriedades do fluido se mantém. As moléculas de um contínuo vibram constantemente, cessando esta vibração somente no estado de repouso termodinâmico, o zero absoluto. Fisicamente em um REV o caminho médio percorrido pelas moléculas do fluido entre duas sucessivas é no mínimo da ordem de grandeza das próprias moléculas deste fluido.

[editar] Tipos de escoamentos
Os escoamentos podem ser classificados quanto à compressibilidade e quanto ao grau de mistura macroscópica.
Um escoamento em que a densidade do fluido varia significativamente é um escoamento compressível. Se a densidade não variar significativamente então o escoamento é incompressível.
O grau de mistura de um fluido em escoamento depende do regime de escoamento, que pode ser laminar, turbulento ou de transição.
No regime laminar, as linhas de fluxo são paralelas ao escoamento, fazendo com que o fluido escoe sem que ocorra mistura. Em um duto circular, o escoamento é laminar até um valor de Reynolds de aproximadamente 2100.
Na transição entre os regimes laminar e turbulento, percebe-se que as linhas de fluxo se tornam onduladas, o que indica que começa a haver mistura entre uma camada e outra. Para um duto circular, esse regime ocorre para um valor de Re entre 2100 e 2300.
Para valores de Re acima de 2300, têm-se regime turbulento. Nesta fase, percebe-se uma mistura entre as camadas de fluxo.

[editar] Métodos experimentais
O escoamento de fluidos é actualmente estudado por velocimetria laser e por velocimetria por imagem de partículas.

[editar] Abordagem computacional
A dinâmica de fluidos tem sido solicitada a fornecer soluções a problemas complexos em hidrodinâmica, projetos de edificações, aeronaves, navios e veículos espaciais, em hemodinâmica e em biofísica. Nestas áreas a obtenção e o de tratamento de soluções considera um elevado número de dados, informações e variáveis, resultando em densos sistemas de equações. A modelagem computacional propõe um conjunto de métodos e técnicas para a abordagem destes problemas.

[editar] Leis da Hidrodinâmica
Por forma a melhor compreender a física do deslocamento de fluidos em regime não turbulento, criou-se uma série de leis, que levaram à equação de Bernoulli. A equação de Bernoulli está de certo modo relacionada com o porquê dos aviões voarem, e das garrafas de perfume expelirem líquido quando pressionadas.
O que se passa com as asas do avião é que a sua periferia é feita de tal forma que o ar que passa por cima da asa tem que percorrer um maior percurso em relação ao ar que passa por baixo da asa. Ou seja, o ar sobre a asa move-se a uma velocidade maior. Dado este fato, a equação de Bernoulli prediz que a pressão acima da asa torna-se menor que abaixo da asa e, por este motivo, a uma determinada velocidade, a diferença de pressão é suficiente grande para fazer o avião levantar vôo.
O mesmo se passa no perfume: ao passar sobre a "boca" do frasco, o tubo estreita-se, sendo o ar nesse ponto obrigado a circular a uma velocidade maior. Assim, isso cria uma variação de pressão que empurra o perfume para a sua superfície, sendo depois disparado para o ar.
As equações de Bernoulli não possuem aplicação soberana na mecânica dos fluidos. As complexas Equeções de Navier-Stokes são também utilizadas na análise da Mecânica dos fluidos.
Elas são não lineares e com uma infinidade de soluções não-analíticas, ou seja, somente obtidas com aporte computacional. São equações que relacionam densidade dos fluidos, acelerações, variação de pressão, viscosidade e gradientes de velocidade.
Contudo, estas equações podem aproximar boas soluções algébricas quando feitas as devidas aproximações. Assumir, por exemplo, que o fluido é incompressível e sem viscosidade (idealização) faz com que estas equações sejam simplificadas e permitem soluções mais sãs