laminar abaixo de Re ≈ 2000, turbulento acima de Re ≈ 4000
Velocidade média
V = Q/A, A = π·D²/4
Darcy–Weisbach
hf = f·(L/D)·V²/(2g)
Perdas localizadas
hm = ΣK·V²/(2g)
Valores típicos de K
entrada 0,5, saída 1,0, curva de 90° ≈ 0,3
Queda de pressão
Δp = ρ·g·hf
Dois reservatórios abertos
Δz = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)
Saída livre
H = (1 + f·L/D + ΣK)·V²/(2g)
Escoamento em canais abertos (Manning)
Equação de Manning
V = (1/n)·R2/3·S1/2
Vazão
Q = A·V
Raio hidráulico
R = A/P (P = wetted perimeter, free surface excluded)
Retângulo
A = b·y, P = b + 2y
Trapézio (talude z:1)
A = (b + z·y)·y, P = b + 2y·√(1 + z²)
Tubo circular, cheio ou meio cheio
R = D/4
Declividade necessária
S = (n·Q/(A·R2/3))²
Bombas e potência de bombas
Potência hidráulica
Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp
Potência no eixo
Pshaft = Ph/ηpump
Potência elétrica
Pel = Pshaft/ηmotor
Altura manométrica da bomba
H = Δz + Δp/(ρ·g) + hL
Perdas do sistema
hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)
Valor temporal do dinheiro
Valor futuro
FV = PV·(1 + i)n
Valor atual
PV = FV/(1 + i)n
Vários períodos por ano
i = r/m, N = m·n
Anuidade, valor atual
PV = PMT·[1 − (1 + i)−n]/i
Anuidade, valor futuro
FV = PMT·[(1 + i)n − 1]/i
Método
Desenhe uma linha do tempo com cada fluxo de caixa e o momento em que ocorre.
Ajuste a taxa ao período: uma taxa mensal para pagamentos mensais.
Use FV = PV·(1 + i)ⁿ para valores únicos e as fórmulas de anuidade para pagamentos iguais.
Verifique o sinal e a ordem de grandeza da resposta.
VAL e TIR
Valor atual líquido
NPV = −C0 + Σ CFt/(1 + r)t
Fluxos iguais
NPV = −C0 + CF·[1 − (1 + r)−n]/r
Taxa interna de retorno
o r em que NPV = 0
Decisão
aceitar se NPV > 0 (ou IRR > retorno exigido)
Método
Liste todos os fluxos de caixa com o seu ano; o investimento no ano 0 é negativo.
Desconte cada fluxo de caixa: CFt/(1 + r)t.
Some-os para obter o VPL. Positivo significa que o projeto rende mais que r.
Para a TIR, encontre a taxa que zera o VPL por tentativa ou interpolação.
Distribuição normal
Pontuação z
z = (x − μ)/σ
Abaixo de x
P(X < x) = Φ(z)
Acima de x
P(X > x) = 1 − Φ(z)
Entre
Φ(z2) − Φ(z1)
Percentil
x = μ + z·σ
Método
Converta o valor em um escore z: z = (x − μ)/σ.
Procure Φ(z), a área à esquerda de z.
Para a área à direita use 1 − Φ(z); para um intervalo subtraia as duas áreas à esquerda.
Para um percentil, faça o caminho inverso: encontre z para a área e depois x = μ + z·σ.
2Exercícios
1.Reações de apoio em vigasMédia
A viga simplesmente apoiada tem um apoio fixo em A e um apoio móvel em B. Encontre a reação vertical de apoio RA.
L = 5 mP1 = 55 kN em 1 mP2 = 30 kN em 3,5 m
RA = kN
2.Reações de apoio em vigasDifícil
A viga em balanço está engastada na parede em A. Ela suporta uma carga linearmente variável que vale 6 kN/m na parede e cai até zero na extremidade livre B, além de uma carga concentrada P a 4 m da parede. Encontre o módulo do momento de reação MA na parede.
L = 4 mw0 = 6 kN/mP = 15 kN em 4 m
MA = kN·m
3.Treliça: método dos nósMédia
Exatamente um membro desta treliça não suporta força sob estas cargas. Qual é o membro de força nula? Clique nele no diagrama.
Exatamente um membro desta treliça não suporta força sob estas cargas. Qual é o membro de força nula? Clique nele no diagrama.
F: 35 kN →G: 15 kN ↓
1membro AB
2membro BC
3membro CD
4membro DE
5membro FG
6membro GH
7membro AF
8membro HE
9membro BF
10membro CG
11membro DH
12membro BG
13membro DG
5.Esforço cortante e momento fletorMédia
A viga simplesmente apoiada suporta duas cargas concentradas. Encontre o momento fletor máximo Mmax na viga.
L = 8 mP1 = 65 kN em 3 mP2 = 70 kN em 4 m
Mmax = kN·m
6.Esforço cortante e momento fletorDifícil
As marcas A a G dividem a viga em seis partes iguais. Em qual marca o momento fletor é maior em valor absoluto, positivo ou negativo? Clique nela no diagrama.
35 kN @ 0 m25 kN @ 6 m12 kN/m, 1–4 m
1A (x = 0 m)
2B (x = 1 m)
3C (x = 2 m)
4D (x = 3 m)
5E (x = 4 m)
6F (x = 5 m)
7G (x = 6 m)
7.Deflexão da vigaMédia
Uma viga simplesmente apoiada suporta uma carga concentrada P a a = 2 m do apoio A. Encontre a deflexão δP sob a carga.
P = 28 kNa = 2 mL = 5 mE = 200 GPa (aço)I = 36 × 10⁶ mm⁴
δP = mm
8.Deflexão da vigaDifícil
Uma viga engastada e apoiada está engastada em A e simplesmente apoiada em B. Ela suporta uma carga concentrada P no meio do vão. EI é constante. Encontre a reação RB no apoio B.
L = 5 mP = 65 kN em 2,5 m
RB = kN
9.Flambagem de pilaresMédia
Um pilar de comprimento L feito de alumínio está articulado nas duas extremidades. Usando a fórmula de Euler, encontre sua carga crítica de flambagem Pcr.
L = 2,5 mE = 70 GPa (alumínio)b × h = 30 × 60 mm
Pcr = kN
10.Flambagem de pilaresDifícil
Um pilar circular maciço de comprimento L feito de alumínio está engastado na base e articulado no topo. Ele deve suportar 45 kN com um fator de segurança de 2 contra flambagem. Encontre o menor diâmetro d.
P = 45 kNn = 2L = 1,5 mE = 70 GPa (alumínio)
d = mm
11.Centroide e momento de inérciaMédia
Uma placa de 150 mm × 200 mm tem um furo circular de diâmetro 50 mm na sua linha de centro vertical, com o centro a 80 mm acima da base. Encontre o momento de inércia da área Ix em torno do eixo horizontal que passa pelo centroide.
b = 150 mmh = 200 mmd = 50 mmcentro do furo: y = 80 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
12.Centroide e momento de inérciaDifícil
A seção T é usada como viga com a mesa em cima e suporta um momento fletor positivo de 5 kN·m. Encontre a tensão de flexão σbase na borda inferior.
Uma camada de argila pré-adensada com 6 m de espessura tem Cc = 0,45, Cr = 0,02 e e₀ = 0,9. Na metade da sua profundidade a tensão vertical efetiva é 60 kPa e a tensão de pré-adensamento é 130 kPa. Um novo edifício acrescenta 15 kPa de tensão vertical na metade da profundidade. Encontre o recalque por adensamento primário S em mm.
Uma camada de argila com 5 m de espessura tem coeficiente de adensamento cv = 2 m²/ano. Ela está sobre rocha impermeável, com areia acima, então a água drena apenas pelo topo. Para 70% de adensamento médio o fator tempo é Tv = 0,403. Quantos anos t a camada leva para atingir 70% de adensamento?
Uma comporta retangular vertical de 2 m de largura fica na parede de um tanque de água, com a borda superior 0,5 m abaixo da superfície. Encontre a força hidrostática resultante F na comporta.
Uma comporta retangular vertical de 3 m de largura fica na parede de um tanque de óleo, com a borda superior 2 m abaixo da superfície. Encontre a força hidrostática resultante F na comporta.
d = 2 mH = 2 mb = 3 mρ = 880 kg/m³g = 9,81 m/s²
F = kN
19.Atrito em tubulações e perda de cargaMédia
Água escoa com velocidade média de 1,5 m/s em uma tubulação de 800 m de comprimento com diâmetro interno de 100 mm. Use o fator de atrito de Darcy f = 0,028 e g = 9,81 m/s². Encontre a perda de carga por atrito hf.
Uma tubulação de 200 m de comprimento com diâmetro interno de 200 mm (fator de atrito de Darcy f = 0,015) sai de um reservatório aberto e descarrega como jato livre no ar. As perdas localizadas são uma entrada de cantos vivos (K = 0,5), 3 curvas (K = 0,3 cada) e uma válvula (K = 10). Use g = 9,81 m/s². A que altura H a superfície do reservatório deve estar acima da saída da tubulação para uma vazão de 75 L/s?
Um canal trapezoidal de alvenaria de tijolos tem largura de fundo de 1,5 m e taludes de 1:1 (horizontal:vertical). A água escoa uniformemente com 0,7 m de profundidade. n de Manning = 0,015 e a declividade do fundo é S = 0,005. Encontre a vazão Q em m³/s.
b = 1,5 my = 0,7 mz = 1n = 0,015S = 0,005
Q = m³/s
22.Escoamento em canais abertos (Manning)Difícil
Uma galeria de concreto com diâmetro interno de 300 mm (n de Manning = 0,013) deve atingir uma velocidade de autolimpeza de 0,75 m/s quando escoa exatamente cheia. Encontre a declividade mínima S (em m/m).
D = 300 mmn = 0,013V = 0,75 m/s
S = m/m
23.Bombas e potência de bombasMédia
Uma bomba com rendimento de 60% fornece 30 L/s de água (ρ = 1000 kg/m³) contra uma altura manométrica de 58 m. Use g = 9,81 m/s². Encontre a potência no eixo Pshaft necessária, em kW.
Q = 30 L/sH = 58 mη = 60%g = 9,81 m/s²
Pshaft = kW
24.Bombas e potência de bombasDifícil
Uma bomba transporta 40 L/s de água (ρ = 1000 kg/m³) de um reservatório inferior aberto para um tanque superior cuja superfície da água está 16 m mais alta. A tubulação tem 150 m de comprimento, diâmetro interno de 150 mm e fator de atrito de Darcy f = 0,018; os coeficientes de perda localizada somam ΣK = 6 (entrada e saída incluídas). Use g = 9,81 m/s². O tanque superior é fechado e o ar acima da água está a uma pressão manométrica de 200 kPa. Encontre a altura manométrica H que a bomba deve acrescentar.
Você investe €20 000 a 5% ao ano com capitalização contínua. Encontre o valor FV após 17 anos.
PV = €20 000r = 5%t = 17
FV = €
26.Valor temporal do dinheiroDifícil
Poupa €100 no fim de cada mês durante 19 anos. A conta rende 3,6 % ao ano, capitalizada mensalmente. Quanto poupou no fim? Calcule FV.
A = €1003,6% / 12N = 228
FV = €
27.VAL e TIRMédia
Um investimento de €60 000 gera estes fluxos no fim dos anos 1 a 4: €23 000, €15 000, €15 000, €21 000. O custo do capital é de 6 %. Calcule o valor atual líquido NPV.
Um projeto custa €50 000 e retorna €28 000, €23 000, €16 500, €18 500 no final dos anos 1 a 4. Os fluxos de caixa podem ser reinvestidos ao custo de capital de 8%. Encontre a taxa interna de retorno modificada MIRR em porcentagem.
As massas de sacos de cimento são independentes e normais com média 25 kg e desvio padrão 0,5 kg. Encontre a probabilidade P de a massa total de 10 deles ficar abaixo de 248,4 kg. Arredonde z para duas casas decimais.
μ = 25 kgσ = 0,5 kgn = 10< 248.4 kg
P =
30.Distribuição normalDifícil
Os durações de baterias têm distribuição normal com média 500 h e desvio padrão 40 h. Arraste o ponto de corte para que os 95% inferiores sombreados fiquem à esquerda dele. Encontre o ponto de corte x.
μ = 500 hσ = 40 h95%
x = h
3Soluções
1.Reações de apoio em vigas
Resposta: RA = 53 kN
Equilíbrio estático: um corpo em repouso tem ΣFx = 0, ΣFy = 0 e ΣM = 0 em relação a qualquer ponto. Tomar momentos em relação a um apoio elimina a reação desse apoio da equação.
Diagrama de corpo livre
Substitua os apoios por forças de reação. Um apoio móvel dá uma reação vertical; com apenas cargas verticais, o apoio fixo também dá uma reação vertical.
Equilíbrio
Momentos em relação a A, positivos no sentido anti-horário. Depois o equilíbrio das forças verticais.
ΣMA = 0: RB·5 = 55·1 + 30·3,5
RB = 160/5 = 32 kN
ΣFy = 0: RA = 85 − 32 = 53 kN
Resposta
RA = 53 kN
2.Reações de apoio em vigas
Resposta: MA = 76 kN·m
Equilíbrio de balanços: um engaste pode empurrar para cima e também impedir a rotação, então dá uma reação vertical RA e um momento de reação MA. ΣFy = 0 dá RA, e os momentos em relação à parede dão MA = Σ(carga × distância até a parede). Uma carga distribuída atua como sua resultante no centroide do diagrama de carga.
Resultante da carga triangular
W = ½·6·4 = 12 kN
x̄ = L/3 = 1,333 m
Momento em relação à parede
MA = W·x̄ + P·a = 12·1,333 + 15·4 = 76 kN·m
Resposta
MA = 76 kN·m
3.Treliça: método dos nós
Resposta: membro CG
Membros de força nula: em um nó, as forças devem se equilibrar em todas as direções. Se um nó não tem carga nem apoio, e dois de seus três membros estão alinhados, então o equilíbrio na direção perpendicular a essa linha envolve apenas o terceiro membro, e portanto sua força é zero. Se apenas dois membros se encontram em um nó sem carga e não estão alinhados, ambos são nulos.
Nó G
FG e GH estão em uma mesma reta e o nó não tem carga. Equilibrar as forças na direção perpendicular a essa reta deixa apenas CG.
ΣF⊥ = 0 → FCG = 0
Verifique com o método dos nós
Resolver todos os nós dá estas forças nos membros (T = tração, C = compressão).
Membros de força nula: em um nó, as forças devem se equilibrar em todas as direções. Se um nó não tem carga nem apoio, e dois de seus três membros estão alinhados, então o equilíbrio na direção perpendicular a essa linha envolve apenas o terceiro membro, e portanto sua força é zero. Se apenas dois membros se encontram em um nó sem carga e não estão alinhados, ambos são nulos.
Nó C
BC e CD estão em uma mesma reta e o nó não tem carga. Equilibrar as forças na direção perpendicular a essa reta deixa apenas CG.
ΣF⊥ = 0 → FCG = 0
Verifique com o método dos nós
Resolver todos os nós dá estas forças nos membros (T = tração, C = compressão).
Método das seções: corte a viga onde você quer os esforços internos e fique com um lado. O esforço cortante V equilibra as forças verticais desse lado, e o momento fletor M equilibra os momentos delas em relação ao corte. Momento máximo: como dM/dx = V, o momento fletor atinge seu pico onde o esforço cortante passa por zero, seja em uma carga concentrada, seja dentro de uma carga distribuída.
Reações de apoio
Equilíbrio da viga inteira.
ΣMA = 0: RB·8 = 65·3 + 70·4
RB = 475/8 = 59,38 kN
ΣFy = 0: RA = 135 − 59,38 = 75,63 kN
Momento sob cada carga
Fique com a parte à esquerda de cada carga.
sob P1: M = RA·3 = 75,63·3 = 226,9 kN·m
sob P2: M = RB·4 = 59,38·4 = 237,5 kN·m
Maior valor
Mmax = 237,5 kN·m (sob P2)
Resposta
Mmax = 237,5 kN·m
6.Esforço cortante e momento fletor
Resposta: E (x = 4 m)
Maior momento fletor: M muda de inclinação onde quer que a força cortante mude, então seus picos ficam onde a força cortante cruza o zero: sob uma carga pontual, dentro de uma carga distribuída ou sobre um apoio de um balanço. No engaste de uma viga em balanço, o momento é maior na parede. Compare o tamanho de M nesses lugares, positivo ou negativo.
Reações de apoio
Tome momentos em torno de um apoio e depois use o equilíbrio das forças verticais.
R1 = 48 kN, R2 = 48 kN
Momento fletor em cada marca
Some os momentos de todas as forças de um lado do corte. O momento que traciona embaixo é positivo, o que traciona em cima é negativo.
MA = 0, MB = −35, MC = −28, MD = −33, ME = −50 kN·m, MF = −25, MG = 0
Resposta
Marca E: ME = −50 kN·m
7.Deflexão da viga
Resposta: δP = 9,333 mm
Deflexão de vigas: as deflexões vêm de integrar duas vezes a curvatura M/(EI). Os casos padrão são tabelados, por exemplo PL³/(3EI) para um balanço com carga na ponta e 5wL⁴/(384EI) para uma viga simplesmente apoiada com carga uniforme em todo o vão. Deflexões de cargas separadas se somam (superposição).
Unidades consistentes
Trabalhe em N e mm: P em N, w em N/mm (kN/m = N/mm), L em mm, E em N/mm² (GPa × 1000), I em mm⁴.
P = 28000 N, a = 2000 mm, b = 3000 mm, L = 5000 mm
EI = 7,2 × 10¹² N·mm²
Deflexão sob a carga
δP = Pa²b²/(3EIL) = 28000·2000²·3000²/(3·7,2 × 10¹²·5000) = 9,333 mm
Resposta
δP = 9,333 mm
8.Deflexão da viga
Resposta: RB = 20,31 kN
Deflexão de vigas: as deflexões vêm de integrar duas vezes a curvatura M/(EI). Os casos padrão são tabelados, por exemplo PL³/(3EI) para um balanço com carga na ponta e 5wL⁴/(384EI) para uma viga simplesmente apoiada com carga uniforme em todo o vão. Deflexões de cargas separadas se somam (superposição). Para uma viga estaticamente indeterminada, retire um apoio redundante e exija que a deflexão ali seja zero (compatibilidade).
Retire o apoio
Sem o apoio a viga é um balanço. Sua extremidade livre defletiria sob a carga.
δload = P(L/2)²(3L − L/2)/(6EI) = 5PL³/(48EI)
Compatibilidade no apoio
A força do apoio RB sozinha levanta a extremidade livre em RBL³/(3EI). O apoio mantém B com deflexão zero, então as duas devem se anular. EI se cancela.
Flambagem de Euler: um pilar esbelto fica instável em Pcr = π²EI/(KL)², onde KL é o comprimento efetivo: K = 1 para articulado–articulado, 2 para engastado–livre, 0,7 para engastado–articulado e 0,5 para engastado–engastado. Ele flamba em torno do eixo com o menor I. A fórmula vale para pilares esbeltos, cuja tensão crítica fica abaixo da tensão de escoamento.
Menor momento de inércia
Um retângulo flamba em torno do eixo fraco, usando a menor dimensão ao cubo.
Flambagem de Euler: um pilar esbelto fica instável em Pcr = π²EI/(KL)², onde KL é o comprimento efetivo: K = 1 para articulado–articulado, 2 para engastado–livre, 0,7 para engastado–articulado e 0,5 para engastado–engastado. Ele flamba em torno do eixo com o menor I. A fórmula vale para pilares esbeltos, cuja tensão crítica fica abaixo da tensão de escoamento.
Carga crítica necessária
Pcr = n·P = 2·45000 = 90000 N
KL = 0,7·1500 = 1050 mm
Resolva para o diâmetro
d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·90000·1050²/(π³·70000))^(1/4) = 41,36 mm
Resposta
d = 41,36 mm
Verificação: a esbeltez KL/r é 101,6, então o pilar é esbelto e Euler se aplica.
11.Centroide e momento de inércia
Resposta: Ix = 98,85 × 10⁶ mm⁴
Seções com furos: trate um furo como uma área negativa. O centroide é ȳ = (A₁y₁ − A₂y₂)/(A₁ − A₂), com A₁, y₁ para a placa inteira e A₂, y₂ para o furo. Para o momento de inércia da área (segundo momento de área) em torno do eixo que passa pelo centroide, use o teorema dos eixos paralelos para cada parte e subtraia o furo: I = (Ic1 + A₁d₁²) − (Ic2 + A₂d₂²), em que d é a distância do centroide próprio de cada parte ao eixo que passa por ȳ. Um retângulo tem Ic = bh³/12 e um círculo Ic = πd⁴/64.
Centroide
ȳ = (30000·100 − 1963·80)/(30000 − 1963) = 101,4 mm
Placa inteira em torno de ȳ
150·200³/12 + 30000·−1,401² = 100,1 × 10⁶ mm⁴
Furo em torno de ȳ
π·50⁴/64 + 1963·−21,4² = 1,206 × 10⁶ mm⁴
Subtraia
Ix = 98,85 × 10⁶ mm⁴
Resposta
Ix = 98,85 × 10⁶ mm⁴
12.Centroide e momento de inércia
Resposta: σbase = 20,24 MPa
Áreas compostas: divida a seção em retângulos. O centroide é a média ponderada pelas áreas ȳ = ΣAᵢyᵢ/ΣAᵢ. O momento de inércia em relação ao eixo centroidal soma o bh³/12 próprio de cada parte e seu termo de eixos paralelos A·d², onde d é a distância do centroide da parte ao centroide geral. A tensão de flexão é σ = M·y/I.
Divida em dois retângulos
Meça todo y a partir da borda inferior.
mesa: Af = 240·10 = 2400 mm², yf = 240 + 10/2 = 245 mm
Tensão efetiva (Terzaghi): o esqueleto do solo suporta σ′ = σ − u. A tensão total σ é o peso de tudo acima do ponto, Σγ·h, usando o peso específico seco acima do lençol freático e o saturado abaixo dele. Abaixo do lençol freático a poropressão é hidrostática: u = γw·(profundidade abaixo do lençol freático).
Tensão total
Some o peso de cada faixa de solo acima de X. Acima do lençol freático use o peso específico seco, abaixo o saturado.
σ = γd·zw + γsat·(z − zw) = 15·2 + 20·7 = 170 kPa
Resposta
σ = 170 kPa
14.Tensão efetiva no solo
Resposta: σ = 173 kPa
Tensão efetiva (Terzaghi): o esqueleto do solo suporta σ′ = σ − u. A tensão total σ é o peso de tudo acima do ponto, Σγ·h, usando o peso específico seco acima do lençol freático e o saturado abaixo dele. Abaixo do lençol freático a poropressão é hidrostática: u = γw·(profundidade abaixo do lençol freático).
Tensão total
Some o peso de cada faixa de solo acima de X. Acima do lençol freático use o peso específico seco, abaixo o saturado.
σ = γd·4 + γsat,sand·2 + γsat,clay·4
σ = 15,5·4 + 20,5·2 + 17,5·4 = 173 kPa
Resposta
σ = 173 kPa
15.Recalque por adensamento
Resposta: S = 6,121 mm
Adensamento primário de uma camada de argila de espessura H, usando a tensão efetiva no meio da camada: σ′f = σ′0 + Δσ. Argila normalmente adensada: S = Cc·H/(1 + e0)·log₁₀(σ′f/σ′0). Uma argila pré-adensada se recomprime segundo Cr até a tensão de pré-adensamento σ′p e só segue Cc além dela. Tempo: t = Tv·Hdr²/cv, em que o caminho de drenagem Hdr é H/2 quando a água pode sair pelo topo e pela base, e H quando só um lado drena.
Comparar com a tensão de pré-adensamento
σ′f = 60 + 15 = 75 kPa ≤ 130 kPa
Recalque
A argila permanece na sua reta de recompressão.
S = Cr·H/(1 + e0)·log₁₀(σ′f/σ′0) = 0,02·6/(1 + 0,9)·log₁₀(75/60) = 6,121 mm
Resposta
S = 6,121 mm
16.Recalque por adensamento
Resposta: t = 5,038 anos
Adensamento primário de uma camada de argila de espessura H, usando a tensão efetiva no meio da camada: σ′f = σ′0 + Δσ. Argila normalmente adensada: S = Cc·H/(1 + e0)·log₁₀(σ′f/σ′0). Uma argila pré-adensada se recomprime segundo Cr até a tensão de pré-adensamento σ′p e só segue Cc além dela. Tempo: t = Tv·Hdr²/cv, em que o caminho de drenagem Hdr é H/2 quando a água pode sair pelo topo e pela base, e H quando só um lado drena.
Caminho de drenagem
Hdr = H = 5 m
Tempo
t = Tv·Hdr²/cv = 0,403·5²/2 = 5,038 anos
Resposta
t = 5,038 anos
17.Força hidrostática
Resposta: F = 85,84 kN
Força hidrostática em uma superfície plana: F = ρ·g·yc·A. Ela atua no centro de pressão, ycp = yc + Ic/(ycA), que sempre fica abaixo do centroide.
Profundidade do centroide e área
yc = d + H/2 = 0,5 + 2,5/2 = 1,75 m
A = H·b = 2,5·2 = 5 m²
Força resultante
F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·1,75·5 = 85,84 kN
Resposta
F = 85,84 kN
18.Força hidrostática
Resposta: F = 155,4 kN
Força hidrostática em uma superfície plana: F = ρ·g·yc·A. Ela atua no centro de pressão, ycp = yc + Ic/(ycA), que sempre fica abaixo do centroide.
Profundidade do centroide e área
yc = d + H/2 = 2 + 2/2 = 3 m
A = H·b = 2·3 = 6 m²
Força resultante
F = ρ·g·yc·A = 880·9,81·3·6 = 155,4 kN
Resposta
F = 155,4 kN
19.Atrito em tubulações e perda de carga
Resposta: hf = 25,69 m
Escoamento em tubulações: o número de Reynolds Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ distingue o escoamento laminar (Re abaixo de cerca de 2000) do turbulento (acima de cerca de 4000). O atrito ao longo de uma tubulação custa a perda de carga de Darcy–Weisbach hf = f·(L/D)·V²/(2g). Conexões, válvulas, a entrada e a saída acrescentam perdas localizadas hm = ΣK·V²/(2g). Entre duas superfícies livres de reservatórios, a equação da energia dá Δz = hf + hm, incluindo a perda na saída K = 1.
Carga cinética
V²/(2g) = 1,5²/(2·9,81) = 0,1147 m
Darcy–Weisbach
hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,028·(800/0,1)·1,5²/(2·9,81) = 25,69 m
Resposta
hf = 25,69 m
20.Atrito em tubulações e perda de carga
Resposta: H = 7,959 m
Escoamento em tubulações: o número de Reynolds Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ distingue o escoamento laminar (Re abaixo de cerca de 2000) do turbulento (acima de cerca de 4000). O atrito ao longo de uma tubulação custa a perda de carga de Darcy–Weisbach hf = f·(L/D)·V²/(2g). Conexões, válvulas, a entrada e a saída acrescentam perdas localizadas hm = ΣK·V²/(2g). Entre duas superfícies livres de reservatórios, a equação da energia dá Δz = hf + hm, incluindo a perda na saída K = 1.
Velocidade
V = Q/A = 0,075/0,03142 = 2,387 m/s
V²/(2g) = 0,2905 m
Coeficientes de perda
f·L/D = 0,015·200/0,2 = 15
ΣK = 0,5 + 3·0,3 + 10 = 11,4
Equação da energia
O jato na saída ainda carrega sua carga cinética; ela não é uma perda, mas precisa ser fornecida.
H = (1 + 15 + 11,4)·0,2905 = 7,959 m
Resposta
H = 7,959 m
21.Escoamento em canais abertos (Manning)
Resposta: Q = 4,216 m³/s
Equação de Manning (SI): para escoamento uniforme em um canal aberto V = (1/n)·R2/3·S1/2 e Q = A·V, com n o coeficiente de rugosidade, S a declividade do fundo (m/m) e R = A/P o raio hidráulico: área de escoamento dividida pelo perímetro molhado. Só o contorno em contato com a água conta em P, e não a superfície livre. Retângulo: A = b·y, P = b + 2y. Trapézio com taludes z:1 (horizontal:vertical): A = (b + z·y)·y, P = b + 2y·√(1 + z²). Um tubo circular cheio ou meio cheio tem R = D/4.
Geometria
A = (b + z·y)·y = (1,5 + 1·0,7)·0,7 = 1,54 m²
P = b + 2y·√(1 + z²) = 1,5 + 2·0,7·√(1 + 1²) = 3,48 m
R = A/P = 0,4425 m
Velocidade
V = (1/0,015)·0,44252/3·0,0051/2 = 2,738 m/s
Vazão
Q = A·V = 1,54·2,738 = 4,216 m³/s
Resposta
Q = 4,216 m³/s
22.Escoamento em canais abertos (Manning)
Resposta: S = 0,003006 m/m
Equação de Manning (SI): para escoamento uniforme em um canal aberto V = (1/n)·R2/3·S1/2 e Q = A·V, com n o coeficiente de rugosidade, S a declividade do fundo (m/m) e R = A/P o raio hidráulico: área de escoamento dividida pelo perímetro molhado. Só o contorno em contato com a água conta em P, e não a superfície livre. Retângulo: A = b·y, P = b + 2y. Trapézio com taludes z:1 (horizontal:vertical): A = (b + z·y)·y, P = b + 2y·√(1 + z²). Um tubo circular cheio ou meio cheio tem R = D/4.
Raio hidráulico
R = D/4 = 0,3/4 = 0,075 m
Resolver Manning para S
S = (n·V/R2/3)² = (0,013·0,75/0,1778)² = 0,003006
Resposta
S = 0,003006
Isso é um desnível de 3,006 m por quilômetro.
23.Bombas e potência de bombas
Resposta: Pshaft = 28,45 kW
Potência de bombas: a potência fornecida à água é a potência hidráulica Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp. O eixo precisa fornecer mais porque a bomba perde parte dela: Pshaft = Ph/ηpump, e o motor consome Pel = Pshaft/ηmotor. A altura manométrica H da bomba decorre da equação da energia: desnível geométrico + carga de pressão + todas as perdas por atrito e localizadas.
Potência hidráulica
Ph = ρ·g·Q·H = 1000·9,81·0,03·58 = 17,07 kW
Potência no eixo
Pshaft = Ph/η = 17,07/0,6 = 28,45 kW
Resposta
Pshaft = 28,45 kW
24.Bombas e potência de bombas
Resposta: H = 42,65 m
Potência de bombas: a potência fornecida à água é a potência hidráulica Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp. O eixo precisa fornecer mais porque a bomba perde parte dela: Pshaft = Ph/ηpump, e o motor consome Pel = Pshaft/ηmotor. A altura manométrica H da bomba decorre da equação da energia: desnível geométrico + carga de pressão + todas as perdas por atrito e localizadas.
As duas superfícies estão praticamente em repouso, então não há termo de carga cinética.
H = Δz + p/(ρ·g) + hL = 16 + 20,39 + 6,267 = 42,65 m
Resposta
H = 42,65 m
25.Valor temporal do dinheiro
Resposta: FV = 46793 €
Valor temporal do dinheiro: o dinheiro hoje vale mais do que a mesma quantia no futuro, porque pode render juros. Com uma taxa i por período, um montante cresce para FV = PV·(1 + i)n. Uma série de pagamentos iguais (uma renda) avalia-se somando cada pagamento, o que dá as fórmulas das rendas.
Expoente
r·t = 0,05·17 = 0,85
e0,85 = 2,34
Valor futuro
FV = 20 000·2,34 = €46 792,94
Resposta
FV = €46 792,94
26.Valor temporal do dinheiro
Resposta: FV = 32659 €
Valor temporal do dinheiro: o dinheiro hoje vale mais do que a mesma quantia no futuro, porque pode render juros. Com uma taxa i por período, um montante cresce para FV = PV·(1 + i)n. Uma série de pagamentos iguais (uma renda) avalia-se somando cada pagamento, o que dá as fórmulas das rendas.
Valor atual líquido: desconte cada fluxo de caixa até hoje com a rendibilidade exigida r e some-os: NPV = Σ CFₜ/(1 + r)ᵗ. Um projeto com NPV > 0 rende mais do que r e cria valor. A taxa interna de rendibilidade (TIR) é a taxa para a qual NPV = 0.
Valor atual de cada fluxo
CF0 = −60 000
CF1/(1 + 0,06)1 = 23 000/1,06 = 21 698,11
CF2/(1 + 0,06)2 = 15 000/1,124 = 13 349,95
CF3/(1 + 0,06)3 = 15 000/1,191 = 12 594,29
CF4/(1 + 0,06)4 = 21 000/1,262 = 16 633,97
Somar
NPV = €4 276,32
Resposta
NPV = €4 276,32
O VAL é positivo, logo o projeto rende mais do que a rendibilidade exigida.
28.VAL e TIR
Resposta: MIRR = 18,45 %
TIR modificada: capitalize cada entrada até o final do projeto à taxa de reinvestimento (normalmente o custo de capital) para obter o valor terminal TV. A TIRM é a taxa que transforma o investimento inicial em TV: MIRR = (TV/C₀)^(1/n) − 1.
Valor terminal das entradas
28 000·1,083 = 35 271,94
23 000·1,082 = 26 827,20
16 500·1,081 = 17 820,00
18 500·1,080 = 18 500,00
TV = 98 419,14
MIRR
MIRR = (98 419,14/50 000)1/4 − 1 = 18,45%
Resposta
MIRR = 18,45%
29.Distribuição normal
Resposta: P = 0,1562
Somas e diferenças de variáveis normais: se X e Y são independentes e normais, X + Y e X − Y também são normais. As médias se somam ou se subtraem: E(X ± Y) = μX ± μY. As variâncias sempre se somam, também em uma diferença: Var(X ± Y) = σX² + σY², portanto σ = √(σX² + σY²). Os desvios padrão nunca se somam diretamente. O total de n itens independentes com a mesma distribuição tem média n·μ e desvio padrão σ·√n. Depois padronize como de costume: z = (x − média)/σ e leia Φ(z).
Distribuição do total
μT = 250 kg, σT = 0,5·√10 = 1,581 kg
Padronizar
z = (248,4 − 250)/1,581 = −1,01
Probabilidades
P = Φ(−1,01) = 0,1562
Resposta
P = 0,1562
30.Distribuição normal
Resposta: x = 566 h
De uma área de volta a z: Φ(z) é a área à esquerda de z. Para uma área de cauda esquerda A, encontre na tabela o z com Φ(z) = A. Uma área de cauda direita A significa Φ(z) = 1 − A. Uma área central A entre −z e z deixa (1 − A)/2 em cada cauda, então Φ(z) = (1 + A)/2. Para um valor x, use x = μ + zσ.
Área à esquerda
Φ(z) = 0,95
z da tabela
z ≈ 1,64
De volta às unidades originais
x = 500 + 1,64·40 = 566 h
Resposta
x = 566 h
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