Onde a demonstração não é deixada como exercício para o leitor.

Exercício 2, Capítulo 1, Curso de Física Básica Vol. 2: manômetro de reservatório

Moysés Nussenzveig

Curso de Física Básica – 4a Edição

Capítulo 1: Estática dos Fluidos

Exercício 2:

Enunciado:

No manômetro de reservatório (Fig. P.2), calcula a diferença de pressão $p_1 – p_2$ entre os dois ramos em função da densidade $\rho$ do fluido, dos diâmetros $d$ e $D$ e da altura… para ter acesso ao enunciado completo, cheque a disponibilidade do livro na biblioteca da sua instituição de ensino. O livro também pode ser adquirido através desse link.

Dados relevantes fornecidos no enunciado:

  • Ramo esquerdo: diâmetro $D$, distância $H$ de $N_0$;
  • Ramo direito: diâmetro $d$, distância $h$ de $N_0$;
  • O sistema está em equilíbrio em $N_0$
  • Item único:

    Na situação do equilíbrio, a pressão do lado esquerdo é igual a do lado direito. No caso do lado esquerdo, não há coluna de líquido, logo a pressão é simplesmente $p_1$.

    No lado direito, a pressão é dada pela soma de $p_2$, mais a pressão da coluna de líquido de altura $h + H$, de forma que podemos escrever:

    $$
    p = p_2 + \rho g (h + H)
    \tag{1}$$

    Logo, nós podemos escrever a seguinte expressão:

    $$
    p_1 = p_2 + \rho g (h + H)
    \tag{2}$$

    Para determinarmos a diferença de pressão como pede o exercício, devemos eliminar $H$ da equação acima. Pela descrição dada no enunciado, quando o fluido está no nível $N_0$, o nível do ramo esquerdo aumenta $H$, e do lado direito diminui $h$. Em outras palavras, existe uma variação de volume proporcional a $H$ do lado esquerdo, que é igual a variação de volume do lado esquerdo, que é proporcional a $h$. Sabendo que o exercício fala em diâmetro dos tubos, podemos então considerá-los cilindros, sendo assim podemos escrever as variações de volume da seguinte forma:

    $$
    \Delta V_{esq} = \Delta V_{dir} = \frac{\pi D^2 H}{4} = \frac{\pi d^2 h}{4}
    \tag{3}$$

    O que resulta em:

    $$
    H = h \frac{d^2}{D^2}
    \tag{4}$$

    Sendo assim, podemos subistituir na equação 2:

    $$
    p_1 = p_2 + \rho g (h + h \frac{d^2}{D^2})
    \tag{5}$$

    Portanto o resultado é:

    $$
    \boxed{p_1 – p_2 = \rho g h(1 + \frac{d^2}{D^2})}
    \tag{6}$$

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