Hidráulica

Hidráulica e outros estudos [1]
Um canal aberto , com profundidade uniforme. A hidráulica de canal aberto lida com fluxos uniformes e não uniformes.
Ilustração de hidráulica e hidrostática, da "Tabela de Hidráulica e Hidrostática", da Cyclopædia, ou Dicionário Universal de Artes e Ciências , editado por Ephraim Chambers , 1728, Vol. 1

Hidráulica (do grego antigo ὕδωρ ( húdōr )  ' água ', e αὐλός ( aulós )  ' tubo ') [2] é uma tecnologia e ciência aplicada que utiliza engenharia , química e outras ciências que envolvem as propriedades mecânicas e o uso de líquidos . Em um nível muito básico, a hidráulica é a contraparte líquida da pneumática , que diz respeito aos gases . A mecânica dos fluidos fornece a base teórica para a hidráulica, que se concentra na engenharia aplicada utilizando as propriedades dos fluidos. Em suas aplicações de energia fluida , a hidráulica é usada para geração, controle e transmissão de energia pelo uso de líquidos pressurizados . Os tópicos hidráulicos abrangem algumas partes da ciência e a maioria dos módulos de engenharia, e abrangem conceitos como fluxo de tubulações , projeto de barragens , fluídica e circuitos de controle de fluidos. Os princípios da hidráulica são usados ​​naturalmente no corpo humano, no sistema vascular e no tecido erétil . [3] [4]

Hidráulica de superfície livre é o ramo da hidráulica que trata do fluxo de superfície livre , como o que ocorre em rios , canais , lagos , estuários e mares . Seu subcampo fluxo em canal aberto estuda o fluxo em canais abertos .

História

Eras antigas e medievais

Rodas d'água

Os primeiros usos da energia hídrica remontam à Mesopotâmia e ao antigo Egito , onde a irrigação era usada desde o 6º milênio a.C. e os relógios de água eram usados ​​desde o início do 2º milênio a.C.. Outros exemplos iniciais de energia hídrica incluem o sistema Qanat na antiga Pérsia e o sistema de água Turpan na antiga Ásia Central.

Império Persa e Urartu

No Império Persa ou em entidades anteriores na Pérsia, os persas construíram um intrincado sistema de moinhos de água, canais e barragens conhecido como Sistema Hidráulico Histórico de Shushtar . O projeto, iniciado pelo rei aquemênida Dario, o Grande , e concluído por um grupo de engenheiros romanos capturados pelo rei sassânida Shapur I , [5] foi referido pela UNESCO como "uma obra-prima de gênio criativo". [5] Eles também foram os inventores [6] do Qanat , um aqueduto subterrâneo, por volta do século IX aC. [7] Vários dos grandes e antigos jardins do Irã foram irrigados graças aos Qanats. [8]

O Qanat se espalhou para áreas vizinhas, incluindo as terras altas da Armênia . Ali, a partir do início do século VIII a.C., o Reino de Urartu empreendeu obras hidráulicas significativas, como o canal Menua . [9] [7] [10]

As primeiras evidências de rodas d'água e moinhos de água datam do antigo Oriente Próximo no século 4 aC, [11] especificamente no Império Persa antes de 350 aC, nas regiões do Iraque , Irã , [12] e Egito . [13]

China

Na China antiga havia Sunshu Ao (século VI aC), Ximen Bao (século V aC), Du Shi (cerca de 31 dC), Zhang Heng (78 - 139 dC) e Ma Jun (200 - 265 dC), enquanto medieval A China teve Su Song (1020 – 1101 DC) e Shen Kuo (1031–1095). Du Shi empregou uma roda d'água para acionar o fole de um alto-forno que produzia ferro fundido . Zhang Heng foi o primeiro a empregar a hidráulica para fornecer força motriz na rotação de uma esfera armilar para observação astronômica . [14] [15]

Sri Lanka

Fosso e jardins em Sigiriya

No antigo Sri Lanka, a hidráulica era amplamente utilizada nos antigos reinos de Anuradhapura e Polonnaruwa . [16] A descoberta do princípio da torre de válvula, ou poço de válvula, (Bisokotuwa em cingalês) para regular o escape de água é creditada à engenhosidade de mais de 2.000 anos atrás. [17] No primeiro século DC, várias obras de irrigação em grande escala foram concluídas. [18] Macro e micro-hidráulica para atender às necessidades domésticas de horticultura e agricultura, drenagem superficial e controle de erosão, cursos de água ornamentais e recreativos e estruturas de retenção e também sistemas de resfriamento estavam em funcionamento em Sigiriya , Sri Lanka. O coral na rocha maciça do local inclui cisternas para coleta de água. Grandes reservatórios antigos do Sri Lanka são Kalawewa (Rei Dhatusena), Parakrama Samudra (Rei Parakrama Bahu), Tisa Wewa (Rei Dutugamunu), Minneriya (Rei Mahasen)

Mundo greco-romano

Na Grécia Antiga , os gregos construíram sofisticados sistemas de água e energia hidráulica. Um exemplo é a construção pela Eupalinos , em regime de empreitada pública, de um canal de irrigação para Samos , o Túnel dos Eupalinos . Um dos primeiros exemplos do uso da roda hidráulica, provavelmente o mais antigo na Europa, é a roda Perachora (século III aC). [19]

No Egito greco-romano , é notável a construção dos primeiros autômatos de máquinas hidráulicas por Ctesíbio (floresceu c. 270 a.C.) e Herói de Alexandria (c. 10-80 d.C.). Hero descreve várias máquinas de trabalho que utilizam energia hidráulica, como a bomba de força , que é conhecida em muitos sítios romanos como tendo sido usada para levantar água e em carros de bombeiros. [20]

Aqueduto de Segóvia , uma obra-prima do século I d.C.

No Império Romano foram desenvolvidas diferentes aplicações hidráulicas, incluindo abastecimento público de água, inúmeros aquedutos , energia através de moinhos de água e mineração hidráulica . Eles foram os primeiros a utilizar o sifão para transportar água pelos vales e usaram o silenciamento em grande escala para prospectar e extrair minérios metálicos . Eles usaram amplamente o chumbo em sistemas de encanamento para abastecimento doméstico e público, como fontes térmicas de alimentação . [ carece de fontes ]

A mineração hidráulica foi utilizada nas jazidas de ouro do norte da Espanha, que foi conquistada por Augusto em 25 aC. A mina de ouro aluvial de Las Medulas era uma das maiores de suas minas. Pelo menos sete longos aquedutos funcionavam nele, e os cursos de água eram usados ​​para erodir os depósitos moles e depois lavar os rejeitos para obter o valioso conteúdo de ouro. [21] [22]

Mundo árabe-islâmico

No mundo muçulmano durante a Idade de Ouro Islâmica e a Revolução Agrícola Árabe (séculos VIII-XIII), os engenheiros fizeram amplo uso da energia hidrelétrica, bem como dos primeiros usos da energia das marés , [23] e grandes complexos fabris hidráulicos. [24] Uma variedade de moinhos industriais movidos a água foram usados ​​​​no mundo islâmico, incluindo moinhos de enchimento, moinhos , moinhos de papel , descascadores , serrarias , moinhos de navios , moinhos de carimbos , siderúrgicas , moinhos de açúcar e moinhos de maré . No século XI, todas as províncias do mundo islâmico tinham estas fábricas industriais em funcionamento, desde Al-Andalus e Norte de África até ao Médio Oriente e Ásia Central . [25] Engenheiros muçulmanos também usaram turbinas hidráulicas , empregaram engrenagens em moinhos de água e máquinas de captação de água, e foram pioneiros no uso de barragens como fonte de energia hídrica, usadas para fornecer energia adicional a moinhos de água e máquinas de captação de água. [26]

Al-Jazari (1136–1206) descreveu projetos para 50 dispositivos, muitos deles movidos a água, em seu livro, O Livro do Conhecimento de Dispositivos Mecânicos Engenhosos , incluindo relógios de água, um dispositivo para servir vinho e cinco dispositivos para levantar água. de rios ou piscinas. Isso inclui uma correia sem fim com jarros acoplados e um dispositivo alternativo com válvulas articuladas. [27]

As primeiras máquinas programáveis ​​eram dispositivos movidos a água desenvolvidos no mundo muçulmano. Um sequenciador de música , um instrumento musical programável , foi o primeiro tipo de máquina programável. O primeiro sequenciador de música foi um flautista automatizado movido a água inventado pelos irmãos Banu Musa , descrito em seu Livro de Dispositivos Engenhosos , no século IX. [28] [29] Em 1206, Al-Jazari inventou autômatos/ robôs programáveis ​​movidos a água . Ele descreveu quatro músicos autômatos , incluindo bateristas operados por uma bateria eletrônica programável , onde eles poderiam tocar diferentes ritmos e diferentes padrões de bateria. [30]

Era moderna (c. 1600-1870)

Benedetto Castelli e a Hidráulica Italiana

Em 1619, Benedetto Castelli , aluno de Galileu Galilei , publicou o livro Della Misura dell'Acque Correnti ou "Sobre a Medição de Águas Correntes", um dos fundamentos da hidrodinâmica moderna. Ele serviu como consultor-chefe do Papa em projetos hidráulicos, ou seja, gestão de rios nos Estados Papais, começando em 1626. [31]

A ciência e a engenharia da água na Itália de 1500 a 1800 em livros e manuscritos são apresentadas em um catálogo ilustrado publicado em 2022. [32]

Blaise Pascal

Blaise Pascal (1623–1662) estudou hidrodinâmica e hidrostática de fluidos, centrado nos princípios dos fluidos hidráulicos. Sua descoberta sobre a teoria por trás da hidráulica levou à invenção da prensa hidráulica , que multiplicava uma força menor agindo sobre uma área menor na aplicação de uma força maior totalizada sobre uma área maior, transmitida através da mesma pressão (ou mudança exata de pressão ) em ambos os locais. A lei ou princípio de Pascal afirma que para um fluido incompressível em repouso, a diferença de pressão é proporcional à diferença de altura, e esta diferença permanece a mesma quer a pressão geral do fluido seja alterada ou não pela aplicação de uma força externa. Isto implica que ao aumentar a pressão em qualquer ponto de um fluido confinado, há um aumento igual em todas as outras extremidades do recipiente, ou seja, qualquer mudança na pressão aplicada em qualquer ponto do líquido é transmitida inalterada através dos fluidos.

Jean Léonard Marie Poiseuille

Um médico francês, Poiseuille (1797-1869) pesquisou o fluxo de sangue através do corpo e descobriu uma importante lei que rege a taxa de fluxo com o diâmetro do tubo no qual o fluxo ocorria. [33] [ carece de fontes ]

No Reino Unido

Várias cidades desenvolveram redes de energia hidráulica em toda a cidade no século XIX, para operar máquinas como elevadores, guindastes, cabrestantes e similares. Joseph Bramah [34] (1748–1814) foi um dos primeiros inovadores e William Armstrong [35] (1810–1900) aperfeiçoou o aparelho para fornecimento de energia em escala industrial. Em Londres, a London Hydraulic Power Company [36] era um importante fornecedor dos seus tubos que atendiam grande parte do West End de Londres , da City e das Docas , mas havia esquemas restritos a empresas individuais, como docas e pátios de mercadorias ferroviárias .

Modelos hidráulicos

Depois que os alunos entendem os princípios básicos da hidráulica, alguns professores usam uma analogia hidráulica para ajudar os alunos a aprender outras coisas. Por exemplo:

  • O computador MONIAC ​​utiliza água fluindo através de componentes hidráulicos para ajudar os alunos a aprender sobre economia.
  • A analogia termo-hidráulica utiliza princípios hidráulicos para ajudar os alunos a aprender sobre circuitos térmicos.
  • A analogia eletrônico-hidráulica utiliza princípios hidráulicos para ajudar os alunos a aprender sobre eletrônica.

A conservação da exigência de massa combinada com a compressibilidade do fluido produz uma relação fundamental entre pressão, fluxo de fluido e expansão volumétrica, conforme mostrado abaixo: [37]

Assumindo um fluido incompressível ou uma relação "muito grande" de compressibilidade em relação ao volume de fluido contido, uma taxa finita de aumento de pressão requer que qualquer fluxo líquido no volume de fluido coletado crie uma alteração volumétrica.

Veja também

Notas

  1. ^ NEZU Iehisa (1995), Suirigaku, Ryutai-rikigaku , Asakurae Shoten, p. 17, ISBN 978-4-254-26135-6.
  2. ^ Chisholm, Hugh , ed. (1911). “Hidráulica”  . Enciclopédia Britânica . Vol. 14 (11ª ed.). Cambridge University Press. pág. 35.
  3. ^ "O Sistema Circulatório: A Hidráulica do Coração Humano" . 1º de maio de 2017. Arquivado do original em 1º de maio de 2017 . Recuperado em 19 de março de 2019 .
  4. ^ Meldrum, David R.; Burnett, Arthur L.; Dorey, Graça; Esposito, Katherine; Ignarro, Louis J. (2014). "Hidráulica erétil: maximizando o fluxo de entrada e minimizando o fluxo de saída". O Jornal de Medicina Sexual . 11 (5): 1208–20. doi :10.1111/jsm.12457. PMID24521101  .
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Referências

  • Rāshid, Rushdī; Morelon, Régis (1996), Enciclopédia da história da ciência árabe , Londres: Routledge, ISBN 978-0-415-12410-2.

links externos

  • Princípio e Hidráulica de Pascal (cópia arquivada)
  • O princípio da hidráulica
  • Biblioteca de mídia da IAHR Recurso Web de fotos, animações e vídeos
  • Equações hidráulicas básicas
  • Notas do curso de hidráulica do MIT
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