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Aula 0
Leonardo
NOÇÕES DE HIDROLOGIA
E HIDRÁULICA
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NOÇÕES DE HIDROLOGIA E HIDRÁULICA
ENGENHEIRO AGRONÔMO
Olá, meus amigos e amigas!
Vamos iniciar mais um curso focado na prefeitura de Valinhos, ótimo
salário para engenheiro agrônomo, vamos fazer uma breve apresentação -
Meu nome é Leonardo, sou Engenheiro Agrônomo formado na Universidade
Federal de Lavras. Trabalho há mais de 10 anos na Emater-MG (Empresa
de Assistência Técnica e Extensão Rural do Estado de Minas Gerais). Tenho
pós-graduação Lato Sensu em Extensão Ambiental para o Desenvolvimento
Sustentável e em Gestão de Agronegócio. Iniciei o mestrado em Agricultura
Tropical, na área de conservação de solos. Atualmente sou mestrando de
na área de olericultura no IF DE MORRINHOS GO. Fui professor do curso
técnico agrícola Pronatec, ministrei aulas de nutrição e forragicultura,
fertilidade do solo e culturas anuais e olericultura.
Sou professor de matemática e física do ensino médio. Ministro
vários cursos para agricultura familiar, entre eles fertilidade do solo,
culturas anuais, olericultura, mecanização agrícola, cafeicultura e manejo
da bovinocultura de leite. Trabalho com crédito rural (custeio e
investimento), elaborando projeto e prestando orientação aos agricultores
há 10 anos. Sou responsável pela elaboração da Declaração de Aptidão ao
Programa Nacional de Fortalecimento da Agricultura Familiar (DAP) e
correspondente bancário pelo sistema COPAN.
Fiz vários concursos, como Adagro-Pe (agência de
fiscalização agropecuária de Pernambuco), Perito da Policia Federal área 4
– agronomia, Ministério Público e Ibama. Logrei êxitos em alguns e fui
reprovado em outros, mas assim é a vida do concurseiro. Passei na
Emater-MG, onde estou até hoje. O AGRONOMIACONCURSOS tornou-se o
nosso ponto de encontro, nosso espaço de estudo para gabaritar todas as
provas de agronomia. Aproveite todas as oportunidades.
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ENGENHEIRO AGRONÔMO
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NOÇÕES DE HIDROLOGIA E HIDRÁULICA
ENGENHEIRO AGRONÔMO
A Hidrologia pode ser entendida como a ciência que estuda a água,
como a própria origem da palavra indica (do grego): hidrologia = hydor
(―água‖) + logos (―ciência‖ ou ―estudo‖). Entretanto, uma boa definição
adotada por vários autores é a seguinte:
―Hidrologia é a ciência que trata da água na Terra, sua
ocorrência, circulação e distribuição, suas propriedades físicas e
químicas e sua reação com o meio ambiente, incluindo sua relação
com as formas vivas‖ (Definição do U.S. Federal Council of Service
and Technology, citada por Chow, 1959, apud Tucci, 2000).
Lencastre e França (1984) destaca entre outros aspectos que a
Hidrologia é importante por atuar no controle de cheias e por ―procurar
controlar, sobretudo a parte da precipitação que influi à rede hidrográfica,
tirando benefícios do ciclo hidrológico natural‖. Ele destaca ainda que as
componentes do ciclo hidrológico de maior interesse da Hidrologia são a
precipitação e o escoamento superficial.
Assim, a ciência hidrológica está diretamente relacionada aos
desastres naturais ocasionados principalmente por inundações/enchentes e
secas e, indiretamente, com os movimentos de massa, a erosão e o
assoreamento. Neste ínterim, a ciência hidrológica passa a ter grande
importância na tomada de decisão, no sentido de prevenir e minimizar os
efeitos provocados pelos desastres naturais no mundo e, principalmente,
no Brasil.
Dentro deste contexto, ela pode ser dividida em:
Hidrometeorologia: estudo da água na atmosfera;
HIDROLOGIA
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Hidrologia de Superfície: estudo das águas superficiais, dividindo-se
em:
Limnologia: estudo d água em lagos e reservatórios;
Potamologia: estudo água em arroios e rios;
Glaciologia: estudo da água na forma de gelo e neve na natureza;
Hidrogeologia: estudo das águas subterrâneas;
Com a incorporação da visão holística, incluindo os aspectos ambientais,
a Hidrologia vem se aprofundando e se subdividindo em subáreas do
conhecimento, como por exemplo:
Geomorfologia: avaliação do relevo de bacias hidrográficas de forma
quantitativa;
Interceptação vegetal: análise da influência da cobertura vegetal na
interceptação da chuva;
Infiltração: processo altamente influenciado pelo manejo do solo,
determinante da intensidade de escorrimento superficial e por
indiretamente da erosão hídrica;
Evaporação e Evapotranspiração: avalia a transferência de água para
atmosfera, desde a superfície do solo, vegetação ou dos espelhos de
água;
Sedimentologia – estudo da produção de sedimento e de seu
transporte sobre as encostas e canais de drenagem: análise da
influência da água no contexto da erosão em bacias hidrográficas;
Qualidade da água e meio ambiente: quantifica a qualidade da água
por meio de parâmetros físicos, químicos e biológicos.
HISTÓRICO DA HIDROLOGIA
A importância da água na história da humanidade é identificada
quando se observa que os povos e civilizações se desenvolveram às
margens de corpos d’água, como rios e lagos. Diversos autores citam
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registros de que no Egito Antigo, na época dos faraós, existiram obras de
irrigação e drenagem. Também na Mesopotâmia, na região conhecida como
Crescente Fértil, entre os rios Tigre e Eufrates, a água já era usada para
irrigação. Os filósofos gregos são considerados os primeiros a estudar a
hidrologia como ciência. Por exemplo, Anaxágoras, que viveu entre 500 e
428 a. C, tinha conhecimento de que as chuvas eram importantes na
manutenção do equilíbrio hídrico na Terra.
Marcus Vitruvius (século I a.C) apresentou os primeiros conceitos do
ciclo hidrológico, como é entendido atualmente. Muitos dos filósofos antigos
imaginavam que a água que passa nos rios nos períodos sem chuva tinha
origem nos oceanos. Leonardo da Vinci, no século XVI, aprimorou os
conceitos do ciclo hidrológico e Perrault, no século XVII, comprovou com a
medição de vazão no rio Sena que a origem da água nos rios era devido à
precipitação. Bernoulli, no século XVIII, apresentou a sua importante
equação da energia do escoamento. Darcy, no século XIX, apresentou a
equação de escoamento em meio saturado (escoamento subterrâneo).
Até a década de 1950 foram desenvolvidos vários métodos
quantitativos de diferentes processos hidrológicos, como o método de
Gumbel para ajuste da distribuição estatística de extremos (vazões
máximas), a equação de Horton para infiltração da água no solo, método
baseado no balanço de energia para cálculo de evaporação (Penanm), entre
outros. Eram procedimentos analíticos que estimavam os processos de
forma concentrada (equação de Muskingum para escoamento de rios, em
1939), método de Pulz (para propagação em reservatórios). Nesta fase, a
limitação do uso de métodos desenvolvidos como as equações de Saint-
Venant (final do século 19) era a capacidade de cálculo.
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CICLO HIDROLÓGICO E BALANÇO HÍDRICO
A quantidade total de água existente na Terra, nas suas três fases,
sólida, líquida e gasosa, se tem mantido constante, desde o aparecimento
do Homem. Distribuem-se por três reservatórios principais, os oceanos, os
continentes e a atmosfera, entre os quais existe uma circulação contínua -
Ciclo Hidrológico (PINTO et. al., 1979; WARD e ROBINSON, 2000; LIMA,
2008). Nas formas líquidas e sólidas a água cobre mais de 2/3 da superfície
terrestre, e na forma gasosa é constituinte variável da atmosfera (podendo
ocupar até 4% de todo seu volume). Sob tais condições, o vapor de água,
ocorrendo se concentra em maior quantidade nas regiões tropicais e nas
camadas mais baixas da atmosfera (CAMARGO, 2005).
A água é, portanto, constituída de moléculas que se atraem pela
força de coesão. Essas moléculas no estado líquido estão em constante
movimentação, movendo-se verticalmente no sentido da atmosfera
terrestre e horizontalmente no sentido da superfície terrestre. Essa
agitação molecular é proporcional à energia ou à temperatura da água. Se
a temperatura aumentar, as moléculas mais agitadas da superfície tendem
a escapar da massa líquida e ficar livres na atmosfera, em estado gasoso.
Se a temperatura da água líquida diminuir, a movimentação das moléculas
também diminui. Se chegar a zero grau centígrado, as moléculas serão
fixadas e a água solidificará, formando o gelo.
Assim, o Ciclo Hidrológico é constituido de uma sucessão de vários
processos na natureza pelos quais a água inicia o seu caminho indo de um
estágio inicial até retornar a posição primitiva. Este fenômeno global de
circulação fechada da água entre a superfície terrestre e a atmosfera, é
impulsionado fundamentalmente pela energia radiante e associado à
gravidade e à rotação terrestre. Estima-se que cerca de 10% do total de
vapor seja reciclado diariamente. A superfície terrestre abrange os
continentes e os oceanos, participando do ciclo hidrológico a camada
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porosa que recobre os continentes (solos, rochas) e o reservatório formado
pelos lagos, rios e oceanos.
Desta forma, temos parte do ciclo hidrológico constituído pela
circulação de água na própria superfície terrestre, isto é; a circulação de
água no interior e na superfície dos solos e rochas, nos lagos e demais
superfícies líquidas e nos seres vivos (animais e vegetais). O intercâmbio
entre as circulações da superfície terrestre e da atmosfera ocorre em dois
sentidos:
a) No sentido superfície-atmosfera, onde o fluxo de água ocorre
fundamentalmente na forma de evaporação das águas oceânicas e
evapotranspiração continental;
b) No sentido atmosfera-superfície, onde a transferência ocorre em
qualquer estado físico, sendo mais significativas, em termos globais, as
precipitações pluviométricas, o granizo e a neve (Figura 1):
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Figura 1 – Representação do ciclo hidrológico
Assim, o ciclo da água envolve vários e complicados processos
hidrológicos podendo ser descrito por sete processos distintos, ou seja:
evaporação, precipitação, interceptação, transpiração, infiltração,
percolação, escoamento superficial
EVAPOTRANSPIRAÇÃO
Na natureza ao conjunto de fenômenos que transformam em
vapor a água precipitada sobre as superfícies continentais e sobre a dos
mares, dos lagos, dos rios e dos reservatórios, denomina-se evaporação.
Muito embora o vapor de água possa ser formado diretamente, a partir da
sublimação das geleiras, o interesse climatológico está mais concentrado
nas mudanças de fase do líquido para o vapor.
Evaporação - conjunto de fenômenos físicos que condicionam a
transformação da água na forma líquida ou sólida, de uma superfície
úmida ou de água livre, em vapor, devido à radiação solar e aos
processos de difusão molecular e turbulenta. Além da radiação solar,
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outros elementos meteorológicos tais como: temperatura do ar,
vento e pressão de vapor, também interferem na evaporação
principalmente em superfícies líquidas.
Transpiração - Perda de água para a atmosfera na forma de vapor
através dos estômatos e cutículas das plantas, decorrente das ações
físicas e fisiológicas dos vegetais, e dependentes da disponibilidade
de energia da água disponível no solo e governada pela resistência
dos estômatos. Este processo global de circulação fechada e perpétua
da água entre a superfície terrestre e a atmosfera, é impulsionado
pela energia radiante, forças do vento e associado às forças da
gravidade terrestre.
Na natureza o solo, as plantas e a atmosfera podem ser consideradas
como componentes de um sistema fisicamente inter-relacionado e
dinâmico, no qual processos de fluxo estão interligados como elos de uma
corrente (REICHARDT, 1990). Neste sistema, é importante e aplicável o
conceito de potencial hídrico, ou seja, o fluxo de água se move dos locais
de maior potencial para os de menor potencial. Ou seja, o fluxo sempre se
dirige em direção do gradiente de potencial negativo. A quantidade de água
transpirada diariamente é grande em relação às trocas de água na planta,
de modo que se pode considerar o fluxo através da planta, em curtos
períodos de tempo, como um processo em regime permanente. As
diferenças de potencial, em distintos pontos dentro do ecossistema são
proporcionais à resistência do fluxo. A menor resistência ao fluxo é
encontrada na planta. E a maior resistência é detectada, no fluxo das folhas
para atmosfera, devido à mudança do estado líquido para o vapor. A
passagem para atmosfera ocorre através dos estômatos localizados nas
folhas.
O transporte de água desde as folhas até o ar atmosférico ocorre
também por difusão de vapor, sendo o mesmo proporcional a tensão do
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vapor de água. A umidade relativa do ar, ou seja, a relação entre a tensão
real e a de saturação de vapor, relaciona-se exponencialmente com o
potencial hídrico da planta (REICHARDT, 1990). Assim a evaporação e a
transpiração representam uma fração significativa do movimento da água
através do Ciclo Hidrológico. Dentro de um contexto de uma pesquisa
hidrológica, se comparados com o escoamento superficial, a evaporação e a
transpiração não são variáveis muito importantes. Todavia, em se tratando
de outro tipo de estudo a evaporação passa a fazer parte da equação das
perdas, representando uma pequena fração das perdas durante as
precipitações. Embora alcance, em projetos de grandes reservatórios, um
processo de grande relevância.
Diante do exposto, a Evapotranspiração é definida pelo conjunto de
processos físicos (evaporação) e fisiológicos (transpiração) responsáveis
pela transformação em vapor atmosférico a água precipitada na superfície
terrestre (TUCCI e BELTRAME, 2000). Todavia, a transferência da água de
ecossistemas naturais (floresta, área cultivada), onde o teor de umidade do
solo não é limitante, ocorre devido à intensidade do potencial hídrico e as
diferenças de padrões meteorológicos prevalecentes no local e/ou região
(REICHARDT, 1990; TUCCI, 2000).
Assim sendo o principal parceiro no ciclo hidrológico da
evapotranspiração, passa a ser as diferentes formas como as águas se
precipitam sobre a superfície terrestre, ou seja, as precipitações
consideradas como elementos alimentadores da fase terrestre do ciclo
hidrológico e constituindo-se de importante fator para os processos de
escoamento superficial direto, infiltração, evaporação, transpiração, recarga
de aqüíferos e vazão básica dos rios, ou seja, cerca de 70% da quantidade
de água precipitada sobre a superfície terrestre retorna atmosfera via
evaporação e transpiração. Por essa razão as chuvas representam, no ciclo
hidrológico, importante papel de elo entre os fenômenos meteorológicos,
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propriamente ditos, e os demais componentes do ciclo hidrológico (TUCCI,
1997).
PRECIPITAÇÃO
Na Terra a evapotranspiração representa a transferência da água da
superfície continental e oceânica para atmosfera, ou seja, a passagem da
água do estado líquido para o gasoso. Na atmosfera essa água se
condensa, formando nuvens, que se precipitam na direção da superfície
terrestre - formando um processo inverso à evapotranspiração. Ou seja, o
retorno da água retida na atmosfera, através da chuva, neve e o granizo.
Assim sendo a precipitação é definida em Climatologia como sendo toda
água proveniente do meio atmosférico que atinge a superfície terrestre na
forma de chuva, neve e granizo.
CHUVA
Conjunto de águas originárias do vapor de água atmosférico que se
precipitam, em estado líquido sobre a superfície terrestre em conseqüência
da intensificação da evapotranspiração sobre superfícies quentes e úmidas.
A formação das chuvas está associada à ascensão das massas de ar quente
e úmidas e a formação de nuvens. As nuvens se formam pela perda do ar
conter umidade. Isto ocorre normalmente, quando massas de ar que estão
com alta umidade relativa, sofrem resfriamento. Na atmosfera ascensão do
ar quente e úmido provoca um resfriamento do ar que pode fazê-lo atingir
o seu ponto de saturação, ou seja, sua capacidade de conter umidade. Ao
atingir a 100% da sua capacidade, se seguirá a condensação do vapor de
água em forma de minúsculas gotas que são mantidas em suspensão,
como nuvens ou nevoeiros.
Para ocorrer uma chuva é necessário que essas gotículas cresçam a
partir de ―núcleos de condensação‖ (poeira, aerossóis e etc.) até atingirem
um peso suficiente capaz de sobrepor as forças de sustentação e, portanto
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se precipitarem. São três os tipos de chuvas na Natureza:
♦ Chuvas Convectivas
Provocadas por diferenças de locais de aquecimento nas camadas
atmosféricas. São chuvas formadas pela ascensão das massas de ar quente
da superfície, carregadas de vapor d'água. Ao subir o ar sofre resfriamento
provocando a condensação do vapor de água presente e,
conseqüentemente, a precipitação. São características deste tipo de
precipitação as chuvas de curta duração, alta intensidade, trovoadas,
rajadas de ventos e pela sua abrangência em pequenas áreas;
♦ Chuvas Orográficas
Denominadas de "chuva de relevo", esse tipo de precipitação ocorre
quando há um impedimento (seja montanha, serras ou escarpas) que barra
a massa de ar úmida. São chuvas que são oriundas da passagem de uma
massa de ar quente e úmido por uma cadeia de montanha, provocando a
ascensão forçada do ar, que gradativamente se esfria provocando a
condensação do vapor de água e conseqüentemente a formação de nuvens
que se precipitam. Caracterizam-se pela sua longa duração e baixa
intensidade e por não apresentarem qualquer tipo de descarga elétrica;
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♦ Chuvas Frontais
São originárias do deslocamento de frentes frias ou quentes contra
frentes contrárias termicamente ocorrendo ao longo da linha de
descontinuidade, separando uma massa de ar de características diferentes.
Assim, a frente fria, mais densa, entra por baixo, levando para cima a
massa de ar quente. Quando esta massa de ar quente possui elevada
umidade relativa, a chuva é iminente.
É uma chuva de menor intensidade, com pingos menores, e de longa
duração. Ocorre por vários dias, apresentando pausas e chuviscos entre
fases mais intensas. Na metade sudeste do continente, ocorrer em
qualquer época do ano, mas tem maior duração nos meses frios, quando os
fenômenos atmosféricos são menos intensos. Pode produzir ventos fortes e
grande quantidade de raios. Ocorre em uma imensa área simultaneamente.
INTERCEPTAÇÃO DAS PRECIPITAÇÕES
A superfície terrestre se constitui, em macro escala, obviamente, dos
continentes e dos oceanos. Muito embora a menor parte do ciclo
hidrológico seja constituída pela circulação da água nas superfícies
continentais, isto é: a circulação de água no interior e na superfície dos
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solos e rochas, nos lagos e rios e principalmente no interior dos
ecossistemas naturais (LIMA e LEOPOLDO, 2000; MIRANDA, 2006;
RUTTER, 1975 e ZINKE, 1967).
Num ecossistema, a fonte da entrada de água no solo é composta de
precipitação pluviométrica menos a parcela dessa água que é
gradativamente interceptada pela vegetação até que, pela saturação do
dossel, essa água é então redistribuída por percolação direta pela copa e
escoamento superficial ao longo do tronco, sendo que é através da
interceptação vegetal que uma importante parcela das chuvas que atingem
os ecossistemas naturais retorna à atmosfera por evaporação sem atingir
ao solo, afetando a dinâmica do escoamento superficial e o processo de
infiltração.
Desse modo a vegetação exerce um importante papel no ciclo
hidrológico tanto no nível de quantidade como de qualidade de água não
somente pela evapotranspiração, mas também pela interceptação da água
de chuva. Interceptação é climatologicamente, definida como sendo a
capacidade que a vegetação ou outro tipo de obstáculo possuem de reter a
chuva nas suas copas. É um processo fortemente dependente das
características das precipitações, das condições climáticas, da densidade da
vegetação, da estrutura e arquitetura do dossel e do comportamento
fisiológico das plantas durante o ano (TUCCI, 2000).
Assim, ressaltamos que, em geral, uma folha não é capaz de
absorver quase nada da água interceptada em sua superfície que a
capacidade individual de retenção foliar é correlacionada com o tamanho da
folha, com sua forma e com a viscosidade da água (RUTTER, 1975).
Ressaltando-se as pressões externas causadas por ação dos ventos, do tipo
e freqüência das precipitações dentre outras também influenciam no teor
de água retida na vegetação.
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INFILTRAÇÃO
Uma gota de chuva pode ser interceptada pela vegetação ou mesmo
cair diretamente sobre o solo. Todavia a água ao atingir o solo poderá
evaporar, penetrar no solo ou escoar superficialmente. A quantidade
evaporada durante as chuvas intensas é desprezível em relação ao total
precipitado. No entanto a água ao penetrar no solo reabastece os aquiferos
subterrâneos que dependem as vazões dos cursos de água nos períodos de
estiagem.
A Infiltração é, portanto, o processo de penetração da água nas
camadas de solo próximas à superfície do terreno, movendo-se para baixo,
através de vazios, sob a ação da gravidade, até atingir uma camada
suporte que a retém, formando então o teor de umidade de um solo. Por
essa razão torna-se uma das etapas mais importantes no ciclo hidrológico,
uma vez que é responsável pela recarga de aquíferos e influencia
diretamente o escoamento superficial e, consequentemente a erosão
hídrica (TUCCI e BELTRAME, 2000).
Usualmente, a infiltração decorrente de precipitações naturais não é
capaz de saturar todo o solo, restringindo-se a saturar, quando consegue,
apenas as camadas próximas à superfície, conformando um perfil típico
onde o teor de água disponível decresce com a profundidade. Assim sendo,
o padrão de distribuição da água em um solo uniforme, submetido a uma
pequena carga hidráulica na superfície se divide por quatro zonas:
♦ SATURAÇÃO – camada estreita (com espessura de ≈1,5cm)
localizada logo abaixo do solo saturado;
♦ TRANSIÇÃO – camadas caracterizadas pelo decréscimo acentuado
da umidade com uma espessura em torno de 5 cm;
♦ TRANSMISSÃO – é a região do solo na qual a água é transmitida.
Tem uma espessura flexível e associada às disponibilidades hídricas do
solo.Ou seja, enquanto todas as zonas permanecem com espessura
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praticamente constante, esta aumenta a medida que há aplicação de água;
♦ UMEDECIMENTO – é uma região caracterizada por uma camada
usualmente pequena, mas com grande redução de umidade com o
aumento da profundidade.
Em suma, a infiltração da água em um solo depende:
♦ Umidade do solo – quanto mais saturado estiver o solo, menor será a
infiltração;
♦ Tipo do solo – a granulometria do solo condiciona a sua permeabilidade.
Quanto mais fino for o solo menor será a infiltração;
♦ Ocupação da superfície - os processos de urbanização e devastação da
vegetação diminuem drasticamente a quantidade de água infiltrada
ocorrendo o contrário com a aplicação de técnicas adequadas de
terraceamento e manejo do solo;
♦ Topografia - declives acentuados favorecem o escoamento superficial
direto diminuindo a oportunidade de infiltração; ♦
Depressões - a existência de depressões provoca a retenção da água
diminuindo a quantidade de escoamento superficial direto. A água retida
infiltra no solo ou evapora.
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ARMAZENAMENTO DA ÁGUA NO SOLO
Redistribuição de água no solo é o movimento da água no perfil do
solo depois de cessada a infiltração. Assim sendo a Capacidade de Campo,
é, usualmente, definida como sendo a água retida pelo solo a partir do
instante que em que a infiltração se torna desprezível. Ou seja, o limite
superior de água que um determinado solo pode reter.
ESCOAMENTO SUPERFÍCIAL
O Escoamento Superficial (Runoff) é a fase do ciclo hidrológico que
trata da água oriunda das precipitações que, por efeito da gravidade, se
desloca sobre a superfície terrestre. Engloba, portanto, o volume de água
precipitada sobre o solo saturado ou uma superfície impermeável que escoa
superficialmente, seguindo linhas de maior declive, na direção de um curso
de água mais próximo indo, posteriormente se desembocar nos oceanos.
Sua duração está associada praticamente à duração da precipitação
(TUCCI, 2000). As águas precipitadas que atingem o leito do curso de água
de um rio por 4 vias diversas:
♦ ESCOAMENTO SUPERFICIAL - iniciado a partir da precipitação
após a ação da interceptação pelos vegetais e/ou obstáculos, da saturação
do solo e da subseqüente acumulação da água nas depressões do terreno;
♦ ESCOAMENTO SUB-SUPERFICIAL – ocorre nas camadas
superiores do solo, é difícil de ser separado do escoamento superficial;
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♦ ESCOAMENTO SUBTERRÂNEO - oriundo do acumulo de água em
aqüíferos, é responsável pela alimentação do curso de água durante
períodos de estiagem;
♦ AÇÃO DIRETA DAS PRECIPITAÇÕES – conseqüência das águas
que se precipitam sobre as superfícies líquidas.
Vamos exercitar!
1- Petrobras - Engenheiro de Meio Ambiente Júnior - CESGRANRIO - 2011
O ciclo hidrológico é um fenômeno global de circulação fechada da
água entre a superfície terrestre e a atmosfera, impulsionado
fundamentalmente pela energia solar. Com relação ao ciclo hidrológico,
assinale a alternativa correta.
a) Os volumes evaporados em um determinado local do planeta precipitam
necessariamente no mesmo local, porque há movimentos contínuos, com
dinâmicas diferentes, na atmosfera e também na superfície terrestre.
b) O escoamento superficial é impulsionado pela gravidade para as cotas
mais baixas, vencendo o atrito com a superfície do solo.
c) O processo de infiltração ocorre quando a taxa de saturação do solo é
superior à da precipitação.
d) A presença de vegetação na superfície contribui para criar obstáculo ao
escoamento superficial, não favorecendo a infiltração em percurso.
e) A infiltração e a percolação no interior do solo são comandadas somente
pela ação da gravidade.
SOLUÇÃO
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NOÇÕES DE HIDROLOGIA E HIDRÁULICA
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Vamos analisar cada item:
a) Os volumes evaporados em um determinado local do planeta
precipitam necessariamente no mesmo local, porque há
movimentos contínuos, com dinâmicas diferentes, na atmosfera e
também na superfície terrestre. ERRADO
Os volumes evaporados em um determinado local do planeta não
precipitam necessariamente no mesmo local, porque há movimentos
contínuos, com dinâmicas diferentes, na atmosfera, e também na superfície
terrestre.
b) O escoamento superficial é impulsionado pela gravidade para as cotas
mais baixas, vencendo o atrito com a superfície do solo. CORRETO
O escoamento superficial é impulsionado pela gravidade para as
cotas mais baixas, vencendo principalmente o atrito com a superfície
do solo. O escoamento superficial manifesta-se inicialmente na forma
de pequenos filetes de água que se moldam ao micro relevo do
solo.
c) O processo de infiltração ocorre quando a taxa de saturação do
solo é superior à da precipitação. ERRADO
A Infiltração é, portanto, o processo de penetração da água nas camadas
de solo próximas à superfície do terreno, movendo-se para baixo, através
de vazios, sob a ação da gravidade, até atingir uma camada suporte que a
retém, formando então o teor de umidade de um solo. O grau de saturação
do solo é definido pela relação entre o volume de água e o volume de
vazios da amostra.
d) A presença de vegetação na superfície contribui para criar
obstáculo ao escoamento superficial, não favorecendo a infiltração
em percurso. ERRADO
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A presença de vegetação na superfície do solo contribui para
obstaculizar o escoamento superficial, favorecendo a infiltração em
percurso. A vegetação também reduz a energia de impacto das gotas de
chuva no solo, minimizando a erosão. A presença da vegetação atenua ou
elimina a ação da compactação da água da chuva e permite o
estabelecimento de uma camada de matéria orgânica em decomposição
que favorece a atividade escavadora de insetos e animais, favorece
também a infiltração, pois dificulta o escoamento superficial da água.
Cessada a chuva retira a umidade do solo, através de suas raízes,
possibilitando maiores valores da capacidade de infiltração no início das
precipitações.
e) A infiltração e a percolação no interior do solo são comandadas
somente pela ação da gravidade. ERRADO
A infiltração e a percolação no interior do solo são comandadas pelas
tensões capilares nos poros e pela gravidade. A umidade do solo
realimentada pela infiltração é aproveitada em parte pelos vegetais, que a
absorvem pelas raízes e a devolve, quase toda, à atmosfera por
transpiração, na forma de vapor de água. O que os vegetais não
aproveitam, percola para o lençol freático que normalmente contribui
para o escoamento de base dos rios. A infiltração é um processo que
depende, em maior ou menor grau, de diversos fatores, dentre eles PINTO,
HOLTZ & MARTINS (1967) define alguns:
• Tipo de solo
A capacidade de infiltração varia diretamente com a porosidade, o tamanho
das partículas do solo e o estado de fissuração das rochas. As
características presentes em pequena camada superficial, com espessura
da ordem de 1 cm, tem influência sobre a capacidade de infiltração.
• Cobertura vegetal
A presença da vegetação atenua ou elimina a ação da compactação da
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NOÇÕES DE HIDROLOGIA E HIDRÁULICA
ENGENHEIRO AGRONÔMO
água da chuva e permite o estabelecimento de uma camada de matéria
orgânica em decomposição que favorece a atividade escavadora de insetos
e animais, favorece também a infiltração, pois dificulta o escoamento
superficial da água. Cessada a chuva retira a umidade do solo, através de
suas raízes, possibilitando maiores valores da capacidade de infiltração no
início das precipitações.
• Grau de umidade do solo
Parte da água que precipita sobre o solo seco é absorvida por ação de
capilaridade que se soma a ação da gravidade. Se o solo, no início da
precipitação, já apresenta certa umidade, tem uma capacidade de
infiltração menor do que a que teria se estivesse seco.
• Efeito da precipitação sobre o solo
A água da chuva chocando-se contra o solo promovem a compactação da
sua superfície, diminuindo a capacidade de infiltração, destacam e
transportam os materiais finos que pela sua sedimentação posterior
tendem a diminuir a porosidade da superfície; umedecem a superfície do
solo, saturando as camadas próximas aumentando a resistência à
penetração da água e, atuam sobre as partículas de substancias coloidais
que ao entumecer reduzem a dimensão dos espaços intergranulares.
• Compactação devido ao homem e aos animais
Em locais onde há tráfego constante homens, veículos, animais (pastagens)
a superfície é submetida a compactação que a torna relativamente
impermeável.
• Influência de outros fatores
A capacidade de infiltração pode ser elevada pela atuação de fenômenos
naturais que provocam o aumento da permeabilidade como:
- escavações feitas por animais;
- decomposição das raízes dos vegetais;
- temperatura da água que influi na sua viscosidade, fazendo com que a
23
NOÇÕES DE HIDROLOGIA E HIDRÁULICA
ENGENHEIRO AGRONÔMO
infiltração nos meses frios seja menor que nos meses quentes.
- presença de ar nos vazios do solo, sendo expulso pela água quando
penetra no solo.
2- Petrobras - Engenheiro de Meio Ambiente Júnior - CESGRANRIO - 2011
O deslocamento da água na superfície de uma bacia hidrográfica é
uma das parcelas mais importantes do ciclo hidrológico. Considerando os
fundamentos do escoamento superficial, assinale a alternativa correta.
(A) O escoamento em superfície livre pode ser apenas do tipo não
permanente.
(B) O escoamento é regido por leis físicas e representado qualitativamente
por variáveis como vazão, profundidade e velocidade.
(C) O escoamento superficial e em rios e canais é retratado apenas pela
equação de quantidade de movimento.
(D) A equação baseada na quantidade de movimento do sistema associado
ao escoamento superficial é obtida pela avaliação das massas internas e
externas que atuam no mesmo.
(E) O escoamento permanente uniforme ocorre quando o gradiente de
profundidade com o espaço é nulo e a velocidade, constante.
SOLUÇÃO
O escoamento é regido por leis físicas e representado
quantitativamente por variáveis com vazão, profundidade e velocidade. O
comportamento do escoamento é descrito por equações de conservação de
massa, energia e quantidade.
Podem-se classificar os escoamentos como escoamentos permanentes e
RESPOSTA B
24
NOÇÕES DE HIDROLOGIA E HIDRÁULICA
ENGENHEIRO AGRONÔMO
não permanentes. Escoamentos Permanentes Ocorre quando o gradiente
da velocidade e do nível são nulos, ou seja, não existe variação de estado
no sistema.
O escoamento permanente pode ser classificado como:
Escoamento uniforme e não uniforme. Escoamento uniforme é aquele no
qual o vetor velocidade, em módulo, direção e sentido, é idêntico em todos
os pontos, em um instante qualquer, em que o tempo é mantido constante.
Se o vetor velocidade variar de ponto a ponto, num instante qualquer, o
escoamento é dito não uniforme.
Escoamentos Não-Permanentes- O regime não permanente considera a
variação no tempo e no espaço das variáveis que retratam o mesmo. Esta
situação ocorre na maioria dos problemas hidrológicos de escoamento
superficial e de rios e canais.
3 - Técnico em Hidrologia - NC-UFPR -2011
Sobre o fenômeno da interceptação no ciclo hidrológico, assinale a
alternativa correta.
a) A interceptação é um fenômeno bem conhecido e simples de estudar.
b) A interceptação tem o efeito de acelerar o ciclo hidrológico.
c) A interceptação é produzida pela cobertura vegetal e armazenamento
em depressões.
d) No caso da cobertura vegetal, a capacidade de interceptação independe
das características da precipitação (intensidade, duração, volume).
e) No caso da cobertura vegetal, a capacidade de interceptação independe
das características da própria cobertura vegetal e independe também das
condições climáticas.
RESPOSTA E
25
NOÇÕES DE HIDROLOGIA E HIDRÁULICA
ENGENHEIRO AGRONÔMO
SOLUÇÃO
Interceptação é climatologicamente, definida como sendo a capacidade que
a vegetação ou outro tipo de obstáculo possuem de reter a chuva nas suas
copas. É um processo fortemente dependente das características das
precipitações, das condições climáticas, da densidade da vegetação, da
estrutura e arquitetura do dossel e do comportamento fisiológico das
plantas durante o ano (TUCCI, 2000). Cabe-nos ressaltar que, em geral,
uma folha não é capaz de absorver quase nada da água interceptada em
sua superfície. Que a capacidade individual de retenção foliar é
correlacionada com o tamanho da folha, com sua forma e com a
viscosidade da água (RUTTER, 1975). Ressaltando-se as pressões externas
causadas por ação dos ventos, do tipo e freqüência das precipitações
dentre outras também influenciam no teor de água retida na vegetação.
Equação Hidrológica
I - O = DS
I = (entradas) incluindo todo o escoamento superficial por meio de canais e
sobre a superfície do solo, o escoamento subterrâneo, ou seja, a entrada
de água através dos limites subterrâneos do volume de controle, devido ao
movimento lateral da água do subsolo, e a precipitação sobre a superfície
do solo;
O = saídas de água do volume de controle, devido ao escoamento
superficial, ao escoamento subterrâneo, à evaporação e à transpiração das
plantas; e
DS = variação no armazenamento nas várias formas de retenção, no
volume de controle.
Apesar dessa simplificação, o ciclo hidrológico é um meio conveniente
RESPOSTA C
26
NOÇÕES DE HIDROLOGIA E HIDRÁULICA
ENGENHEIRO AGRONÔMO
de apresentar os fenômenos hidrológicos, servindo também para dar
ênfase às quatro fases básicas de interesse do engenheiro, que são:
precipitação; evaporação e transpiração; escoamento superficial;
escoamento subterrâneo. Embora possa parecer um mecanismo contínuo,
com a água se movendo de uma forma permanente e com uma taxa
constante, é na realidade bastante diferente, pois o movimento da água em
cada uma das fases do ciclo é feito de um modo bastante aleatório,
variando tanto no espaço como no tempo. Em determinadas ocasiões, a
natureza parece trabalhar em excesso, quando provoca chuvas torrenciais
que ultrapassam a capacidade dos cursos d’água provocando inundações.
Em outras ocasiões parece que todo o mecanismo do ciclo parou
completamente e com ele a precipitação e o escoamento superficial. E são
precisamente estes extremos de enchente e de seca que mais interessam
aos engenheiros, pois muitos dos projetos de Engenharia Hidráulica são
realizados com a finalidade de proteção contra estes mesmos extremos.
BACIA HIDROGRÁFICA
O Ciclo Hidrológico tem um aspecto geral e pode ser visto como um
sistema hidrológico fechado, já que a quantidade de água disponível para a
terra é finita e indestrutível. Entretanto, os subsistemas abertos são
abundantes, e estes são normalmente os tipos analisados pelos
hidrologistas. Dentre as regiões de importância prática para os
hidrologistas destacam-se as Bacias Hidrográficas (BH) ou Bacias de
Drenagem, por causa da simplicidade que oferecem na aplicação do
balanço de água, os quais podem ser desenvolvidos para avaliar as
componentes do ciclo hidrológico para uma região hidrologicamente
determinada, conforme Figura 2.
Bacia Hidrográfica é, portanto, uma área definida topograficamente,
drenada por um curso d’água ou por um sistema conectado de cursos
27
NOÇÕES DE HIDROLOGIA E HIDRÁULICA
ENGENHEIRO AGRONÔMO
d’água, tal que toda a vazão efluente seja descarregada por uma simples
saída.
Fig. 2 – bacia hidrografica
Conforme, CRUCIANI, 1976 define microbacia hidrográfica como
sendo a área de formação natural, drenada por um curso d’água e seus
afluentes, a montante de uma seção transversal considerada, para onde
converge toda a água da área considerada.
Mais uma definição:
Bacia Hidrográfica é uma região sobre a terra, na qual o escoamento
superficial em qualquer ponto converge para um único ponto fixo, o
EXUTÓRIO.
A área da microbacia depende do objetivo do trabalho que se
pretende realizar (não existe consenso sobre qual o tamanho ideal).
PEREIRA (1981) sugere:
a) para verificação do efeito de diferentes práticas agrícolas nas perdas de
solo, água e nutrientes área não deve exceder a 50 ha.
b) estudo do balanço hídrico e o efeito do uso do solo na vazão _ áreas de
até 10.000 ha.
28
NOÇÕES DE HIDROLOGIA E HIDRÁULICA
ENGENHEIRO AGRONÔMO
c) estudos que requerem apenas a medição de volume e distribuição da
vazão bacias representativas com áreas de 10 a 50 mil ha.
resposta hidrológica de uma bacia hidrográfica é transformar uma
entrada de volume concentrada no tempo (precipitação) em uma saída de
água (escoamento) de forma mais distribuída no tempo. Assim, temos os
divisores de água que são:
divisor superficial (topográfico) e
o divisor freático (subterrâneo).
Conforme a Figura 3 , o divisor subterrâneo é mais difícil de ser localizado e
varia com o tempo. À medida que o lençol freático (LF) sobe, ele tende ao
divisor superficial. O subterrâneo só é utilizado em estudos mais complexos
de hidrologia subterrânea e estabelece, portanto, os limites dos
reservatórios de água subterrânea de onde é derivado o deflúvio básico da
bacia. Na prática, assume-se por facilidade que o superficial também é o
subterrâneo.
Figura 3 - Corte transversal de bacias hidrográficas.
A Figura 4 apresenta um exemplo de delimitação de uma bacia
hidrográfica utilizando o divisor topográfico. Nesta Figura está
29
NOÇÕES DE HIDROLOGIA E HIDRÁULICA
ENGENHEIRO AGRONÔMO
individualizada a bacia do córrego da Serrinha. Note que o divisor de águas
(linha tracejada) acompanha os pontos com maior altitude (curvas de nível
de maior valor).
Figura 4 – Delimitação de uma bacia hidrográfica (linha tracejada).
CLASSIFICAÇÃO DOS CURSOS D’ÁGUA
De grande importância no estudo das BH é o conhecimento do
sistema de drenagem, ou seja, que tipo de curso d’água está drenando a
região. Uma maneira utilizada para classificar os cursos d’água é a de
tomar como base a constância do escoamento com o que se determinam
três tipos:
a) Perenes: contém água durante todo o tempo. O lençol freático mantém
uma alimentação contínua e não desce nunca abaixo do leito do curso
d’água, mesmo durante as secas mais severas.
b) Intermitentes: em geral, escoam durante as estações de chuvas e
secam nas de estiagem. Durante as estações chuvosas, transportam todos
30
NOÇÕES DE HIDROLOGIA E HIDRÁULICA
ENGENHEIRO AGRONÔMO
os tipos de deflúvio, pois o lençol d’água subterrâneo conserva-se acima do
leito fluvial e alimentando o curso d’água, o que não ocorre na época de
estiagem, quando o lençol freático se encontra em um nível inferior ao do
leito.
c) Efêmeros: existem apenas durante ou imediatamente após os períodos
de precipitação e só transportam escoamento superficial. A superfície
freática se encontra sempre a um nível inferior ao do leito fluvial, não
havendo a possibilidade de escoamento de deflúvio subterrâneo.
Características físicas de uma bacia hidrográfica
Estas características são importantes para se transferir dados de uma
bacia monitorada para uma outra qualitativamente semelhante onde faltam
dados ou não é possível a instalação de postos hidrométricos
(fluviométricos e pluviométricos). É um estudo particularmente importante
nas ciências ambientais, pois no Brasil, a densidade de postos
fluviométricos é baixa e a maioria deles encontram-se nos grandes cursos
d’água, devido a prioridade do governo para a geração de energia
hidroelétrica.
ÁREA DE DRENAGEM
É a área plana (projeção horizontal) inclusa entre os seus divisores
topográficos. A área de uma bacia é o elemento básico para o cálculo das
outras características físicas. É normalmente obtida por planimetria ou por
pesagem do papel em balança de precisão. São muito usados os mapas do
IBGE (escala 1:50.000). A área da bacia do Rio Paraíba do Sul é de 55.500
km2.
FORMA DA BACIA
É uma das características da bacia mais difíceis de serem expressas
em termos quantitativos. Ela tem efeito sobre o comportamento hidrológico
da bacia, como por exemplo, no tempo de concentração (Tc). Tc é
31
NOÇÕES DE HIDROLOGIA E HIDRÁULICA
ENGENHEIRO AGRONÔMO
definido como sendo o tempo, a partir do início da precipitação, necessário
para que toda a bacia contribua com a vazão na seção de controle. Existem
vários índices utilizados para se determinar a forma das bacias, procurando
relacioná-las com formas geométricas conhecidas:
a) coeficiente de compacidade (Kc) – Indice de Gravélius: é a
relação entre o perímetro da bacia e o perímetro de um círculo de mesma
área que a bacia.
O Kc é sempre um valor > 1 (se fosse 1 a bacia seria um círculo perfeito).
Quanto menor o Kc (mais próximo da unidade), mais circular é a bacia,
menor o Tc e maior a tendência de haver picos de enchente.
b) fator de forma (Kf): é a razão entre a largura média da bacia (L ) e o
comprimento do eixo da bacia (L) (da foz ao ponto mais longínquo da
área). Quanto menor o Kf, mais comprida é a bacia e portanto, menos
sujeita a picos de enchente, pois o Tc é maior e, além disso, fica difícil uma
mesma chuva intensa abranger toda a bacia.
32
NOÇÕES DE HIDROLOGIA E HIDRÁULICA
ENGENHEIRO AGRONÔMO
5 - INÉDITA
Vamos calcular o fator forma de duas bacias:
C) Índice de conformação
Ic Representa a relação entre a área da bacia e um quadrado de lado
igual ao comprimento axial da bacia. Este índice pode ser
matematicamente expresso por:
33
NOÇÕES DE HIDROLOGIA E HIDRÁULICA
ENGENHEIRO AGRONÔMO
Em que: Laxial é o comprimento axial da BH. Este índice também
expressa a capacidade da bacia em gerar enchentes. Quanto mais próximo
de 1, maior a propensão à enchentes, pois a bacia fica cada vez mais
próxima de um quadrado e com maior concentração do fluxo.
Vamos exercitar!!
6 - IBGE - Tecnologista - Engenharia Florestal - FGV - 2016
O coeciente de compacidade (Kc), o tempo de concentração (Tc) e a
declividade média (Dm) guardam relações importantes com a tendência de
uma bacia hidrográca em apresentar picos de enchentes. Sobre isso, é
correto afirmar que a ocorrência de picos de enchentes tende a ser maior
quanto:
a) menor o Kc, menor o Tc e maior a Dm;
b) maior o Kc, maior o Tc e maior a Dm;
c) maior o Kc, menor o Tc e menor a Dm;
d) menor o Kc, maior o Tc e menor a Dm;
e) maior o Kc, maior o Tc e menor a Dm
SOLUÇÃO
Quanto menor o Kc (mais próximo da unidade), mais circular é a bacia,
menor o Tc e maior a tendência de haver picos de enchente.
RESPOSTA A
34
NOÇÕES DE HIDROLOGIA E HIDRÁULICA
ENGENHEIRO AGRONÔMO
CARACTERÍSTICAS FLUVIOMORFOLÓGICAS
As informações utilizadas para promover a caracterização de uma
bacia são denominados dados fluviomorfológicos, que podem ser adquiridos
a partir de sensoriamento remoto, imagens de satélites, mapas
topográficos e outras fontes de dados geomorfológicos. Assim, podemos
elencar os Índices Fluviomorfológico: Índice de Conformação, Índice de
Compacidade, Densidade de Drenagem, Área de Drenagem.
Índice de conformação
É a relação entre a área de uma bacia hidrográfica e o quadrado de
seu comprimento axial, medido ao longo do curso d’água, da
desembocadura ou seção de referência à cabeceira mais distante, no
divisor de águas. Uma bacia com índice de conformação baixo é menos
sujeita a enchentes que outra do mesmo tamanho, porém com maior índice
de conformação. Isso se deve ao fato de que em uma bacia estreita e
longa, com índice de conformação baixo, há menos possibilidade de
ocorrência de chuvas intensas cobrindo simultaneamente toda a sua
extensão; e também, numa tal bacia, a contribuição dos tributários atinge
o curso d água principal em vários pontos ao longo do mesmo. Caso não
existam outros fatores que interfiram, quanto o valor deste índice se
aproxima a unidade (um), a forma da bacia se aproxima de um quadrado e
este tipo de bacia tem maior potencialidade de ocorrência de picos de
enchentes elevados.
35
NOÇÕES DE HIDROLOGIA E HIDRÁULICA
ENGENHEIRO AGRONÔMO
Figura 5 - Rios da bacia hidrográfica
Índice de compacidade
É a relação do perímetro de uma bacia hidrográfica e a circunferência
de círculo de área igual à da bacia.
Este coeficiente é um número adimensional que varia conforme a
bacia, independentemente do seu tamanho, quanto mais irregular for à
bacia, tanto maior será o coeficiente de compacidade. Um coeficiente igual
à unidade corresponderia a uma bacia circular. O valor do índice de
compacidade indica maior potencialidade da bacia de produção de picos de
enchentes elevados. Caso não existam outros fatores que interfiram,
36
NOÇÕES DE HIDROLOGIA E HIDRÁULICA
ENGENHEIRO AGRONÔMO
menor valor do índice de compacidade (próximo a 1) indica maior
potencialidade de ocorrência de picos de enchentes elevados.
SISTEMA DE DRENAGEM
O sistema de drenagem de uma bacia é constituído pelo rio principal
e seus tributários; o estudo das ramificações e do desenvolvimento do
sistema é importante, pois ele indica a maior ou menor velocidade com que
a água deixa a bacia hidrográfica. O padrão de drenagem de uma bacia
depende da estrutura geológica do local, tipo de solo, topografia e clima.
Esse padrão também influencia no comportamento hidrológico da bacia.
a) Ordem dos cursos d’água e razão de bifurcação (Rb):
De acordo com a Figura 5 , adota-se o seguinte procedimento:
1) os cursos primários recebem o numero 1;
2) a união de 2 de mesma ordem dá origem a um curso de ordem superior;
3) a união de 2 de ordem diferente faz com que prevaleça a ordem do
maior. Quanto maior Rb média, maior o grau de ramificação da rede de
drenagem de uma bacia e maior a tendência para o pico de cheia.
Figura 4 – Ordem dos cursos d’água.
b) densidade de drenagem (Dd): é uma boa indicação do grau de
desenvolvimento de um sistema de drenagem. Expressa a relação entre o
37
NOÇÕES DE HIDROLOGIA E HIDRÁULICA
ENGENHEIRO AGRONÔMO
comprimento total dos cursos d’água (sejam eles efêmeros, intermitentes
ou perenes) de uma bacia e a sua área total.
Para avaliar Dd, deve-se marcar em fotografias aéreas, toda a rede
de drenagem, inclusive os cursos efêmeros, e depois medi-los com o
curvímetro. Duas técnicas executando uma mesma avaliação podem
encontrar valores um pouco diferentes.
Bacias com drenagem pobre Dd < 0,5 km/km2
Bacias com drenagem regular 0,5 ≤ Dd < 1,5 km/km2
Bacias com drenagem boa 1,5 ≤ Dd < 2,5 km/km2
Bacias com drenagem muito boa 2,5 ≤ Dd < 3,5 km/km2
Bacias excepcionalmente bem drenadas Dd ≥ 3,5 km/km2
Vamos exercitar!!
7 - DEMAE/GO - Engenheiro Civil – UFGO - 2017
Uma característica importante de bacias hidrográficas é o tempo de
concentração em problemas envolvendo propagação de cheias. Pela
diversidade dos parâmetros associados às bacias hidrográficas, várias
equações empíricas foram desenvolvidas para estabelecimento do tempo
de concentração. Neste sentido, o tempo de concentração de uma bacia é:
A.o tempo necessário para o hidrograma atingir a vazão máxima,
considerando uma precipitação de curta duração.
B.o tempo diretamente proporcional à declividade média do curso d'água
principal da bacia.
C.o tempo inversamente proporcional ao comprimento do curso principal na
bacia.
38
NOÇÕES DE HIDROLOGIA E HIDRÁULICA
ENGENHEIRO AGRONÔMO
D.o tempo mais longo que uma partícula de água leva entre o início da
precipitação e sua saída pelo exutório da bacia.
SOLUÇÃO
Há duas definições básicas de tempo de concentração. Tempo de
concentração é o tempo em que leva para que toda a bacia considerada
contribua para o escoamento superficial na seção estudada. O tempo de
concentração é o tempo que leva uma gota de água mais distante até o
trecho considerado na bacia.
Conforme Centro Tecnológico de Hidráulica de São Paulo (CTH) os
estudos de Taylor e Schwarz informam que influem sobre o tempo de
concentração:
Área da bacia
Comprimento e declividade do canal mais longo
Comprimento ao longo do curso principal, desde o centro da bacia até
a seção de saída considerada.
CARACTERÍSTICAS DO RELEVO DA BACIA
O relevo de uma bacia hidrográfica tem grande influência sobre os
fatores meteorológicos e hidrológicos, pois a velocidade do escoamento
superficial é determinada pela declividade do terreno, enquanto que a
temperatura, a precipitação e a evaporação são funções da altitude da
bacia.
a) declividade da bacia: quanto maior a declividade de um terreno, maior a
velocidade de escoamento, menor Tc e maior as perspectivas de picos de
enchentes. A magnitude desses picos de enchente e a infiltração da água,
RESPOSTA D
39
NOÇÕES DE HIDROLOGIA E HIDRÁULICA
ENGENHEIRO AGRONÔMO
trazendo como conseqüência, maior ou menor grau de erosão, dependem
da declividade média da bacia (determina a maior ou menor velocidade do
escoamento superficial), associada à cobertura vegetal, tipo de solo e tipo
de uso da terra.
b) altitude da bacia: os fatores climáticos estão relacionados com a altitude
da bacia hidrográfica. O rio Paraíba do Sul tem sua nascente na Serra da
Bocaina a 1800m de altitude, e sua foz localiza-se no município de São
João da Barra – RJ, onde deságua no Oceano Atlântico.
GEOLÓGICAS DA BACIA
Tem relação direta com a infiltração, armazenamento da água no solo
e com a suscetibilidade de erosão dos solos.
CARACTERÍSTICAS AGRO-CLIMÁTICAS DA BACIA
São caracterizadas principalmente pelo tipo de precipitação e pela
cobertura vegetal. A bacia do rio Paraíba do Sul tem 65% de pastagem,
21% culturas e reflorestamento e 11% de floresta nativa (Mata Atlântica).
FÍSICA DE BACIAS HIDROGRÁFICAS
Uma bacia hidrográfica compreende toda a área de captação natural
da água da chuva que proporciona escoamento superficial para o canal
principal e seus tributários. O limite superior de uma bacia hidrográfica é o
divisor de águas (divisor topográfico), e a delimitação inferior é a saída da
bacia (confluência, exutório). O comportamento hidrológico de uma bacia
hidrográfica é função de suas características morfológicas, ou seja, área,
forma, topografia, geologia, solo, cobertura vegetal etc. A fim de entender
as inter-relações existentes entre esses fatores de forma e os processos
hidrológicos de uma bacia hidrográfica, torna-se necessário expressar as
características da bacia em termos quantitativos.
De acordo com o escoamento global, as bacias de drenagem podem
ser classificadas em (CHRISTOFOLETTI, 1974):
a) exorreicas: quando o escoamento da água se faz de modo contínuo até
o mar, isto é, quando as bacias desaguam diretamente no mar;
40
NOÇÕES DE HIDROLOGIA E HIDRÁULICA
ENGENHEIRO AGRONÔMO
b) endorreicas: quando as drenagens são internas e não possuem
escoamento até o mar, desembocando em lagos, ou dissipando-se nas
areias do deserto, ou perdendo-se nas depressões cársicas;
c) arreicas: quando não há qualquer estruturação em bacias, como nas
áreas desérticas;
d) criptorreicas: quando as bacias são subterrâneas, como nas áreas
cársicas.
Da mesma forma como as bacias, também os cursos d’água podem,
individualmente, ser objeto de classificação. De acordo com o período de
tempo durante o qual o fluxo ocorre, distinguem-se os seguintes tipos de
rios:
a) perenes: há fluxo o ano todo, ou pelo menos em 90% do ano, em canal
bem definido;
b) intermitentes: de modo geral, só há fluxo durante a estação chuvosa
(50% do período ou menos);
c) efêmero: só há fluxo durante chuvas ou períodos chuvosos; os canais
não são bem definidos.
Dentro da bacia, a forma da rede de drenagem também apresenta
variações. Em geral, predomina na natureza a forma dendrítica, a qual
deriva da interação clima-geologia em regiões de litologia homogênea.
Num certo sentido, considerando-se a fase terrestre do ciclo da água,
pode-se dizer que a água procura evadir-se da terra para o mar.
Assim fazendo, torna-se organizada em sistemas de drenagem, os
quais refletem principalmente a estrutura geológica local. A descrição
qualitativa dos diferentes sistemas de drenagem pode ser observada de
acordo com os esquemas da Figura 5. Estes chamados padrões de
drenagem podem ser observados pelo exame de mapas topográficos de
diferentes províncias geológicas.
Esta classificação, baseada mais em critérios geométricos do que
genéticos, engloba os seguintes tipos:
41
NOÇÕES DE HIDROLOGIA E HIDRÁULICA
ENGENHEIRO AGRONÔMO
a) dendrítica: lembra a configuração de uma árvore. É típica de regiões
onde predomina rocha de resistência uniforme;
b) treliça: composta por rios principais consequentes correndo
paralelamente, recebendo afluentes subsequentes que fluem em direção
transversal aos primeiros. O controle estrutural é muito acentuado, devido
à desigual resistência das rochas. A extensão e a profundidade dos leitos
serão maiores sobre rochas menos resistentes, dando formação a vales
ladeados por paredes de rochas mais resistentes. Este tipo é encontrado
em regiões de rochas sedimentares estratificadas, assim como em áreas de
glaciação;
c) retangular: variação do padrão treliça, caracterizado pelo aspecto
ortogonal devido às bruscas alterações retangulares nos cursos fluviais.
Deve-se à ocorrência de falhas e de juntas na estrutura rochosa;
d) paralela: também chamada "cauda equina", ocorre em regiões de
vertentes com acentuada declividade, ou onde existam controles
estruturais que favoreçam a formação de correntes fluviais paralelas;
e) radial: pode desenvolver-se sobre vários tipos e estruturas rochosas,
como por exemplo, em áreas vulcânicas e dômicas;
f) anelar: típica de áreas dômicas; a drenagem acomoda-se aos
afloramentos das rochas menos resistentes.
42
NOÇÕES DE HIDROLOGIA E HIDRÁULICA
ENGENHEIRO AGRONÔMO
Fig. 5 - Padrões de drenagem (CRISTOFOLETTI, 1974)
Assim, em muitos casos a classificação dos padrões de drenagem de
áreas distintas feita por diferentes autores, envolvia diferentes
interpretações. Desta forma, visando a comparação de padrões de
drenagem, assim como o relacionamento destes padrões com processos
hidrológicos da bacia, exigia a elaboração de métodos de expressar os
padrões de drenagem em termos quantitativos.
Vamos exercitar!
8 - IBGE - Tecnologista - Engenharia Florestal - FGV - 2016
A área de uma bacia hidrográfica é limitada por um divisor de águas
que a separa das bacias adjacentes e que pode ser determinado nas cartas
topográficas. De acordo com o escoamento global, as bacias de drenagem
que deságuam diretamente no mar são classificadas como:
(A) arreicas;
(B) endorreicas;
(C) criptorreicas;
(D) exorreicas;
(E) efêmeras.
SOLUÇÃO
Endorréica – rios que correm para o interior.
43
NOÇÕES DE HIDROLOGIA E HIDRÁULICA
ENGENHEIRO AGRONÔMO
Exorréica – rios que correm para os mares.
Arréica – rios onde as águas evaporam antes de seguirem caminhos.
Criptorréica – rios que são absorvidos por estruturas rochosas.
PARÂMETROS FÍSICOS DE BACIAS HIDROGRÁFICAS
Para entender o funcionamento de uma bacia, torna-se necessário
expressar quantitativamente as manifestações de forma (a área da bacia,
sua forma geométrica, etc.), de processos (escoamento superficial,
deflúvio, etc.) e suas inter-relações. Vários parâmetros físicos foram
desenvolvidos, alguns deles aplicáveis à bacia como um todo, enquanto
que outros relativos a apenas algumas características do sistema. O
importante é reconhecer que nenhum desses parâmetros deve ser
entendido como capaz de simplificar a complexa dinâmica da bacia
hidrográfica, a qual inclusive tem magnitude temporal.
Estes parâmetros e suas inter-relações podem ser classificados em:
a) parâmetros físicos: área, fator de forma, compacidade, altitute média,
declividade média, densidade de drenagem, número de canais, direção e
comprimento do escoamento superficial, comprimento da bacia,
hipsometria (relação área-altitude), comprimento dos canais, padrão de
drenagem, orientação, rugosidade dos canais, dimensão e forma dos vales,
índice de circularidade, etc.;
b) parâmetros geológicos: tipos de rochas, tipos de solos, tipos de
sedimentos fluviais, etc.;
c) parâmetros de vegetação: tipos de cobertura vegetal, espécies,
densidade, índice de área foliar, biomassa, etc.;
d) inter-relações: Lei do Número de Canais (razão de bifurcação), Lei do
Comprimento dos Canais (relação entre comprimento médio dos canais e
ordem), Lei das Áreas (relação entre área e ordem), etc..
RESPOSTA D
44
NOÇÕES DE HIDROLOGIA E HIDRÁULICA
ENGENHEIRO AGRONÔMO
MODELOS HIDROLÓGICOS
Antes de discutir os principais aspectos da modelagem hidrológica
convém esclarecer o conceito de um ―modelo‖. A definição citada por Tucci
(1998) é que se trata da ―representação de algum objeto ou sistema, em
uma linguagem ou forma de fácil acesso e uso, com o objetivo de entendê-
los e buscar suas principais respostas para diferentes entradas‖. Assim,
considerando um modelo que represente um determinado sistema, quanto
mais complexo este sistema for, mais desafiador e necessário é o modelo.
No caso de uma bacia hidrográfica, o uso de modelos hidrológicos visa
fundamentalmente entender seu comportamento para utilizar seus recursos
e proteger suas características.
Empregando os modelos hidrológicos, é possível prever ou estimar a
resposta do sistema (uma bacia hidrográfica, um trecho de rio, uma parte
do solo, um aqüífero, uma lagoa, etc) a diferentes situações, tais como a
ocorrência de eventos extremos (precipitações de grande intensidade com
elevado tempo de retorno), modificações do uso do solo, ocorrência de
períodos de estiagem e cenários de planejamento e desenvolvimento da
região. Em outras palavras, o modelo propicia simular situações que virão
ou poderão vir a acontecer, como a urbanização de parte da bacia, o
desenvolvimento das atividades econômicas, etc, procurando avaliar como
o sistema modelado irá responder a tais alterações.
Para sistema uma definição bastante citada é a de Doodge (1973)
apud Tucci (1998), segundo a qual sistema ―é qualquer estrutura, esquema
ou procedimento, real ou abstrato, que num dado tempo de referência
interrelaciona-se com uma entrada, causa ou estímulo de energia ou
informação, e uma saída, efeito ou resposta de energia ou informação‖.
Simplificadamente, considera-se que o funcionamento do sistema consiste
em responder a uma determinada entrada produzindo uma saída.
Dentro desse contexto, o modelo seria, então, a representação do
45
NOÇÕES DE HIDROLOGIA E HIDRÁULICA
ENGENHEIRO AGRONÔMO
sistema. Convém também deixar claro que o modelo hidrológico constitui
uma ferramenta, de grande potencial e utilidade, mas que não deve ser
encarado como um objetivo. O desenvolvimento de um modelo sem as
informações necessárias para ―alimentá-lo‖ e sem a devida interpretação
dos seus resultados gerados não auxilia no entendimento do
comportamento dos sistemas. Por isso é fundamental que o profissional
encarregado pelo uso do modelo tenha conhecimento dos processos físicos
e do sistema que estão sendo modelados, bem como do próprio modelo.
Dificuldades na aplicação de modelos hidrológicos
A modelagem hidrológica geralmente é dificultada ou limitada por:
- heterogeneidade física da bacia: uma bacia hidrográfica geralmente
apresenta uma grande diversificação espacial do tipo do solo, cobertura
vegetal, topografia, presença de áreas urbanas/impermeáveis, ocupação do
solo, características da rede de drenagem, etc, o que dificulta a sua
representação dentro de um modelo hidrológico;
- heterogeneidade dos processos envolvidos: associada à heterogeneidade
física da bacia, há a variação espacial da ―forma‖ e da ―intensidade‖ com
que acontecem os processos que ocorrem e influenciam o sistema
modelado; por exemplo, a infiltração da água precipitada no solo pode
ocorrer de modo bastante distinto entre áreas relativamente próximas da
bacia, dependendo do tipo de solo, da ocupação do terreno, do estado de
umidade e compactação desse solo, etc;
- informações disponíveis: a escassez de informações é, muitas vezes, um
dos principais limitantes no detalhamento e representação dos processos
dentro dos modelos hidrológicos; seja em termos quantitativos quanto
qualitativos, a falta de informações que permitam uma caracterização
suficiente do sistema a ser modelado pode levar a resultados gerados pelo
modelo distante do fenômeno representado ou mesmo incapacitar a
realização da modelagem;
46
NOÇÕES DE HIDROLOGIA E HIDRÁULICA
ENGENHEIRO AGRONÔMO
- objetivo do estudo: este fator atua mais no sentido de direcionar a
escolha do modelo a ser empregado, visto que, muitas vezes, o que se
procura obter como resposta da modelagem pode não justificar o emprego
de modelos hidrológicos mais complexos, que requeiram um maior esforço
computacional, maior número de informações, etc;
- recursos disponíveis: a limitação de recursos computacionais, de tempo,
financeiros, e de pessoal qualificado também pode acabar restringindo a
aplicação de modelos mais complexos, ou com um detalhamento maior dos
processos a serem representados.
Assim, o que ocorre geralmente é a simplificação do comportamento
espacial das variáveis e dos fenômenos representados no modelo em
diferentes graus, dependendo dos fatores anteriormente enumerados,
motivada também pela dificuldade em formular matematicamente alguns
processos.
Aplicação dos modelos hidrológicos
Vamos definições fundamentais para a compreensão da modelagem:
fenômeno: processo físico que produz alteração no estado do sistema
(exemplos: evaporação, infiltração, precipitação, etc);
variável: valor que descreve quantitativamente um fenômeno,
variando no espaço e no tempo (exemplo: vazão em um rio, que é a
variável que descreve o estado do escoamento);
parâmetro: valor que caracteriza o sistema, podendo também variar
no tempo e no espaço (exemplos: área da bacia, coeficiente de
permeabilidade do solo, rugosidade do rio, coeficiente de difusão,
etc).
simulação: processo de utilização do modelo.
A simulação ou uso do modelo envolve basicamente três etapas:
(i) estimativa ou ajuste;
(ii) verificação;
(iii) previsão.
47
NOÇÕES DE HIDROLOGIA E HIDRÁULICA
ENGENHEIRO AGRONÔMO
(i) Estimativa ou ajuste dos parâmetros: essa fase é também conhecida
como calibração do modelo e consiste na determinação dos valores dos
parâmetros do mesmo; a estimativa de tais valores depende da
disponibilidade de dados históricos, da medição de amostras e da
determinação de características físicas do sistema. Há diferentes formas de
se estimar os parâmetros do modelo:
i.a – Estimativa sem dados históricos: esse caso é usado quando não há
registros das variáveis dos sistemas, sendo os valores dos parâmetros
determinados em função da caracterização física do sistema. Normalmente,
a literatura especializada estabelece faixas de valores (intervalo de
variação) para cada parâmetro, em função de observações em
campo/laboratório ou do significado físico do parâmetro.
i.b – Ajuste por tentativas: nessa situação, os parâmetros têm seus valores
variados, sendo comparados os resultados do modelo com os valores das
variáveis medidas. Por exemplo, em um modelo que simula a
transformação chuva-vazão, um determinado parâmetro pode ser ajustado
variando-se seu valor e observando como o hidrograma gerado pelo
modelo se comporta em relação ao hidrograma medido – obviamente,
procura-se o valor do parâmetro que melhor ajuste os valores calculados
aos observados (que os torne mais próximos entre si).
A decisão do melhor ajuste é baseada geralmente na análise visual
(graficamente) ou através de coeficientes estatísticos. Este método requer
a existência de valores medidos das variáveis de entrada e saída do
modelo;
i.c – Ajuste por otimização: esse caso é semelhante ao anterior, diferindo
basicamente na forma com que os valores dos parâmetros são variados,
buscando o melhor ajuste entre os valores calculados pelo modelo e os
observados por medições.
48
NOÇÕES DE HIDROLOGIA E HIDRÁULICA
ENGENHEIRO AGRONÔMO
Neste caso, é empregado algum método matemático que propicie o valor
ótimo de cada parâmetro, como programação linear, não-linear, algoritmos
genéticos, etc.
i.d – Amostragem: aqui o valor do parâmetro é obtido por medição da
característica específica do sistema; por exemplo, pode ser feita a análise
em laboratório para determinação do coeficiente de permeabilidade do solo.
(ii) Verificação: nesta fase o modelo já calibrado (ou seja, com os valores
dos parâmetros ajustados) é verificado ou testado com outro conjunto de
dados – valores das variáveis de entrada e saída distintos dos utilizados na
fase de ajuste.
Agora, os valores das variáveis de saída são usados apenas para
comparação com o resultado gerado pelo modelo, sendo verificado se o
modelo simula o sistema satisfatoriamente.
(iii) Previsão: esta é a fase da simulação onde o modelo, estando ajustado
e verificado, é utilizado para representar a saída do sistema para situações
desconhecidas, como alternativas de projeto (intervenções na bacia) ou
modificações futuras possíveis na bacia.
É importante ressaltar que a qualidade dos resultados da previsão
com o modelo é função da representatividade dos períodos de dados
usados nas fases anteriores (ajuste e verificação), da discretização do
sistema e da capacidade do modelo em simular as novas condições
impostas.
Classificação dos sistemas e modelos
Assim, podemos ver algumas classificações dos sistemas e dos
modelos, fazendo-se já a ressalva que nem sempre um sistema classificado
como um certo tipo será representado por um modelo do mesmo tipo – as
classificações são independentes.
Concentrado x distribuído
O modelo concentrado é caracterizado por não levar em conta a
variabilidade espacial das variáveis, que são consideradas funções apenas
49
NOÇÕES DE HIDROLOGIA E HIDRÁULICA
ENGENHEIRO AGRONÔMO
do tempo. Já o modelo dito distribuído têm variáveis e parâmetros que
variam ao longo do espaço (além do tempo).
O exemplo mais clássico são os modelos chuva-vazão (que simulam a
transformação da chuva em vazão), onde os concentrados consideram a
bacia como um elemento único e os distribuídos subdividem-na em áreas
menores, fazendo a referida transformação em cada uma dessas sub-
áreas. A rigor, não existiria modelo distribuído, pois ele seria concentrado
em cada subdivisão menor.
Estocástico x determinístico
Na modelagem estocástica, é considerada a chance de ocorrência das
variáveis, ao ser introduzido o conceito de probabilidade. O modelo
determinístico, por sua vez, segue uma lei definida, sem considerar as
chances de ocorrência dos valores das variáveis. Simplificadamente, pode-
se afirmar que enquanto o modelo determinístico ―produz‖ a mesma saída
para uma mesma entrada, no modelo estocástico a relação entre entrada e
saída é estatística (há chances de ocorrência para cada determinado valor).
Conceitual x empírico
Um modelo é referido como conceitual quando as funções utilizadas levam
em consideração os processos físicos, enquanto no modelo empírico as
funções empregadas foram desenvolvidas para ajustar os valores medidos
e observações em campo/laboratório, sem retratar o processo físico em si.
Dentro do contexto de gerenciamento dos recursos hídricos, pode-se dividir
os modelos em três categorias principais:
- modelos de comportamento, que são utilizados para descrever o
comportamento dos sistemas e, desse modo, prognosticar a resposta do
sistema a diferentes situações; exemplos: modelo de circulação da água e
transporte de contaminantes em um rio; modelo chuva-vazão; etc.
- modelos de otimização, que procuram obter a ―melhor‖ solução para uma
determinada situação, atendendo a objetivos pré-definidos; exemplo:
modelo de operação de reservatório;
50
NOÇÕES DE HIDROLOGIA E HIDRÁULICA
ENGENHEIRO AGRONÔMO
- modelos de planejamento, que simulam condições globais de um sistema
maior (acoplam modelos de comportamento e de otimização);
A seguir são enumerados alguns exemplos de modelos hidrológicos:
- modelos que simulam o escoamento da água em rios, lagos, banhados,
etc, como os modelos hidrodinâmicos uni, bi ou tridimensionais;
- modelos de transformação chuva-vazão;
- modelos de escoamento das águas subterrâneas;
- modelos de operação de reservatórios;
- modelo de balanço hídrico no solo;
- modelo de previsão de cheias;
- modelo de transporte de constituintes e de reações cinéticas (modelagem
de qualidade de água), os quais podem estar acoplados a modelos de
circulação da água, a modelos chuva-vazão, modelos de águas
subterrâneas, etc.
51
NOÇÕES DE HIDROLOGIA E HIDRÁULICA
ENGENHEIRO AGRONÔMO
INTRODUÇÃO À HIDRAÚLICA
Hidráulica, em seu conceito mais simples, é a arte de captar,
conduzir, elevar e utilizar a água, aplicando-lhe as leis da mecânica dos
líquidos. Pode ser definida como a parte da Mêcanica Aplicada que estuda o
comportamento da água e dos demais líquidos em repouso ou em
movimento, estabelecendo leis respectivas.O significado etimológico da
palavra hidráulica é condução de água, do grego hydor, água e aulos, tubo,
condução.Dessa forma, podemos definir a hidráulica como sendo:
A CIÊNCIA QUE ESTUDA O COMPORTAMENTO E AS APLICAÇÕES
DOS FLUIDOS PARA TRANSFORMAÇÃO E CONDUÇÃO DE ENERGIA.
Podem-se definir fluidos como sendo todas as substâncias que escoam,
assumindo a forma do recipiente em que estão sendo colocados.
A hidráulica se divide em
• Hidráulica teórica
Hidrostática
Hidrodinâmica
• Hidráulica Aplicada
Hidráulica Urbana: esgoto, abastecimento de água e tratamento;
Hidráulica Rural: irrigação, drenagem;
Hidráulica Fluvial: rios, canais;
52
NOÇÕES DE HIDROLOGIA E HIDRÁULICA
ENGENHEIRO AGRONÔMO
Hidráulica Marítima: portos, obras marítimas.
A hidráulica, no nosso dia a dia, tem diversas utilidades e abrange
diversos campos, como
problemas de abastecimento de água na agricultura, na
indústria e na cidade;
irrigação, drenagem, conservação do solo e da água,
saneamento de áreas alagadas;
estações de tratamento de água, problemas de segurança com
controle de enchentes;
geração de energia em hidrelétricas;
bombeamento em poços profundos, etc.
Fig 1.: Utilização da hidraúlica em nossos dias
53
NOÇÕES DE HIDROLOGIA E HIDRÁULICA
ENGENHEIRO AGRONÔMO
EVOLUÇÃO DA HIDRÁULICA
Os trabalhos hidráulicos são conhecidos desde a mais remota
Antiguidade.Na Mesopotâmia existiam os canais destinados à irrigação,
construídos nas terras vizinhas aos rios Tigre e Eufrates. Na Babilônia, no
ano 3750 a.C.,haviacoletores de esgotos. No Egito, por volta de 2500 a.C.,
foram construídas diversas obras destinadas à irrigação. Durante a XII
Dinastia, foram realizadas diversas obras hidráulicas, como o lago artificial
de Méris, para a regularização das águas do baixo Nilo.
O primeiro sistema público de abastecimento de água apareceu na
Assíria, em 691 a.C.,tendo recebido o nome de aqueduto Jerwa. Com a
hegemonia dos romanos, os trabalhos hidráulicos foram mais
desenvolvidos, tendo sido encontrados restos de grandes obras, como
aquedutos, depósito, cisternas, etc., em várias partes do mundo. No início,
a hidráulica era utilizada como uma arte empírica. As grandes obras, na
Antiguidade, eram realizadas pela tradição.
Os primeiros conhecimentos científicos iniciaram-se com Arquimedes,
nos anos 287-212 a.C.,descrevendo o mais famoso princípio da
hidrostática, ―a flutuação dos corpos‖. Ele também anuncioudiversos outros
princípios, que são muito utilizados em nossos dias atuais. Uma das
invenções de Arquimedes foi um tipo de bomba conhecida como o Parafuso
de Arquimedes, empregado por Senaquerib, Rei da Assíria, para a irrigação
dos Jardins Suspensos da Babilônia e Nínive, no século VII a.C.
54
NOÇÕES DE HIDROLOGIA E HIDRÁULICA
ENGENHEIRO AGRONÔMO
fig. 2 – parafuso de Arquimedes
Ainda falando de bombas, a agricultura é praticada há mais de
10.000 anos e,por sua causa, o ser humano passou a necessitar de uma
bomba. Aqui, empregamos o termo BOMBApara nos referirmos a qualquer
dispositivo destinado a elevar água. No ano 2000 a.C., os primeiros
registros que temos de irrigação são dos egípcios, que inventaram a bomba
―shadoof‖, ou cegonha, possibilitando a irrigação nas margens do rio Nilo
(fig 3).
As bombas alternativas de pistão ou êmbolo já eram do
conhecimento dos gregos e dos romanos. Ctesibius, por volta de 250 a.C.,
inventou uma bomba alternativa, movida por uma roda d’água, construída
por seu discípulo Hero de Alexandria. No século XIII, al-Jazari descreveu e
ilustrou diversos tipos de bombas, entre outras, a bomba alternativa, o
burrinho a vapor, a bomba de sucção e a bomba de pistão. As bombas
55
NOÇÕES DE HIDROLOGIA E HIDRÁULICA
ENGENHEIRO AGRONÔMO
cinéticas, embora fruto de conceitos muito antigos, só vieram a ser
construídas para uso real no início do século XIX. O inventor francês Denis
Papin construiu uma ―bomba de ar‖, em fins do século XVII, mas carecia de
um acionador adequado. O nome deste aparelho, fole de Hesse, é uma
homenagem ao patrono de Papin à época, o príncipe de Hesse.
Em 1586,Stevin publicou um novo tratado que, juntamente com
estudos de Galileu, Torricelli e Daniel Bernoulli,constituiu a base para a
Hidráulica. O pai das primeiras equações gerais,Leonardo Euler, tentava
explicar o movimento dos fluidos. Nesse tempo, os campos relacionados
com a hidráulica eram distintos, dividindo-se em Hidrodinâmica Teórica,
cujo objetivo era estudar os movimentos dos fluidos perfeitos e Hidráulica
Empírica, que investigava os problemas reais, sem uma base científica
sólida. Dos estudos sobre a aerodinâmica, associados aos estudos teóricos
da Hidrodinâmica Teórica, originou-se a Mecânica dos Fluidos dos dias
atuais.
A partir do século XIX, a produção de tubos de ferro capazes de
resistirem a pressões elevadas e o crescimento das cidades fizeram com
que os serviços de abastecimento de água tivessem um papel importante,
propiciando um rápido crescimento da Hidráulica. Foram as experiências de
Reynolds e Froude e os trabalhos de Rayleigh que formaram a base
científica que consolidaram a Hidráulica. Assim, podemos observar que as
usinas hidrelétricas começaram a aparecer no final do século XIX e são
construídas até hoje.
SISTEMAS DE UNIDADES
Iniciaremos falando das unidades e das formas de utiliza-las, e é de
fundamental importância que as conheçamos. O Sistema Internacional
de Unidades(SI) é o sistema oficialmente adotado no Brasil etem sete
56
NOÇÕES DE HIDROLOGIA E HIDRÁULICA
ENGENHEIRO AGRONÔMO
unidades de base, as quais estão listadas na fig.4 e fornecem as referências
que permitem definir todas as unidades de medida do Sistema
Internacional. Com o progresso da ciência e com o aprimoramento dos
métodos de medição, torna-se necessário revisar e aprimorar
periodicamente as suas definições. Quanto mais exatas forem as medições,
maior deve ser o cuidado para a realização das unidades de medida.
GR
AN
DEZ
A
Un
idad
e
sím
bo
lo
DEFINIÇÃO DA UNIDADE
Comprimento
METR
O
m
O metro é o comprimento do trajeto percorrido
pela luz no vácuo durante um intervalo de tempo de 1/299.792.458 de segundo.
Massa
QU
ILO
GR
AM
A
kg
O quilograma é a unidade de massa, igual à massa
do protótipo internacional do quilograma. Assim, a massa do protótipo internacional do
quilograma, m (К), é exatamente igual a 1kg.
Tempo
SEG
UN
DO
s
O segundo é a duração de 9192631770 períodos da radiação correspondente à transição entre os
dois níveis hiperfinos do estado fundamental do
átomo de césio 133.
Corrente
elétrica
AM
PER
E
A
O ampere é a intensidade de uma corrente elétrica
constante que, mantida em dois condutores
paralelos, retilíneos, de comprimento infinito, de seção circular desprezível, e situados à distância
de 1 metro entre si, no vácuo, produziria entre
estes condutores uma força igual a 2 . 10−7newton
por metro de comprimento.
Temperatura termodinâmica
Kelv
in
K
O kelvin, unidade de temperatura termodinâmica, é a fração 1/273,16 da temperatura
termodinâmica da água.
57
NOÇÕES DE HIDROLOGIA E HIDRÁULICA
ENGENHEIRO AGRONÔMO
Quantidade de
substância
M
OL
Mol
O mol é a quantidade de substância de um sistema
contendo tantas entidades elementares quantos
átomos existem em 0,012 quilograma de carbono 12.
Quando se utiliza o mol, as entidades elementares
devem ser especificadas, podendo ser átomos, moléculas, íons, elétrons, assim como outras
partículas, ou agrupamentos especificados dessas
partículas.
Intensidade
luminosa
CA
ND
EL
A
cd
A candela é a intensidade luminosa, numa dada direção, de uma fonte que emite uma radiação
monocromática de frequência 540 x 1012 hertz e
que tem uma intensidade radiante nessa direção de 1/683 watt por esferorradiano.
Fig: 4 – As setes unidades base do SI
As sete grandezas de base, que correspondem às sete unidades de
base, são comprimento, massa, tempo, corrente elétrica, temperatura
termodinâmica, quantidade de substância e intensidade luminosa. As
grandezas de base, as unidades de base e seus símbolos encontram-se
listadas na fig.5.
GRANDEZA DE BASE SÍMBOLO UNIDADE DE BASE SÍMBOLO
Comprimento h, r, x, l metro m
Massa m quilograma kg
Tempo, duração t segundo s
Corrente elétrica I, i ampere A
Temperatura
termodinâmica T kelvin
K
Quantidade de
substância n mol
mol
Intensidade luminosa Iv candela cd
Fig.:5 - Grandezas de base e unidades de base do SI
Unidades fora do SI
O sistema internacional de medidas (SI) é o único sistema de
unidades que é reconhecido universalmente, de modo que tem vantagem
distinta quando se estabelece um diálogo internacional. Outras unidades,
isto é, unidades não SI, são, geralmente, definidas em termos de unidades
58
NOÇÕES DE HIDROLOGIA E HIDRÁULICA
ENGENHEIRO AGRONÔMO
SI. O uso do SI também simplifica o ensino da ciência. Por todas essas
razões, o emprego das unidades SI é recomendado em todos os campos da
ciência e da tecnologia.
Embora algumas unidades não SI sejam ainda amplamente
utilizadas, outras, a exemplo do minuto, da hora e do dia, como unidades
de tempo, serão sempre empregadas porque elas estão arraigadas
profundamente na nossa cultura. Outras são utilizadas, por razões
históricas, para atender às necessidades de grupos com interesses
especiais, ou porque não existe alternativa SI conveniente. Os cientistas
devem ter a liberdade para utilizar unidades não SI se eles as considerarem
mais adequadas ao seu propósito. Contudo, quando unidades não SI são
utilizadas, o fator de conversão para o SI deve ser sempre incluído.
Algumas unidades não SI estão listadas na fig. 6, com o seu fator de
conversão para o SI.
Grandeza Unidade Símbolo Relação com o SI
Tempo
minuto
hora
dia
min
h
d
1 min = 60 s
1 h = 3600 s
1 d = 86400 s
Volume litro L ou l 1 L = 1 dm3
Massa tonelada t 1 t = 1000 kg
Energia eletronvolt eV 1 eV » 1,602 x 10-19 J
Pressão bar bar 1 bar = 100 kPa
59
NOÇÕES DE HIDROLOGIA E HIDRÁULICA
ENGENHEIRO AGRONÔMO
milímetro de mercúrio mmHg 1 mmHg 133,3 Pa
Comprimento
angstrom Å 1 Å = 10-10m
milha náutica M 1 M = 1852 m
Força dina dyn 1 dyn = 10-5 N
Energia erg erg 1 erg = 10-7 J
Fig.: 7 - Algumas unidades não SI
Os símbolos das unidades começam com letra maiúscula quando se
trata de nome próprio (por exemplo, ampere, A; kelvin, K; hertz, Hz;
coulomb, C). Nos outros casos, eles sempre começam com letra minúscula
(por exemplo, metro, m; segundo, s; mol, mol). O símbolo do litro é uma
exceção: pode-se usar uma letra minúscula ou uma letra maiúscula, L.
Neste caso, a letra maiúscula é utilizada para evitar confusão entre a letra
minúscula l e o número um (1). O símbolo da milhanáutica é apresentado
aqui como M; contudo, não há um acordo geral sobre nenhum símbolo para
a milha náutica.
Análise dimensional
A análise tradicional trata das relações matemáticas entre as grandezas
físicas relevantes. Agora, sairemos da análise tradicional e veremos
unidades em uma análise dimensional, tratando das relações matemáticas
entre as dimensões dessas grandezas. As técnicas da análise dimensional,
geralmente, são mais simples e complementam as técnicas tradicionais,
apresentando utilidade no desenvolvimento de equações para uso na
análise tradicional como, por exemplo,
60
NOÇÕES DE HIDROLOGIA E HIDRÁULICA
ENGENHEIRO AGRONÔMO
odesenvolvimento de fórmulas para conversão entre diferentes sistemas
de unidades;
adescoberta de quais variáveis são relevantes em um determinado
problema teórico ou experimental;
oestabelecimento de princípios para o desenvolvimento de protótipos.
A análise dimensional tem o objetivo de proporcionar uma ideia geral de
um determinado problema, antes de aplicar as técnicas experimentais ou
de análise. Dessa forma, a probabilidade de escolher uma linha de trabalho
bem sucedida ou mais econômica é maior. Ela também permite identificar
tendências ou constantes a partir de um volume grande de dados
experimentais.
Análise dimensional não se aplica apenas à mecânica dos fluidos, mas a
qualquer ramo da ciência, em princípio. Em mecânica dos fluidos,
entretanto, ela adquire importância particular, devido à dificuldade em se
obterem soluções analíticas para a maioria dos problemas práticos.
Vamos analisar estes sistemas dimensionais de unidade,os quais podem
ser divididos em (fig. 8)
Fig 8. Sistemas de unidades
Vamos ver o significado das siglas.Primeiramente, o FLT cujas letras
significam
F representa as unidades de força;
61
NOÇÕES DE HIDROLOGIA E HIDRÁULICA
ENGENHEIRO AGRONÔMO
Lrepresenta as unidades de comprimento;
Trepresenta as unidades de tempo.
F L T
FORÇA COMPRIMENTO TEMPO
Já MLT significa
M representa as unidades de massa;
L representa as unidades de comprimento;
T representa as unidades de tempo.
M L T
MASSA COMPRIMENTO TEMPO
Conseguiram ver a diferença entre os dois sistemas? E só a primeira
letra, o F, representando a força e M representando a massa. Dessa forma,
temos, nestes sistemas de unidades,as mais empregadas na Hidráulica que
são:
CGS (centímetro, grama, segundo);
MKS (metro, quilograma, segundo).
Os sistemas CGS e MKS são absolutos, pois independem do local
onde as medições são realizadas, empregando-se o grama e o quilograma
para expressar a massa.
Assim, a expressão de uma grandeza física em função das
grandezas fundamentais denomina-se EQUAÇÃO DIMENSIONAL. Para
análise dimensional nesses sistemas de unidades, adotam-se as seguintes
notações para as grandezasfundamentais:
M - massa; L - comprimento; T – tempo
Velocidade = espaço · tempo-1 = L T-1
62
NOÇÕES DE HIDROLOGIA E HIDRÁULICA
ENGENHEIRO AGRONÔMO
Aceleração = velocidade · tempo-2 = L T-2
Força = massa · aceleração = M L T-2 = F
Trabalho (Energia) = força · deslocamento = M L2 T-2
Potência = trabalho · tempo-1 = M L2 T-3
Pressão = força · área-1 = M L-1 T-2
Com essas considerações, pode-se construir o seguinte quadro:
GRANDEZA DIMENSÃO
SISTEMAS
CGS MKS MKS TÉCNICO
Velocidade L T-1 cm . s-1 m . s-1 m . s-1
Aceleração L T-2 cm . s-2 m . s-2 m . s-2
Força M L T-2 g . cm . s-2 = dina kgms-2 = Newton = N quilograma-
força (kgf)
Trabalho M L2 T-2 dina cm = erg N.m = joule = J kgf m
(quilogrâmetro)
Pressão M L-1 T-2 Dina cm-2 = baria N m-2 = Pascal = Pa kgf m-2
Potência M L2 T-3 erg s-1 joule s-1 = watt = W kgf m s-1
Agora já temos um belo quadro para estudar, certo? Todos bem afiados
nestes sistemas.Se tiverem dúvidas, utilizem o fórum.
O sistema MKS técnico depende do
local da medição, devido à variação
espacial da aceleração da
gravidade.
63
NOÇÕES DE HIDROLOGIA E HIDRÁULICA
ENGENHEIRO AGRONÔMO
VAMOS EXERCITAR!
9 - Professor - Engenharia Mecânica - IF/PA- 2015
Segundo o Sistema Internacional de Unidades (SI), são exemplos de grandezas e
unidades de base:
A) massa (kg), tempo (s) e ângulo plano (rad).
B) temperatura (K), trabalho (J) e frequência (Hz).
C) comprimento (m), potência (W) e quantidade de matéria (mol).
D) massa (kg), comprimento (m) e intensidade luminosa (cd).
E) ângulo sólido (sr), comprimento de onda (m) e energia (J).
SOLUÇÃO
As grandezas de base são o comprimento, massa e tempo. O Sistema
internacional (SI), atualmente, temos sete unidades de base, sendo:
. o metro, unidade de comprimento;
. o quilograma, unidade de massa;
. o segundo, unidade de tempo;
. o ampere, unidade de corrente elétrica;
. o kelvin, unidade de temperatura termodinâmica;
. o mol, unidade de quantidade de matéria;
. a candela, unidade de intensidade luminosa.
Os sistemas CGS e MKS são
absolutos, pois independem do
local onde as medições são
realizadas, empregando-se o
grama e o quilograma para
expressar a massa
64
NOÇÕES DE HIDROLOGIA E HIDRÁULICA
ENGENHEIRO AGRONÔMO
RESPOSTA D
10 - CESPE - POLÍCIA CIENTÍFICA - PE - Perito Papiloscopista- 2016
Assinale a opção que apresenta associação correta entre a grandeza física e sua
unidade de base correspondente, de acordo com o sistema internacional de pesos
e medidas.
A - corrente elétrica: candela
B - temperatura termodinâmica: kelvin
C - quantidade de substância: %/kg
D - intensidade luminosa: ampere
E - massa: mol
SOLUÇÃO
Conforme vistona fig. 1,
temperatura
termodinâmica
ke
lvin
K
O kelvin, unidade de temperatura
termodinâmica, é a fração 1/273,16 da
temperatura termodinâmica no ponto tríplice
da água.
Assim, a unidade de corrente elétrica é o ampere, da intensidade luminosa é
candela, e a unidade de quantidade de substância é mol.
RESPOSTA B
CARACTERÍSTICAS DA PRESSÃO NOS FLUIDOS
Agora entraremos no estudo da mecânica dos fluidos, sendo esta a parte
da mecânica que estuda o comportamento físico dos fluidos e suas
propriedades. Os aspectos teóricos e práticos da mecânica dos fluidos são
de fundamental importância para a solução de diversos problemas
encontrados habitualmente na engenharia, como, por exemplo,
ação de fluidos sobre superfícies submersas, como, por exemplo, o
dimensionamento de uma barragens;
65
NOÇÕES DE HIDROLOGIA E HIDRÁULICA
ENGENHEIRO AGRONÔMO
equilíbrio de corpos flutuantes, como os navios e as embarcações;
ação do vento sobre construções civis;
estudos de lubrificação;
transporte de sólidos por via pneumática ou hidráulica,como, por
exemplo, os elevadores hidráulicos;
cálculo de instalações hidráulicas, a instalação de recalque, sendo a
instalação hidráulica que transporta o fluido de uma cota inferior para
uma cota superior e onde o escoamento é viabilizado pela presença
de uma bomba hidráulica.É um dispositivo projetado para fornecer
energia ao fluido que, ao ser considerada por unidade do fluido, é
denominada de carga manométrica da bomba (HB).Uma instalação
de recalque pode ser dividida em dois tipos que são umatubulação de
sucção,ficando a tubulação antes da bomba e a tubulação de
recalque,ficando a tubulação após a bomba;
cálculo de máquinas hidráulicas, como o dimensionamento de
bombas e turbinas;
instalações de vapor, como as caldeiras.
Assim, o estudo da mecânica dos fluidos é dividido, basicamente, em
dois ramos, a estática dos fluidos e a dinâmica dos fluidos. A estática dos
fluidos trata das propriedades e das leis físicas que regem o
comportamento dos fluidos livre da ação de forças externas, ou seja, nesta
situação, o fluido se encontra em repouso ou em deslocamento com
velocidade constante.Já a dinâmica dos fluidos é responsável pelo estudo e
o comportamento dos fluidos em regime de movimento acelerado no qual
se faz presente a ação de forças externas responsáveis pelo transporte de
massa.Dessa forma, os fluidos não têm forma própria, moldando-se ao
recipiente que os contém e, quando em repouso, não admitem a existência
de esforços tangenciais entre suas partículas.Assim, se um fluido estiverem
66
NOÇÕES DE HIDROLOGIA E HIDRÁULICA
ENGENHEIRO AGRONÔMO
equilíbrio, somente podem existir no seu interior esforços normais, pois os
esforços tangenciais acarretariam odeslocamento recíproco das partículas.
Nos fluidos em repouso, viscosos ou não, em qualquer ponto a pressão é
sempre normal à superfície onde age. Dessa forma, há dois tipos de força
agindo sobre o fluido, que são:
FORÇAS TANGENCIAIS –são as forças que agem paralelamente
àsuperfície do fluido. Também são chamadas de forças de
cisalhamento, que é um tipo de tensão gerado por forças aplicadas
em sentidos iguais ou opostos, em direções semelhantes, mas com
intensidades diferentes no material analisado. Um exemplo disso é a
aplicação de forças paralelas, mas em sentidos opostos, ou a típica
tensão que gera o corte em tesouras;
FORÇAS NORMAIS– são as forças que são aplicadas na direção
perpendicular à superfície do fluido. Elas comprimem o fluido gerando
a PRESSÃO.
VAMOS EXERCITAR
11 - CESPE - TJ-CE - Engenharia Mecânica – 2014
O valor da pressão em um fluido estático, em uma dada profundidade, é:
a) maior na direção e sentido em que a partícula fluida se deforma.
b) igual em todas as direções.
c) maior na direção e sentido opostos à força gravitacional.
d) maior na direção e sentido opostos aos daqueles em que a partícula fluida se
deforma.
e) maior na direção e sentido da força gravitacional
A resposta correta é a B.Se tivesse forças agindo no líquido, não estaria
estático, seriam forças tangenciais que promoveriam o movimento do
SOLUÇÃO
67
NOÇÕES DE HIDROLOGIA E HIDRÁULICA
ENGENHEIRO AGRONÔMO
fluido. Nesta questão temos forças normais aplicadas na direção
perpendicular à superfície do fluido comprimindo-o, gerando a PRESSÃO,
que é igual em todas as direções.
RESPOSTA B
Um fluido é caracterizado como uma substância que se deforma
continuamente quando submetida a uma tensão de cisalhamento, não
importando o quanto pequena possa ser essa tensão. Os fluidos incluem os
líquidos, os gases, os plasmas e, de certa maneira, os sólidos plásticos. A
principal característica dos fluidos está relacionada à propriedade de não
resistir à deformação e apresentam a capacidade de fluir, ou seja, a
habilidade de tomar a forma de seus recipientes (fig.9). Esta propriedade é
proveniente da sua incapacidade de suportar uma tensão de cisalhamento
em equilíbrio estático.
FIG 9.: Fluidos líquido e gasoso
Algumas propriedades são fundamentais para a análise de um fluido
e representam a base para o estudo da mecânica dos fluidos.Essas
propriedades são específicas para cada tipo de substância avaliada. Dentre
essas propriedades podem-se citar:
massa específica;
peso específico;
peso específico relativo.
68
NOÇÕES DE HIDROLOGIA E HIDRÁULICA
ENGENHEIRO AGRONÔMO
1 - MASSA ESPECÍFICA OU DENSIDADE ABSOLUTA - p
Representa a relação entre a massa de uma determinada substância
e o volume ocupado por ela. A massa específica pode serquantificada por
meio da aplicação da equação a seguir.
𝑝 =𝑚
𝑣
em que
ρ é a massa específica
m representa a massa da substância
V é o volume por ela ocupado
No Sistema Internacional de Unidades (SI), a massa é quantificada
em kg e o volume em m³. Assim, a unidade de massa específica é kg/m³.
Vamos exercitar!
12 - CESPE 2008 STF Analista Judiciário Engenharia Mecânica
Considerando os princípios de mecânica dos fluidos, julgue os itens
subsequentes.
Para que um objeto flutue em um tanque com água, a densidade desse
objeto deve ser inferior a 1 g/cm3.
o Certo
o Errado
SOLUÇÃO
Para que um objeto flutue é preciso atender aos requisitos do empuxo,
essa propriedade nos indica que, um objeto flutuará em um líquido, se a
sua massa específica for menor que a massa específica do líquido onde ele
é mergulhado. Em outras palavras, a densidade do corpo deve ser menor
que a do líquido, conforme diz a questão.
RESPOSTA CERTO
69
NOÇÕES DE HIDROLOGIA E HIDRÁULICA
ENGENHEIRO AGRONÔMO
É a relação entre o peso específico de um fluido e o volume ocupado. Seu
valor pode ser obtido pela aplicação da equação a seguir.
𝑦 =𝑤
𝑣equação 1
O peso pode ser definido pelo princípio fundamental da dinâmica
representado pela 2ª Lei de Newton.Assim podemos reescrever a equação
da seguinte forma:
𝑤 = 𝑚 . 𝑔
Substituindo na equação 1, temos:
𝑦 = 𝑚 .𝑔
𝑣equação 2
Agora, veremos que, a partir da análise das equações, é possível verificar
que existe uma relação entre a massa específica de um fluido e o seu peso
específico, e, assim, pode-se escrever que
𝑦 = 𝑝. 𝑔
em que
γé o peso específico do fluido N/ m3
W é o peso do fluido com a unidade em N
g representa a aceleração da gravidade que, na unidade do SI, é
representada por m/s².
13 - IF-RS– Professor- 2010
A análise de qualquer problema de mecânica dos fluidos começa,
necessariamente, de modo direto ou indireto, com declarações das leis básicas
2 - PESO ESPECÍFICO
70
NOÇÕES DE HIDROLOGIA E HIDRÁULICA
ENGENHEIRO AGRONÔMO
que modelam o movimento do fluido. Dentre as leis básicas aplicáveis a qualquer
fluido, podemos citar:
I - A segunda lei de Newton.
II - A conservação de massa.
III - Lei de Faraday.
IV - A segunda lei da termodinâmica
Estão corretas as alternativas:
A) IV apenas.
B) I apenas.
C) I, II e IV apenas.
D) I e III apenas.
E) II e III apenas.
SOLUÇÃO
Como já exposto,o item I está certo.A segunda Lei de Newton diz que―A força
resultante que atua sobre um corpo é proporcional ao produto da
massa pela aceleração por ele adquirida.‖
Essa relação pode ser descrita pela equação:
𝑭𝒓 = 𝒎. 𝒂
em que
Fr = força
m= massa
a = aceleração
71
NOÇÕES DE HIDROLOGIA E HIDRÁULICA
ENGENHEIRO AGRONÔMO
Também a partir da segunda Lei de Newton, temos outra definição que é a
Força Peso, a qual é correspondente à atração exercida por um planeta
sobre um corpo em sua superfície. Ela é calculada utilizando-se a equação
𝑷 = 𝒎 . 𝒈
O item II refere-se àLei de Conservação da Massa da seguinte
forma:―No interior de um recipiente fechado, a massa total não
varia, quaisquer que sejam as transformações que venham a
ocorrer.‖
Ou
―Num recipiente fechado, a soma das massas dos reagentes é igual
à soma das massas dos produtos.‖
Esta lei é muito utilizada na mecânica dos fluidos.
O item III fala daLei de Faraday,que serelaciona com a força eletromotriz
ε induzida na espira, com a taxa de variação do fluxo magnético através
desta espira. Assim, a Lei de Faraday enuncia que ―O valor da força
eletromotriz induzida em uma espira de área A é igual à taxa de variação
do fluxo magnético através dessa espira‖. ESTA NÃO SERVE PARA
NOSSO ESTUDO.
O item IV fala sobre a segunda lei da termodinâmica, que estabelece o
conceito de entropia. A entropia, em poucas palavras, mede a desordem de
um sistema. Diz-se que, à medida que se dissipa energia de forma
irreversível, aumenta-se a entropia do Universo e, então, sua desordem. A
Termodinâmica, especialmente sua Segunda Lei, mostra isso.
Como explicamos só o item III está incorreto.
RESPOSTA C
72
NOÇÕES DE HIDROLOGIA E HIDRÁULICA
ENGENHEIRO AGRONÔMO
3 - PESO ESPECÍFICO RELATIVO
O peso específico relativo é representado pela relação entre o peso
específico do fluido em estudo e o peso específico da água. Em condições
de atmosfera padrão, o peso específico da água é 10000N/m³ e, como o
peso específico relativo é a relação entre dois pesos específicos, a unidade
que representa o peso específico é adimensional, ou seja, não contempla
unidades.
𝑦𝑟 =𝑦
𝑦𝐻2𝑂0
Tabela de propriedades dos fluidos
CARACTERÍSTICAS DOS FLUIDOS
Os fluidos são divididos em líquidos que formam uma superfície livre,
isto é, quando em repouso apresentam uma superfície estacionária não
determinada pelo recipiente que contém o líquido. Os gases apresentam a
propriedade de se expandirem livremente, quando não confinados por um
73
NOÇÕES DE HIDROLOGIA E HIDRÁULICA
ENGENHEIRO AGRONÔMO
recipiente, não formando, portanto, uma superfície livre. A superfície livre
característica dos líquidos é uma propriedade da presença de tensão
interna e da atração/repulsão entre as moléculas do fluido, bem como da
relação entre as tensões internas do líquido com o fluido ou sólido que o
limitam. A pressão capilar está associada com esta relação.
Um fluido que apresenta resistência à redução de volume próprio é
denominado fluido incompressível.Como exemplos citam-se a água e o
óleo; pode-se aplicar uma pressão que sua densidade não vai variar.
Agora, o fluido que responde com uma redução de seu volume próprio ao
ser submetido à ação de uma força é denominado fluido
compressível.Como exemplo, temos o ar comprimido, que é o ar estocado
em galões, cilindros ou botijões por meio de processos mecânicos para
compressão e armazenamento de ar gerados por um compressor, para
futuras aplicações(fig. 9).
Fig. 10: Compressor de ar com dois pistões em "V", estoca ar comprimido em seu botijão.
Assim, a distinção entre sólidos e fluidos não é tão óbvia quanto
parece, podendo ser feita pela comparação da viscosidade da matéria.Por
exemplo, asfalto, mel e lama são substâncias que podem ser consideradas
ou não como um fluido, dependendo do período das condições e do período
de tempo no qual são observadas. Dessa forma, os gases e os líquidos
podem ambos ser considerados fluidos. Há certas características
74
NOÇÕES DE HIDROLOGIA E HIDRÁULICA
ENGENHEIRO AGRONÔMO
partilhadas por todos os fluidos que podem ser utilizadas para distinguir
líquidos e gases.Vamos a elas.
COMPRESSIBILIDADE
Com relação à compressibilidade, os gases são bastante
compressíveis e os líquidos são pouco compressíveis. Iremos considerar
líquidos como fluidos incompressíveis, pois alterações na pressão provocam
uma variação desprezível na massa específica. A compressibilidade da água
é considerada, na prática, apenas no cálculo do golpe de aríete. Os gases
são altamente compressíveis.
CELERIDADE E NÚMERO DE MACH
Os escoamentos nos quais as variações de densidade do fluido são
desprezíveis denominam-se incompressíveis. Quando estas variações não
podem ser desprezadas, os escoamentos são ditos compressíveis. Para a
maioria dos casos práticos, os escoamentos de líquidos são
incompressíveis. Os gases também podem se comportar como fluidos
incompressíveis, desde que a velocidade do escoamento seja pequena em
relação à velocidade do som. Assim, a celeridade é a velocidade média de
propagação das ondas de pressão, dependendo das características do fluido
e da canalização (fig. 11)
𝑎 =9.900
48,3 +𝐾.𝐷
𝑒
Fig 11 .Cálculo da celeridade
em que
a= celeridade (m/s);
K = Coeficiente do material (da tubulação);
D = diâmetro (mm);
75
NOÇÕES DE HIDROLOGIA E HIDRÁULICA
ENGENHEIRO AGRONÔMO
e = espessura do tubo (mm).
O número de Mach,simbolizado pela letra M, é um adimensional, ou
seja, não tem unidade.Quando o número de Mach for menor que 0,3, os
gases podem ser tratados como fluidos incompressíveis (variações de
densidade inferiores a 5%). A fórmula acima deve ser memorizada por
vocês quando chegarmos a estudar o golpe de aríete.Voltaremos a ela
novamente e aprofundaremos mais este assunto.
Assim, a celeridade tem um papel relevante quando estudamos o
fenômeno do golpe de aríete, em que se consideram as variações de massa
específica decorrentes de variação da pressão em uma massa d’água em
escoamento. O golpe de aríete, ou martelo hidráulico, é causado pela
propagação e reflexão de ondas acústicas em um líquido confinado, quando
uma válvula é bruscamente fechada numa tubulação. A cavitação ocorre
quando bolhas ou bolsas de vapor se formam em um escoamento líquido,
como consequência de reduções locais na pressão, como, por exemplo, nas
extremidades das pás da hélice de um barco a motor. O crescimento e o
colapso, ou implosão, de bolhas de vapor em regiões adjacentes a
superfícies sólidas podem causar sérios danos por erosão a estas
superfícies. O golpe de aríete e a cavitação são exemplos da importância
dos efeitos de compressibilidade nos escoamentos de líquidos, e a fórmula
da Fig.11é utilizada para minimizar estes efeitos
Vamos exercitar!
14 - IF-RS– PROFESSOR- 2010
Escoamentos podem ser considerados como compressíveis ou incompressíveis. Os
escoamentos poderão ser considerados incompressíveis quando:
I - As variações na massa específica são desprezíveis.
II - As variações na massa específica não são desprezíveis.
76
NOÇÕES DE HIDROLOGIA E HIDRÁULICA
ENGENHEIRO AGRONÔMO
III - O número de Mach for menor do que 0,3.
IV - O número de Mach for maior do que 0,3.
Estão corretas as alternativas
A) III apenas.
B) II e IV apenas.
C) I e III apenas.
D) I apenas.
E) II apenas.
SOLUÇÃO
Escoamentos nos quais as variações na massa específica são desprezíveis
são denominados incompressíveis; quando essas variações são
consideráveis, o escoamento é dito compressível. A maioria dos
escoamentos de líquidos é, essencialmente, incompressível. Embora a
maior parte dos escoamentos gasosos seja compressível, nos casos de a
velocidade do escoamento (V) ser pequena em relação à velocidade do som
no fluido (c), ele pode ser considerado incompressível, quando o número de
Mach (M=V/c) for menor que 0,3.
15 – IBFC PCRJ - Perito Criminal Engenharia Mecânica - 2013
A variável adimensional da mecânica dos fluidos que é dada pela razão entre a
velocidade de um corpo que se move num fluido e a velocidade do som nesse
mesmo fluido chama-se número de:
a) Froude.
b) Reynolds.
c) Euler.
RESPOSTA C
77
NOÇÕES DE HIDROLOGIA E HIDRÁULICA
ENGENHEIRO AGRONÔMO
d) Weber.
e) Mach.
SOLUÇÃO
O número de Mach, M, é um adimensional definido como sendo a relação
entre a velocidade de deslocamento do fluido e a celeridade (velocidade
do som nesse mesmo fluido).
RESISTÊNCIA AO CORTE
Essa característica nos diz que os líquidos e gases não resistem ao
corte e deformam-se continuamente para minimizar forças de corte
aplicadas;
FORMA E VOLUME
De uma forma prática, os líquidos são aqueles que, quando colocados
num recipiente a determinada temperatura e pressão, tomam o formato
deste, apresentando porém uma superfície livre; enquanto que os gases
preenchem totalmente o recipiente, sem apresentar nenhuma superfície
livre.
RESPOSTA E
78
NOÇÕES DE HIDROLOGIA E HIDRÁULICA
ENGENHEIRO AGRONÔMO
O comportamento dos líquidos e gases é análogo apenas em dutos
fechados, não sendo observado este comportamento em canais.
RESISTÊNCIA AO MOVIMENTO E ESPAÇO MOLECULAR
Com relação à resistência ao movimento,a viscosidade dos líquidos
resisteàs mudanças instantâneas na velocidade; os gases têm
viscosidademuito baixa.Com relação ao espaço molecular, as moléculas dos
líquidos estão muito próximas e estão ligadas entre si com forças de
atração elevadas; elas têm baixa energia cinética.A distância percorrida por
uma molécula de água entre colisões é pequena.Nos gases, as moléculas
estão relativamente afastadas e as forças atrativas são fracas, a energia
cinética das moléculas é elevada e as moléculas de um gás percorrem
grandes distâncias entre colisões.
PRESSÃO
É definida como a razão entre a componente normal de uma força(F) e a
área sobre a qual ela atua (A).
𝑃 = 𝐹
𝐴 𝑁 (𝑛𝑒𝑡𝑤𝑜𝑛)
A pressão exercida em um elemento de área de um fluido é igual em
todas as direções e a nossa conhecida Lei de Pascal. Para que ocorra o
escoamento de um fluido de um ponto até o outro é necessário que haja
uma diferença de pressão.
A pressão pode ser do tipoPressão Absoluta (Pabs) sendo medida com
relação a pressão zero absoluto. Pressão Relativa ou Manométrica (Prel) que
é medida com relação a pressão atmosférica local. Pressão Atmosférica
Padrão (Patm) sendo a pressão média ao nível do mar. Podemos formar uma
relação de Pressões:
79
NOÇÕES DE HIDROLOGIA E HIDRÁULICA
ENGENHEIRO AGRONÔMO
Pabs = Prel + Patm
Os aparelhos destinados a medir a pressão relativa são o manômetro
e também o piezômetro. O instrumento que mede a pressão atmosférica é
o barômetro.
Os fluidos podem ser divididos em dois tipos de categorias para
efeitos de cálculo. São eles:
IDEAIS – não têm viscosidade, ou seja, não resistem ao corte.São
incompressíveis e têm distribuições de velocidade uniforme quando
fluem.Não existe fricção entre camadas que se movimentam no
fluido, não existe turbulência;
REAIS – exibem viscosidade finita e distribuição de velocidade
nãouniforme; são compressíveis e experimentam fricção e
turbulência ao fluírem.
Assim, dividimos os fluidos reais em dois tipos:
fluidos newtonianos- a maioria dos problemas com fluidos assume
fluidos reais com propriedades newtonianas;
fluidos não newtonianos.
ESCOAMENTO DE UM FLUIDO EM UM TUBO
80
NOÇÕES DE HIDROLOGIA E HIDRÁULICA
ENGENHEIRO AGRONÔMO
A viscosidade está relacionada com o atrito entre as moléculas do
fluido, podendo ser definida como a resistência ao escoamento que os
fluidos apresentam. Viscosidade é a medida da resistência oferecida por
qualquer fluido, podendo ser líquido ou gás, ao movimento ou ao
escoamento. Um dos métodos utilizados para determinar a
viscosidade,conforme se vê na figura acima,é verificar o tempo gasto para
escoar determinada quantidade de óleo, a uma temperatura estabelecida,
através de orifício de dimensões especificas.Existem várias camadas que se
deslocam com velocidades diferentes, sendo a velocidade igual a zero junto
à parede do tubo e máxima na parte central. Surgem, então, dois tipos de
atrito que são:
A) ATRITO EXTERNO: resistência ao deslizamento do fluido ao longo de
superfícies sólidas.Refere-se à resistência ao movimento do fluido, devido à
rugosidade das paredes dos condutos, provocando perda de carga
(energia). Deve-se distinguir dois tipos de Regimes de Escoamento que
são:
LAMINAR:ocorre quando as partículas de um fluido movem-se ao longo de
trajetórias bem definidas, apresentando lâminas ou camadas,por isso o
nome ―laminar‖, cada uma delas preservando sua característica no meio.
No escoamento laminar, a viscosidade age no fluido, no sentido de
amortecer a tendência de surgimento da turbulência. Este escoamento
ocorre, geralmente, a baixas velocidades e em fluidos que apresentem
grande viscosidade.
FIG.: 11 - Escoamento laminar
81
NOÇÕES DE HIDROLOGIA E HIDRÁULICA
ENGENHEIRO AGRONÔMO
TURBULENTO:As partículas de um fluido não se movem ao longo de
trajetórias bem definidas, ou seja, as partículas descrevem trajetórias
irregulares, com movimento aleatório, produzindo uma transferência de
quantidade de movimento entre regiões de massa líquida. Este escoamento
é comum na água, cuja viscosidade e relativamente baixa.
Fig.: 12 – Escoamento turbulento
B - ATRITO INTERNO OU VISCOSIDADE:resistência ao deslocamento
mútuo das partículas do fluido. Durante o escoamento de um fluido
observam-se um relativo movimento ente suas partículas, resultando um
atrito entre as mesmas. Viscosidade ou Atrito Interno é a propriedade que
determina o grau de resistência do fluido à força cisalhante, ou seja,
resistir à deformação.
Na mecânica dos fluidos, para o cálculo do regime de escoamento de
determinado fluido dentro de um tubo ou sobre uma superfície,utilizamos o
número de Reynolds (abreviado como Re), que é um número adimensional,
não tem unidade. É utilizado, por exemplo, em projetos de tubulações
industriais e asas de aviões. O seu nome vem de Osborne Reynolds, um
físico e engenheiro irlandês. O seu significado físico é um quociente entre
as forças de inércia e as forças de viscosidade.
𝑛º 𝑅𝑒𝑦𝑛𝑜𝑙𝑑𝑠 =𝑝 𝑥 𝑑 𝑥 𝑣
𝑢
Fig. 12 Fórmula de Reynolds
82
NOÇÕES DE HIDROLOGIA E HIDRÁULICA
ENGENHEIRO AGRONÔMO
em que
p = massa específica do fluido d =
diâmetro da tubulação v =
velocidade do escoamento
µ = viscosidade dinâmica do fluido
A grande importância do número de Reynolds é a possibilidade de se
avaliar a estabilidade do fluxo, podendo-se obter uma indicação se o
escoamento flui de forma laminar ou turbulenta. O número de Reynolds
constitui a base do comportamento de sistemas reais, pelo uso de modelos
reduzidos. Um exemplo comum é o túnel aerodinâmico em que se medem
forças desta natureza em modelos de asas de aviões. Pode-se dizer que
dois sistemas são dinamicamente semelhantes se o número de Reynolds
for o mesmo para ambos. A classificação dos regimes em função do node
Reynolds é
Voltaremos a falar deste
assunto ainda nas próximas
aulas.Por enquanto, vá
memorizando estas informações.
Vamos exercitar!
16 - CONSULPLAN TSE Analista Judiciário Engenharia Mecânica - 2012
Sobre o número de Reynolds usado na determinação do regime de escoamento de
um fluido, analise.
I. É um número adimensional.
II. É diretamente proporcional à velocidade do fluido.
III. É diretamente proporcional à viscosidade cinemática do fluido. Assinale
Nº Rey Regime de escoamento
< 2.000 LAMINAR
2.000 a 4.000 INSTÁVEL
> 4.000 TURBULENTO
83
NOÇÕES DE HIDROLOGIA E HIDRÁULICA
ENGENHEIRO AGRONÔMO
a) se apenas as afirmativas I e II estiverem corretas.
b) se apenas as afirmativas I e III estiverem corretas.
c) se apenas as afirmativas II e III estiverem corretas.
d) se todas as afirmativas estiverem corretas.
SOLUÇÃO
Pelo que acabamos de ver, os itens I e II estão corretos eo item III
está incorreto.Para compreender um pouco sobre esta questão de
diretamente e inversamente proporcional, segue um esquema.Espero que
ajude.
GRANDEZAS DIRETAMENTE PROPORCIONAIS
Duas grandezas são diretamente proporcionais quando, aumentando
uma delas, a outra aumenta na mesma proporção da primeira.
Exemplo:
Um carro percorre:
* 80 km em 1 hora
* 160 km em 2 horas
* 240km em 3 horas
Relembrando a equação da velocidade:
𝑣 =∆𝑑
∆𝑡
𝑣 = 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 𝑚é𝑑𝑖𝑎
∆𝑑 = 𝑑𝑖𝑠𝑡â𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑝𝑒𝑟𝑐𝑜𝑟𝑟𝑖𝑑𝑎
∆𝑡 = 𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑣𝑎𝑙𝑜 𝑑𝑒 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑜
Então, o tempo e a distância são grandezas diretamente proporcionais, pois
aumentam na mesma proporção.
84
NOÇÕES DE HIDROLOGIA E HIDRÁULICA
ENGENHEIRO AGRONÔMO
GRANDEZAS INVERSAMENTE PROPORCIONAIS
Assim,duas grandezas são inversamente proporcionais quando,
aumentando uma delas, a outra diminui na mesma razão da primeira.
Exemplo:
Um carro faz um percurso em:
* 1 hora com velocidade de 90km/h
* 2 horas com velocidade de 45km/h
* 3 horas com velocidade de 30km/h
Então, o tempo e a velocidade são grandezas inversamente
proporcionais, conforme mostrado no exemplo acima. Conforme os
exemplos dados, podemos concluir que ele é diretamente proporcional à
velocidade do fluido.
𝑛º 𝑅𝑒𝑦𝑛𝑜𝑙𝑑𝑠 =𝑝 𝑥 𝑑 𝑥 𝑣
𝑢
Com relação ao número de Reynolds, que define o regime de escoamento de um
fluido, é correto afirmar que:
a) é diretamente proporcional à densidade do fluido.
b) é diretamente proporcional à viscosidade do fluido.
c) é inversamente proporcional à velocidade do fluido.
d) não pode ser inferior a 1.000.
e) não pode ser superior a 1.000
SOLUÇÃO
RESPOSTA A
17 - FGV - BADESC Engenheiro – 2010
85
NOÇÕES DE HIDROLOGIA E HIDRÁULICA
ENGENHEIRO AGRONÔMO
Agora ficou fácil. Conforme vimos anteriormente, ela é diretamente
proporcional ao fluido.
𝑛º 𝑅𝑒𝑦𝑛𝑜𝑙𝑑𝑠 =𝑝 𝑥 𝑑 𝑥 𝑣
𝑢
Vamos dar uma pausa, aguardamos vocês na próxima aula!
RESPOSTA A
86
NOÇÕES DE HIDROLOGIA E HIDRÁULICA
ENGENHEIRO AGRONÔMO
LISTA DE QUESTÕES COMENTADAS
87
NOÇÕES DE HIDROLOGIA E HIDRÁULICA
ENGENHEIRO AGRONÔMO
1- Petrobras - Engenheiro de Meio Ambiente Júnior - CESGRANRIO - 2011
O ciclo hidrológico é um fenômeno global de circulação fechada da
água entre a superfície terrestre e a atmosfera, impulsionado
fundamentalmente pela energia solar. Com relação ao ciclo hidrológico,
assinale a alternativa correta.
a) Os volumes evaporados em um determinado local do planeta precipitam
necessariamente no mesmo local, porque há movimentos contínuos, com
dinâmicas diferentes, na atmosfera e também na superfície terrestre.
b) O escoamento superficial é impulsionado pela gravidade para as cotas
mais baixas, vencendo o atrito com a superfície do solo.
c) O processo de infiltração ocorre quando a taxa de saturação do solo é
superior à da precipitação.
d) A presença de vegetação na superfície contribui para criar obstáculo ao
escoamento superficial, não favorecendo a infiltração em percurso.
e) A infiltração e a percolação no interior do solo são comandadas somente
pela ação da gravidade.
SOLUÇÃO
Vamos analisar cada item:
a) Os volumes evaporados em um determinado local do planeta
precipitam necessariamente no mesmo local, porque há
movimentos contínuos, com dinâmicas diferentes, na atmosfera e
também na superfície terrestre. ERRADO
88
NOÇÕES DE HIDROLOGIA E HIDRÁULICA
ENGENHEIRO AGRONÔMO
Os volumes evaporados em um determinado local do planeta não
precipitam necessariamente no mesmo local, porque há movimentos
contínuos, com dinâmicas diferentes, na atmosfera, e também na superfície
terrestre.
b) O escoamento superficial é impulsionado pela gravidade para as cotas
mais baixas, vencendo o atrito com a superfície do solo. CORRETO
O escoamento superficial é impulsionado pela gravidade para as
cotas mais baixas, vencendo principalmente o atrito com a superfície
do solo. O escoamento superficial manifesta-se inicialmente na forma
de pequenos filetes de água que se moldam ao micro relevo do
solo.
c) O processo de infiltração ocorre quando a taxa de saturação do
solo é superior à da precipitação. ERRADO
A Infiltração é, portanto, o processo de penetração da água nas camadas
de solo próximas à superfície do terreno, movendo-se para baixo, através
de vazios, sob a ação da gravidade, até atingir uma camada suporte que a
retém, formando então o teor de umidade de um solo. O grau de saturação
do solo é definido pela relação entre o volume de água e o volume de
vazios da amostra.
d) A presença de vegetação na superfície contribui para criar
obstáculo ao escoamento superficial, não favorecendo a infiltração
em percurso. ERRADO
A presença de vegetação na superfície do solo contribui para
obstaculizar o escoamento superficial, favorecendo a infiltração em
percurso. A vegetação também reduz a energia de impacto das gotas de
chuva no solo, minimizando a erosão. A presença da vegetação atenua ou
elimina a ação da compactação da água da chuva e permite o
89
NOÇÕES DE HIDROLOGIA E HIDRÁULICA
ENGENHEIRO AGRONÔMO
estabelecimento de uma camada de matéria orgânica em decomposição
que favorece a atividade escavadora de insetos e animais, favorece
também a infiltração, pois dificulta o escoamento superficial da água.
Cessada a chuva retira a umidade do solo, através de suas raízes,
possibilitando maiores valores da capacidade de infiltração no início das
precipitações.
e) A infiltração e a percolação no interior do solo são comandadas
somente pela ação da gravidade. ERRADO
A infiltração e a percolação no interior do solo são comandadas pelas
tensões capilares nos poros e pela gravidade. A umidade do solo
realimentada pela infiltração é aproveitada em parte pelos vegetais, que a
absorvem pelas raízes e a devolve, quase toda, à atmosfera por
transpiração, na forma de vapor de água. O que os vegetais não
aproveitam, percola para o lençol freático que normalmente contribui
para o escoamento de base dos rios. A infiltração é um processo que
depende, em maior ou menor grau, de diversos fatores, dentre eles PINTO,
HOLTZ & MARTINS (1967) define alguns:
• Tipo de solo
A capacidade de infiltração varia diretamente com a porosidade, o tamanho
das partículas do solo e o estado de fissuração das rochas. As
características presentes em pequena camada superficial, com espessura
da ordem de 1 cm, tem influência sobre a capacidade de infiltração.
• Cobertura vegetal
A presença da vegetação atenua ou elimina a ação da compactação da
água da chuva e permite o estabelecimento de uma camada de matéria
orgânica em decomposição que favorece a atividade escavadora de insetos
e animais, favorece também a infiltração, pois dificulta o escoamento
superficial da água. Cessada a chuva retira a umidade do solo, através de
suas raízes, possibilitando maiores valores da capacidade de infiltração no
90
NOÇÕES DE HIDROLOGIA E HIDRÁULICA
ENGENHEIRO AGRONÔMO
início das precipitações.
• Grau de umidade do solo
Parte da água que precipita sobre o solo seco é absorvida por ação de
capilaridade que se soma a ação da gravidade. Se o solo, no início da
precipitação, já apresenta certa umidade, tem uma capacidade de
infiltração menor do que a que teria se estivesse seco.
• Efeito da precipitação sobre o solo
A água da chuva chocando-se contra o solo promovem a compactação da
sua superfície, diminuindo a capacidade de infiltração, destacam e
transportam os materiais finos que pela sua sedimentação posterior
tendem a diminuir a porosidade da superfície; umedecem a superfície do
solo, saturando as camadas próximas aumentando a resistência à
penetração da água e, atuam sobre as partículas de substancias coloidais
que ao entumecer reduzem a dimensão dos espaços intergranulares.
• Compactação devido ao homem e aos animais
Em locais onde há tráfego constante homens, veículos, animais (pastagens)
a superfície é submetida a compactação que a torna relativamente
impermeável.
• Influência de outros fatores
A capacidade de infiltração pode ser elevada pela atuação de fenômenos
naturais que provocam o aumento da permeabilidade como:
- escavações feitas por animais;
- decomposição das raízes dos vegetais;
- temperatura da água que influi na sua viscosidade, fazendo com que a
infiltração nos meses frios seja menor que nos meses quentes.
- presença de ar nos vazios do solo, sendo expulso pela água quando
penetra no solo.
RESPOSTA B
91
NOÇÕES DE HIDROLOGIA E HIDRÁULICA
ENGENHEIRO AGRONÔMO
2- Petrobras - Engenheiro de Meio Ambiente Júnior - CESGRANRIO - 2011
O deslocamento da água na superfície de uma bacia hidrográfica é
uma das parcelas mais importantes do ciclo hidrológico. Considerando os
fundamentos do escoamento superficial, assinale a alternativa correta.
(A) O escoamento em superfície livre pode ser apenas do tipo não
permanente.
(B) O escoamento é regido por leis físicas e representado qualitativamente
por variáveis como vazão, profundidade e velocidade.
(C) O escoamento superficial e em rios e canais é retratado apenas pela
equação de quantidade de movimento.
(D) A equação baseada na quantidade de movimento do sistema associado
ao escoamento superficial é obtida pela avaliação das massas internas e
externas que atuam no mesmo.
(E) O escoamento permanente uniforme ocorre quando o gradiente de
profundidade com o espaço é nulo e a velocidade, constante.
SOLUÇÃO
O escoamento é regido por leis físicas e representado
quantitativamente por variáveis com vazão, profundidade e velocidade. O
comportamento do escoamento é descrito por equações de conservação de
massa, energia e quantidade.
Podem-se classificar os escoamentos como escoamentos permanentes e
não permanentes. Escoamentos Permanentes Ocorre quando o gradiente
da velocidade e do nível são nulos, ou seja, não existe variação de estado
no sistema.
O escoamento permanente pode ser classificado como:
92
NOÇÕES DE HIDROLOGIA E HIDRÁULICA
ENGENHEIRO AGRONÔMO
Escoamento uniforme e não uniforme. Escoamento uniforme é aquele no
qual o vetor velocidade, em módulo, direção e sentido, é idêntico em todos
os pontos, em um instante qualquer, em que o tempo é mantido constante.
Se o vetor velocidade variar de ponto a ponto, num instante qualquer, o
escoamento é dito não uniforme.
Escoamentos Não-Permanentes- O regime não permanente considera a
variação no tempo e no espaço das variáveis que retratam o mesmo. Esta
situação ocorre na maioria dos problemas hidrológicos de escoamento
superficial e de rios e canais.
3 - Técnico em Hidrologia - NC-UFPR -2011
Sobre o fenômeno da interceptação no ciclo hidrológico, assinale a
alternativa correta.
a) A interceptação é um fenômeno bem conhecido e simples de estudar.
b) A interceptação tem o efeito de acelerar o ciclo hidrológico.
c) A interceptação é produzida pela cobertura vegetal e armazenamento
em depressões.
d) No caso da cobertura vegetal, a capacidade de interceptação independe
das características da precipitação (intensidade, duração, volume).
e) No caso da cobertura vegetal, a capacidade de interceptação independe
das características da própria cobertura vegetal e independe também das
condições climáticas.
SOLUÇÃO
Interceptação é climatologicamente, definida como sendo a capacidade que
a vegetação ou outro tipo de obstáculo possuem de reter a chuva nas suas
RESPOSTA E
93
NOÇÕES DE HIDROLOGIA E HIDRÁULICA
ENGENHEIRO AGRONÔMO
copas. É um processo fortemente dependente das características das
precipitações, das condições climáticas, da densidade da vegetação, da
estrutura e arquitetura do dossel e do comportamento fisiológico das
plantas durante o ano (TUCCI, 2000). Cabe-nos ressaltar que, em geral,
uma folha não é capaz de absorver quase nada da água interceptada em
sua superfície. Que a capacidade individual de retenção foliar é
correlacionada com o tamanho da folha, com sua forma e com a
viscosidade da água (RUTTER, 1975). Ressaltando-se as pressões externas
causadas por ação dos ventos, do tipo e freqüência das precipitações
dentre outras também influenciam no teor de água retida na vegetação.
5 - INÉDITA
Vamos calcular o fator forma de duas bacias:
C) Índice de conformação
RESPOSTA C
94
NOÇÕES DE HIDROLOGIA E HIDRÁULICA
ENGENHEIRO AGRONÔMO
Ic Representa a relação entre a área da bacia e um quadrado de lado
igual ao comprimento axial da bacia. Este índice pode ser
matematicamente expresso por:
Em que: Laxial é o comprimento axial da BH. Este índice também
expressa a capacidade da bacia em gerar enchentes. Quanto mais próximo
de 1, maior a propensão à enchentes, pois a bacia fica cada vez mais
próxima de um quadrado e com maior concentração do fluxo.
Vamos exercitar!!
6 - IBGE - Tecnologista - Engenharia Florestal - FGV - 2016
O coeciente de compacidade (Kc), o tempo de concentração (Tc) e a
declividade média (Dm) guardam relações importantes com a tendência de
uma bacia hidrográca em apresentar picos de enchentes. Sobre isso, é
correto afirmar que a ocorrência de picos de enchentes tende a ser maior
quanto:
a) menor o Kc, menor o Tc e maior a Dm;
b) maior o Kc, maior o Tc e maior a Dm;
c) maior o Kc, menor o Tc e menor a Dm;
d) menor o Kc, maior o Tc e menor a Dm;
e) maior o Kc, maior o Tc e menor a Dm
SOLUÇÃO
Quanto menor o Kc (mais próximo da unidade), mais circular é a bacia,
menor o Tc e maior a tendência de haver picos de enchente.
RESPOSTA A
95
NOÇÕES DE HIDROLOGIA E HIDRÁULICA
ENGENHEIRO AGRONÔMO
7 - DEMAE/GO - Engenheiro Civil – UFGO - 2017
Uma característica importante de bacias hidrográficas é o tempo de
concentração em problemas envolvendo propagação de cheias. Pela
diversidade dos parâmetros associados às bacias hidrográficas, várias
equações empíricas foram desenvolvidas para estabelecimento do tempo
de concentração. Neste sentido, o tempo de concentração de uma bacia é:
A.o tempo necessário para o hidrograma atingir a vazão máxima,
considerando uma precipitação de curta duração.
B.o tempo diretamente proporcional à declividade média do curso d'água
principal da bacia.
C.o tempo inversamente proporcional ao comprimento do curso principal na
bacia.
D.o tempo mais longo que uma partícula de água leva entre o início da
precipitação e sua saída pelo exutório da bacia.
SOLUÇÃO
Há duas definições básicas de tempo de concentração. Tempo de
concentração é o tempo em que leva para que toda a bacia considerada
contribua para o escoamento superficial na seção estudada. O tempo de
concentração é o tempo que leva uma gota de água mais distante até o
trecho considerado na bacia.
Conforme Centro Tecnológico de Hidráulica de São Paulo (CTH) os
estudos de Taylor e Schwarz informam que influem sobre o tempo de
concentração:
Área da bacia
Comprimento e declividade do canal mais longo
96
NOÇÕES DE HIDROLOGIA E HIDRÁULICA
ENGENHEIRO AGRONÔMO
Comprimento ao longo do curso principal, desde o centro da bacia até
a seção de saída considerada.
8 - IBGE - Tecnologista - Engenharia Florestal - FGV - 2016
A área de uma bacia hidrográfica é limitada por um divisor de águas
que a separa das bacias adjacentes e que pode ser determinado nas cartas
topográficas. De acordo com o escoamento global, as bacias de drenagem
que deságuam diretamente no mar são classificadas como:
(A) arreicas;
(B) endorreicas;
(C) criptorreicas;
(D) exorreicas;
(E) efêmeras.
SOLUÇÃO
Endorréica – rios que correm para o interior.
Exorréica – rios que correm para os mares.
Arréica – rios onde as águas evaporam antes de seguirem caminhos.
Criptorréica – rios que são absorvidos por estruturas rochosas.
9 - Professor - Engenharia Mecânica - IF/PA- 2015
RESPOSTA D
RESPOSTA D
97
NOÇÕES DE HIDROLOGIA E HIDRÁULICA
ENGENHEIRO AGRONÔMO
Segundo o Sistema Internacional de Unidades (SI), são exemplos de grandezas e
unidades de base:
A) massa (kg), tempo (s) e ângulo plano (rad).
B) temperatura (K), trabalho (J) e frequência (Hz).
C) comprimento (m), potência (W) e quantidade de matéria (mol).
D) massa (kg), comprimento (m) e intensidade luminosa (cd).
E) ângulo sólido (sr), comprimento de onda (m) e energia (J).
SOLUÇÃO
Grandeza de base em um sistema de grandezas é, por convenção,
aceita como funcionalmente independente de uma outra grandeza. As
grandezas comprimento, massa e tempo são geralmente tidas como
grandezas de base no campo da mecânica.
As grandezas de base correspondentes às unidades de base do Sistema
Internacional de Unidades (SI). O SI é baseado, atualmente, nas sete
unidades de base seguintes:
. o metro, unidade de comprimento;
. o quilograma, unidade de massa;
. o segundo, unidade de tempo; . o
ampere, unidade de corrente elétrica;
. o kelvin, unidade de temperatura termodinâmica;
. o mol, unidade de quantidade de matéria;
. a candela, unidade de intensidade luminosa.
10 - CESPE - POLÍCIA CIENTÍFICA - PE - Perito Papiloscopista- 2016
RESPOSTA D
98
NOÇÕES DE HIDROLOGIA E HIDRÁULICA
ENGENHEIRO AGRONÔMO
Assinale a opção que apresenta associação correta entre a grandeza física e
sua unidade de base correspondente, de acordo com o sistema
internacional de pesos e medidas.
A - corrente elétrica: candela
B - temperatura termodinâmica: kelvin
C - quantidade de substância: %/kg
D - intensidade luminosa: ampere
E - massa: mol
SOLUÇÃO
As grandezas de base correspondentes às unidades de base do Sistema
Internacional de Unidades (SI). O SI é baseado, atualmente, nas sete
unidades de base, seguintes:
.o metro, unidade de comprimento;
. o quilograma, unidade de massa;
. o segundo, unidade de tempo; . o
ampère, unidade de corrente elétrica;
. o kelvin, unidade de temperatura termodinâmica;
. o mol, unidade de quantidade de matéria;
. a candela, unidade de intensidade luminosa.
Assim, a alternativa correta:
RESPOSTA B
99
NOÇÕES DE HIDROLOGIA E HIDRÁULICA
ENGENHEIRO AGRONÔMO
11 - TECNOLOGISTA EM METROLOGIA E QUALIDADE - CESPE - 2010
Considerando o Sistema Internacional de Unidades (SI) e os dados da
tabela acima, que apresentam propostas de associação entre grandezas e
unidades (nome e símbolo), assinale a opção correta.
A - Todas as grandezas estão com seus respectivos nomes e símbolos
associados corretamente.
B - A grandeza 3 está com a associação errada, uma vez que tempo,
segundo o SI, deve ser dado em hora, cujo símbolo é h.
C - A grandeza 2 está com a associação errada, pois a unidade de massa
no SI é quilograma e o seu símbolo correspondente é kg.
D - A grandeza 5 está com a associação errada, uma vez que sua unidade
no SI é grau Celsius (ºC).
E - A polegada é uma unidade do SI para a grandeza 1, além do metro
(m).
100
NOÇÕES DE HIDROLOGIA E HIDRÁULICA
ENGENHEIRO AGRONÔMO
SOLUÇÃO
Agora ficou bem fácil, Como já estudamos bastante, notamos que o item 2
da tabela está com uma correlação errada.O certo seria quilograma
representado por kg.Então, o item correto é:
RESPOSTA C
12 - TECNOLOGISTA EM METROLOGIA E QUALIDADE - CESPE - 2010
De acordo com a expressão de símbolo das unidades de grandezas físicas,
assinale a opção correta.
A - Os símbolos das unidades são expressos em caracteres romanos,
iniciando-se por letra maiúscula.
B - Quanto à grafia, os símbolos das unidades variam de acordo com o
requisito de singular ou plural, ou seja, também são flexionados.
C - Os símbolos das unidades deveriam ser seguidos por ponto, segundo o
SI, porém, isso não é usado no Brasil. Como, por exemplo, (km).
D - O produto entre Newton e metro pode ser indicado por N.m ou Nm.
E - Na hipótese de uma unidade originada da divisão de outras duas, a
única representação correta é a multiplicação dos termos com o devido
expoente negativo para o denominador.
SOLUÇÃO
Vamos analisar cada item:
A - Os símbolos das unidades são expressos em caracteres
romanos, iniciando-se por letra maiúscula.
101
NOÇÕES DE HIDROLOGIA E HIDRÁULICA
ENGENHEIRO AGRONÔMO
Os símbolos das unidades são impressos em caracteres romanos. Em geral,
os símbolos das unidades são escritos em minúsculas, mas, se o nome da
unidade deriva de um nome próprio, a primeira letra do símbolo é
maiúscula. Este éo erro de generalizar tudo para maiúsculo.
O nome da unidade propriamente dita começa sempre por uma minúscula,
salvo se se trata do primeiro nome de uma frase ou do nome ―grau
Celsius‖.
B - Quanto à grafia, os símbolos das unidades variam de acordo com o
requisito de singular ou plural, ou seja, também são flexionados.
Os símbolos das unidades ficam invariáveis no plural.
C - Os símbolos das unidades deveriam ser seguidos por ponto, segundo o
SI, porém, isso não é usado no Brasil. Como, por exemplo, (km).
Os símbolos das unidades não são seguidos de um ponto, salvo se estão no
fim de uma frase e o ponto tem a função habitual da pontuação. Mais um
item errado.
D - O produto entre Newton e metro pode ser indicado por N.m ou Nm.
A multiplicação pode ser formada pela justaposição dos símbolos se não
causar ambiguidade (VA, kWh) ou colocando um ponto ou ―x‖ entre os
símbolos (m.N ou m x N). Item correto.
E - Na hipótese de uma unidade originada da divisão de outras duas, a
única representação correta é a multiplicação dos termos com o devido
expoente negativo para o denominador.
No caso de Divisão,é aceita qualquer uma das três maneiras exemplificadas
a seguir: W/(sr.m2 ) W.sr-1 .m-2 𝑤
𝑠𝑟 .𝑚2
RESPOSTA D
102
NOÇÕES DE HIDROLOGIA E HIDRÁULICA
ENGENHEIRO AGRONÔMO
13 - TECNOLOGISTA EM METROLOGIA E QUALIDADE - CESPE - 2010
A respeito do SI e dos símbolos dos prefixos conforme o vocabulário internacional
de metrologia, assinale a opção correta.
A - Os símbolos dos prefixos são impressos em caracteres romanos, com
espaçamento entre o valor, o símbolo do prefixo e o símbolo da unidade.
B - O conjunto formado pelo símbolo de um prefixo, seguido, sem espaço, do
símbolo de uma unidade no SI, não constitui um novo símbolo.
C - São admitidos novos prefixos compostos, formados, por exemplo, pela
justaposição de alguns prefixos do SI.
D - As unidades do SI representam uma convenção estática. Isto é, certas
decisões a respeito de unidades não podem ser revogadas ou modificadas. Sendo
assim, adaptações por meio de complementações não podem ser realizadas.
E - Um prefixo não deve ser empregado de forma isolada, como, por exemplo,
para substituir o termo 106 em 106 /m3 por mega/m3 ou M/m3
SOLUÇÃO
Vamos aos nossos itens
A - Os símbolos dos prefixos são impressos em caracteres romanos, com
espaçamento entre o valor, o símbolo do prefixo e o símbolo da unidade.
Os símbolos dos prefixos são impressos em caracteres romanos,sem
espaço entre o símbolo do prefixo e o símbolo da unidade. Item incorreto.
B - O conjunto formado pelo símbolo de um prefixo, seguido, sem espaço,
do símbolo de uma unidade no SI, não constitui um novo símbolo.
O conjunto formado pela junção do símbolo de um prefixo ao símbolo de
uma unidade constitui um novo símbolo inseparável, que pode ser elevado
a uma potência positiva ou negativa e que pode ser combinado com outros
103
NOÇÕES DE HIDROLOGIA E HIDRÁULICA
ENGENHEIRO AGRONÔMO
símbolos de unidades para formar símbolos de unidades compostas. Por
exemplo: 1 cm3 = (10-2 m)3 = 10-6 m3 1 cm-1 = (10-2 m)-1 = 102 m -1
C - São admitidos novos prefixos compostos, formados, por exemplo, pela
justaposição de alguns prefixos do SI.
Não são empregues prefixos compostos, ou seja, formados pela
justaposição de vários prefixos.
D - As unidades do SI representam uma convenção estática. Isto é, certas
decisões a respeito de unidades não podem ser revogadas ou
modificadas. Sendo assim, adaptações por meio de complementações não
podem ser realizadas.
O Sistema Internacional de Unidades (SI) representa um sistema de
unidades de medidas, universal, coerente e preferencial para uso geral, a
fim de atender às necessidades da ciência e tecnologia modernas. O SI é
um sistema de medidas dinâmico, sob constante evolução e
desenvolvimento pelas CGPM, em concordância com os avanços científicos
e tecnológicos. Item incorreto.
E - Um prefixo não deve ser empregado de forma isolada, como, por
exemplo, para substituir o termo 106 em 106 /m3 por mega/m3 ou M/m3
Um prefixo não pode ser empregado sem uma unidade a que se refira. Por
exemplo: 106 /m3, mas não: M/m3. Certíssimo.
RESPOSTA E
14 - TECNOLOGISTA EM METROLOGIA E QUALIDADE - CESPE - 2010
Com relação ao vocabulário internacional de metrologia, assinale a opção correta.
A - Algumas grandezas físicas têm mais de uma unidade no SI, podendo ser
expressas sob diferentes formas.
104
NOÇÕES DE HIDROLOGIA E HIDRÁULICA
ENGENHEIRO AGRONÔMO
B - Uma mesma unidade no SI não pode corresponder a várias grandezas
diferentes.
C - Os múltiplos e submúltiplos das unidades no SI, formados por meio dos
prefixos SI, devem ser designados pelo seu nome da seguinte forma: múltiplos e
submúltiplos decimais das unidades mais o nome da unidade SI, como, por
exemplo, decímetro.
D - A ISO adotou um sistema de grandezas físicas embasado nas sete grandezas
de base, segundo SI. Existem outras grandezas — grandezas derivadas — que são
definidas em função das sete grandezas de base e a relação entre as grandezas
derivadas, e as grandezas de base são expressas por tabelas, as quais não são
determináveis por equações.
E - Não existem grandezas adimensionais.
SOLUÇÃO
Vamos analisar cada item:
A - Algumas grandezas físicas têm mais de uma unidade no SI, podendo
ser expressas sob diferentes formas.
Sistema de unidades coerente, cujas unidades são escolhidas de tal forma
que as equações entre valores numéricos (inclusive os fatores numéricos)
ou as equações correspondentes entre grandezas, tenham exatamente a
mesma forma. Item incorreto.
B - Uma mesma unidade no SI não pode corresponder a várias grandezas
diferentes.
O sistema é inteiramente coerente; isto significa que todas as unidades no
sistema relacionam-se umas com as outras em uma base unitária.
C - Os múltiplos e submúltiplos das unidades no SI, formados por meio
dos prefixos SI, devem ser designados pelo seu nome da seguinte forma:
105
NOÇÕES DE HIDROLOGIA E HIDRÁULICA
ENGENHEIRO AGRONÔMO
múltiplos e submúltiplos decimais das unidades mais o nome da unidade
SI como, por exemplo, decímetro.
Um conjunto de prefixos aceitos internacionalmente pode ser agregado às
unidades para formar múltiplos e submúltiplos preferenciais com potências
de 1000. Isto possibilita indicações numéricas convenientes quando o valor
da grandeza é apresentado. Item correto.
D - A ISO adotou um sistema de grandezas físicas embasado nas sete
grandezas de base, segundo SI. Existem outras grandezas — grandezas
derivadas — que são definidas em função das sete grandezas de base e a
relação entre as grandezas derivadas, e as grandezas de base são
expressas por tabelas, as quais não são determináveis por equações.
As unidades derivadas são unidades que podem ser expressas a partir das
unidades de base por meio dos símbolos matemáticos de multiplicação e de
divisão. A algumas unidades derivadas foram atribuídos nomes e símbolos
especiais que podem ser, eles próprios, utilizados com os símbolos de outras
unidades de base ou derivadas para exprimir unidades de outras grandezas. A
segunda classe de unidades Sistema Internacional abrange as Unidades Derivadas
das Grandezas Derivadas, isto é, as unidades que podem ser formadas
combinando-se unidades de base segundo relações algébricas que interligam as
grandezas correspondentes. Diversas destas expressões algébricas, em razão de
unidades de base, podem ser substituídas por nomes e símbolos especiais, o que
permite sua utilização na formação de outras unidades derivadas. As Grandezas
Derivadas e suas unidades estão ligadas às Grandezas de Base por relações
matemáticas de divisão e multiplicação, ambas sem qualquer fator numérico
diferente de 1. Item incorreto.
E - Não existem grandezas adimensionais.
Certas grandezas são definidas por meio da razão entre duas grandezas de
mesma natureza, sendo, então, adimensionais, ou sua dimensão pode ser
expressa pelo número um. A unidade SI coerente de todas as grandezas
106
NOÇÕES DE HIDROLOGIA E HIDRÁULICA
ENGENHEIRO AGRONÔMO
adimensionais ou grandezas de dimensão 1 é o número 1, uma vez que a
razão de duas unidades SI idênticas é a unidade. Os valores dessas
grandezas são expressos por números e a unidade ―1‖ não é mostrada
explicitamente. São exemplos dessas grandezas o índice de refração, a
permeabilidade relativa ou o coeficiente de atrito. Há também algumas
grandezas que são definidas como um produto mais complexo de
grandezas mais simples, de modo que o produto é adimensional. Por
exemplo, os ―números característicos‖, como o número de Reynolds.
RESPOSTA C
15 - Engenheiro Mecânica - UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE -2015
No Sistema Internacional de Unidades estão definidas unidades de medida que
são utilizadas nas grandezas em diversas áreas de aplicação. Nesta linha de
raciocínio:
(A) a Candela é uma unidade de intensidade luminosa de radiação
monocromática.
(B) um Farady representa uma unidade fluxo magnético de um circuito.
(C) o Weber é a unidade de capacitância elétrica de um circuito fechado.
(D) um Tesla produz uma força eletromotriz de um Volt em um circuito fechado.
(E) O Henry representa a indução magnética de um circuito em que é aplicado um
Weber.
SOLUÇÃO
A candela é a intensidade luminosa, numa dada direção, de uma fonte que
emite uma radiação monocromática de frequência 540 × 1012 hertz e cuja
intensidade energética nessa direção é 1/683 watt por esterradiano.
Conforme analisados em páginas anteriores a nossa resposta é então:
RESPOSTA A
107
NOÇÕES DE HIDROLOGIA E HIDRÁULICA
ENGENHEIRO AGRONÔMO
O valor da pressão em um fluido estático, em uma dada profundidade, é:
A - maior na direção e sentido em que a partícula fluida se deforma.
B - igual em todas as direções.
C - maior na direção e sentido opostos à força gravitacional.
D - maior na direção e sentido opostos aos daqueles em que a partícula
fluida se deforma.
E - maior na direção e sentido da força gravitacional
SOLUÇÃO
Se houvesse forças agindo no líquido,não estaria estático, seriam forças
tangenciais que promoveriam o movimento do fluido. Nesta questão temos
forças normais aplicadas na direção perpendicular à superfície do fluido
comprimindo-o, gerando a PRESSÃO que é igual em todas as direções.
17 - CESPE - STF - Analista Judiciário - Engenharia Mecânica - 2008
Considerando os princípios de mecânica dos fluidos, julgue os itens
subsequentes.
Para que um objeto flutue em um tanque com água, a densidade desse
objeto deve ser inferior a 1 g/cm3 .
o Certo
o Errado
16 - CESPE - TJ-CE - Engenharia Mecânica - 2014
RESPOSTA B
108
NOÇÕES DE HIDROLOGIA E HIDRÁULICA
ENGENHEIRO AGRONÔMO
SOLUÇÃO
Questão certa. Observe que 1 g/cm3 é a massa específica ou a densidade absoluta
da água que poderia ser representada também assim: 1.000 kg/m³. E por que ele
flutua? Tem uma propriedade, que veremos daqui a pouco, que chama o equilíbrio
de corpos imersos e flutuantes que diz que quando a massa específica do corpo
for menor que a massa específica do líquido, ele flutua.Simples assim.
RESPOSTA CERTO
18 - IF-RS– Professor- 2010
A análise de qualquer problema de mecânica dos fluidos começa,
necessariamente, de modo direto ou indireto, com declarações das leis básicas
que modelam o movimento do fluido. Dentre as leis básicas aplicáveis a qualquer
fluido, podemos citar:
I - A segunda lei de Newton.
II - A conservação de massa.
III - Lei de Faraday.
IV - A segunda lei da termodinâmica
Estão corretas as alternativas:
A) IV apenas.
B) I apenas.
C) I, II e IV apenas.
D) I e III apenas.
E) II e III apenas.
109
NOÇÕES DE HIDROLOGIA E HIDRÁULICA
ENGENHEIRO AGRONÔMO
SOLUÇÃO
Como vimos acima o item I, está certo.De acordo com a Segunda Lei de
Newton:
―A força resultante que atua sobre um corpo é proporcional ao
produto da massa pela aceleração por ele adquirida.‖
Essa relação pode ser descrita pela equaçãoFr = m . a
Também a partir da Segunda Lei de Newton, chegamos à outra
importante definição na Física: o Peso.
A Força Peso corresponde à atração exercida por um planeta sobre um
corpo em sua superfície. Ela é calculada com a equação:
P = m . g
II conservação da massa - Lei de Conservação da Massa da seguinte
forma:
―No interior de um recipiente fechado, a massa total não varia,
quaisquer que sejam as transformações que venham a ocorrer.‖
Ou
―Num recipiente fechado, a soma das massas dos reagentes é igual
à soma das massas dos produtos.‖
Também usa na mecânica dos fluidos.
III - Lei de Faraday - relaciona a força eletromotriz ε induzida na espira
com a taxa de variação do fluxo magnético através desta espira. Assim,
a Lei de Faraday enuncia que: O valor da força eletromotriz induzida em
uma espira de área A é igual à taxa de variação do fluxo magnético através
dessa espira. ESTA NÃO SERVE PARA NOSSO ESTUDO.
110
NOÇÕES DE HIDROLOGIA E HIDRÁULICA
ENGENHEIRO AGRONÔMO
IV - A segunda lei da termodinâmica – estabelece o conceito de
entropia. A entropia, em poucas palavras, mede a desordem de um
sistema. Diz-se que, à medida quese dissipa energia de forma irreversível,
aumenta-se a entropia do Universo e, então, sua desordem. A
Termodinâmica, especialmente sua Segunda Lei, mostra isso.
RESPOSTA C
19 - IF-RS– PROFESSOR- 2010
Escoamentos podem ser considerados como compressíveis ou incompressíveis. Os
escoamentos poderão ser considerados incompressíveis quando:
I - As variações na massa específica são desprezíveis.
II - As variações na massa específica não são desprezíveis.
III - O número de Mach for menor do que 0,3.
IV - O número de Mach for maior do que 0,3.
Estão corretas as alternativas
A) III apenas.
B) II e IV apenas.
C) I e III apenas.
D) I apenas.
E) II apenas.
SOLUÇÃO
Escoamentos nos quais as variações na massa específicasão
desprezíveis são denominados incompressíveis; quando essas variações
são consideráveis, o escoamento é dito compressível. A maioria dos
111
NOÇÕES DE HIDROLOGIA E HIDRÁULICA
ENGENHEIRO AGRONÔMO
escoamentos de líquidos é essencialmente incompressível. Embora a maior
parte dos escoamentos gasosos seja compressível, nos casos de a
velocidade do escoamento (V) ser pequena em relação à velocidade do som
no fluido (c), ele pode ser considerado incompressível; quando o número
de Mach, (M=V/c) for menor que 0,3.
RESPOSTA C
20 - IBFC - PCRJ - Perito Criminal Engenharia Mecânica- 2013
A variável adimensional da mecânica dos fluidos que é dada pela razão entre a
velocidade de um corpo que se move num fluido e a velocidade do som nesse
mesmo fluido chama-se número de:
a) Froude.
b) Reynolds.
c) Euler.
d) Weber.
e) Mach
SOLUÇÃO
O número de Mach, M, é um adimensional definido como sendo a relação
entre a velocidade de deslocamento do fluido e a celeridade (velocidade
do som nesse mesmo fluido). Assim:
RESPOSTA E
112
NOÇÕES DE HIDROLOGIA E HIDRÁULICA
ENGENHEIRO AGRONÔMO
21 – CONSULPLAN - TSE Analista Judiciário Engenharia Mecânica - 2012
Sobre o número de Reynolds usado na determinação do regime de
escoamento de um fluido, analise.
I - É um número adimensional.
II - É diretamente proporcional à velocidade do fluido.
III - É diretamente proporcional à viscosidade cinemática do fluido.
Assinale
a) se apenas as afirmativas I e II estiverem corretas.
b) se apenas as afirmativas I e III estiverem corretas.
c) se apenas as afirmativas II e III estiverem corretas.
d) se todas as afirmativas estiverem corretas.
SOLUÇÃO
Pelo que acabamos de ver, os itens I e II estão corretos eo item III
está incorreto.Para compreender um pouco sobre esta questão de
diretamente e inversamente proporcional segue um esquema
abaixo.Espero que ajude.
GRANDEZAS DIRETAMENTE PROPORCIONAIS
Duas grandezas são diretamente proporcionais quando, aumentando
uma delas, a outra aumenta na mesma proporção da primeira.
Exemplo:
Um carro percorre:
* 80 km em 1 hora
* 160 km em 2 horas
* 240km em 3 horas
113
NOÇÕES DE HIDROLOGIA E HIDRÁULICA
ENGENHEIRO AGRONÔMO
Relembrando a equação da velocidade:
𝑣 =∆𝑑
∆𝑡
𝑣 = 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 𝑚é𝑑𝑖𝑎
∆𝑑 = 𝑑𝑖𝑠𝑡â𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑝𝑒𝑟𝑐𝑜𝑟𝑟𝑖𝑑𝑎
∆𝑡 = 𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑣𝑎𝑙𝑜 𝑑𝑒 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑜
Então, o tempo e a distância são grandezas diretamente proporcionais, pois
aumentam na mesma proporção.
GRANDEZAS INVERSAMENTE PROPORCIONAIS
Assim,duas grandezas são inversamente proporcionais quando,
aumentando uma delas, a outra diminui na mesma razão da primeira.
Exemplo:
Um carro faz um percurso em:
* 1 hora com velocidade de 90km/h
* 2 horas com velocidade de 45km/h
* 3 horas com velocidade de 30km/h
Então, o tempo e a velocidade são grandezas inversamente
proporcionais, conforme mostrado no exemplo acima. Conforme os
exemplos dados, podemos concluir que ele é diretamente proporcional à
velocidade do fuido:
𝑛º 𝑅𝑒𝑦𝑛𝑜𝑙𝑑𝑠 =𝑝 𝑥 𝑑 𝑥 𝑣
𝑢
RESPOSTA A
22 - FGV 2010 BADESC Engenheiro
Com relação ao número de Reynolds, que define o regime de escoamento de um
fluido, é correto afirmar que:
114
NOÇÕES DE HIDROLOGIA E HIDRÁULICA
ENGENHEIRO AGRONÔMO
a) é diretamente proporcional à densidade do fluido.
b) é diretamente proporcional à viscosidade do fluido.
c) é inversamente proporcional à velocidade do fluido.
d) não pode ser inferior a 1.000.
e) não pode ser superior a 1.000
SOLUÇÃO
COMO É QUE FORAM? ACERTARAM?
Conforme vimos, ela é diretamente proporcional à densidade do fluido.
𝑛º 𝑅𝑒𝑦 = 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 𝑥 𝑑𝑖𝑎𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑥 𝑑𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒
𝑣
RESPOSTA A
23 - COSEAC - UFF - Engenharia Mecânica - 2015
O Número de Reynolds em tubos é inversamente proporcional:
a) à velocidade do escoamento.
b) à viscosidade dinâmica do fluido.
c) ao diâmetro da tubulação
d) à massa específica do fluido.
e) ao volume relativo do seu comprimento.
SOLUÇÃO
Conforme a fórmula:
𝑛º 𝑅𝑒𝑦 = 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 𝑥 𝑑𝑖𝑎𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑥 𝑑𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒
𝑣
Inversamente proporcional à viscosidade do fluido
RESPOSTA B
115
NOÇÕES DE HIDROLOGIA E HIDRÁULICA
ENGENHEIRO AGRONÔMO
24 – INÉDITA
Sabendo-se que 1500kg de massa de uma determinada substância ocupa
um volume de 2m³, determine a massa específica, o peso específico e o
peso específico relativo dessa substância.
Dados: γ H2O = 10000N/m³, g = 10m/s².
SOLUÇÃO
MASSA ESPECÍFICA
𝑝 = 𝑚
𝑣
Observe que a m é a massa do objeto (1500 kg) e v é o volume ocupado
por ela, 2m3.Então, com estes dados, substituímos em nossa fórmula:
𝑝 =1500
2= 750 𝑘𝑔/𝑚3
PESO ESPECÍFICO:
𝑦 = 𝑝. 𝑔
p =750 kg/m3
g= 10 m/s2
𝑦 = 750.10 = 7500 𝑁/𝑚3 (newton por metro cubico)
PESO ESPECÍFICO RELATIVO
𝑦𝑟 =𝑦
𝑦𝐻2𝑂
𝑦𝐻2𝑂 = 10000 𝑁/𝑚3
y=7500 N/m
𝑦𝑟 =7500 𝑁/𝑚3
10000 𝑁/𝑚3= 0,75
116
NOÇÕES DE HIDROLOGIA E HIDRÁULICA
ENGENHEIRO AGRONÔMO
Observe que o peso específico relativo e adimensional não tem
unidade.No exercício, eu cortei o n/m3 com o denominador. Qualquer
coisaé só falar.
RESPOSTA Massa específica
750 kg/m3
Peso específico
7500 N/m3
Peso específico relativo
0,75
25 – INÉDITA
Um reservatório cilíndrico temdiâmetro de base igual a 2 m e altura de 4
m.Sabendo-se que o mesmo está totalmente preenchido com gasolina (ver
propriedades na Tabela), determine a massa de gasolina presente no
reservatório.
SOLUÇÃO
volume do recipiente
Massa específica
p=720 kg/m3 (conforme a tabela abaixo)
p =𝑚
𝑉= 𝑚 = 𝑝. 𝑉 = 720.12,56 = 9043,2 𝑘𝑔
𝑉 = 𝐴𝑏 .
𝑉 =𝜋 . 𝑑2.
4=
𝜋 . 22 . 4
4= 12,56 𝑚3
117
NOÇÕES DE HIDROLOGIA E HIDRÁULICA
ENGENHEIRO AGRONÔMO
26 –INÉDITA
Sabendo-se que 400kg de um líquido ocupam um reservatório com volume
de 1.500 litros, determine sua massa específica, seu peso específico e o
peso específico relativo.
Dados:𝑦𝐻2𝑂 = 10000𝑁/𝑚3
g = 10m/s²
1000 litros = 1m³.
SOLUÇÃO
MASSA ESPECÍFICA
𝑝 = 𝑚
𝑣
Observe que m é a massa do objeto (400 kg) e v é o volume ocupado por
ela 1,5 m3(transformar litros para metros cúbicos).Então, com estes dados,
substituímos em nossa fórmula:
𝑝 =400
1,5= 266,67 𝑘𝑔/𝑚3
PESO ESPECÍFICO:
𝑦 = 𝑝. 𝑔
g= 10 m/s2
y = 266,67 x 10 = 2666,7N/m3(newton por metro cúbico)
PESO ESPECÍFICO RELATIVO:
𝑦𝑟 =𝑦
𝑦𝐻2𝑂
𝑦𝐻2𝑂 = 10000 𝑁/𝑚3
118
NOÇÕES DE HIDROLOGIA E HIDRÁULICA
ENGENHEIRO AGRONÔMO
y=2666,7 N/m3
𝑦𝑟 =2666,7 𝑁/𝑚3
10000𝑁/𝑚3= 0,27
Observe que o peso específico relativo e adimensional não tem
unidade.No exercício eu cortei o n/m3 com o denominador. Qualquer coisa
é só falar.
RESPOSTA MASSA ESPECÍFICA –
266,67 kg/m3
PESO ESPECÍFICO –
2666,7 N/m3
PESO ESPECÍFICO
RELATIVO –0,27
27 – INÉDITA
Determine a massa de mercúrio presente em uma garrafa de 2 litros.
(p = 13600).
Dados:
g = 10m/s², 1000 litros = 1m³.
a. 27,2 g
b. 27,2 kg
c. 2,72 g
d. 2,72 kg
e. 0,272 kg
SOLUÇÃO
Densidade do mercúrio 13.600kg/m³
2litro = 0,002m³.
𝑝 = 𝑚
𝑣= 𝑚 = 𝑝 . 𝑣
𝑚 = 13.600 . 0,002 = 27,2 𝑘𝑔
119
NOÇÕES DE HIDROLOGIA E HIDRÁULICA
ENGENHEIRO AGRONÔMO
RESPOSTA B
28 - INÉDITA
Um reservatório cúbico com 2m de aresta está completamente cheio de
óleo lubrificante. Determine a massa de óleo quando apenas ¾ do tanque
estiveremocupados.
Dados:
𝑦𝐻2𝑂 = 10000 𝑁/𝑚3
g = 10 mm/s².
SOLUÇÃO
Densidade do óleo (y) = 560 kg/m³
Reveja aí:
V = a³
V = 2³
Vtotal do tanque = 8 m³
V = volume do cubo
a = aresta do cubo
assim, o volume total do tanque é de 8 m3 ea questão estápedindo a
massa de apenas ¾ do tanque.Então,
𝑉𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 𝑑𝑜 𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒 =3 𝑥 8
4 = 6 𝑚3
Vfinal do tanque = 6 m³
𝑦 = 𝑚
𝑣= 𝑚 = 𝑦 𝑥 𝑣
m = 560.6
m = 3360 kg // <--------------------------- Resposta
a
120
NOÇÕES DE HIDROLOGIA E HIDRÁULICA
ENGENHEIRO AGRONÔMO
RESPOSTA 3360 kg
29 - Técnico de Eletrônica - PETROBRAS - CESGRANRIO- 2012
Um tanque com forma de paralelepípedo retângulo apresenta dimensões
de: 2 m de comprimento, 1 m de largura e 3 m de altura. Nele é colocada
uma substância de massa igual a 1.500 kg, que ocupa 50% do seu volume.
O peso específico, em N/m3, dessa substância é de:
Dado:
aceleração da gravidade = 10 m/s2
(A) 5.000
(B) 3.000
(C) 1.500
(D) 750
(E) 500
SOLUÇÃO
O volume ocupado é de 3 m3 (50% x 6 m3), então,
massa do objeto = 1500 kg
volume ocupado = 3 m3
gravidade = 10 m/s2
𝑦 = 𝑝 . 𝑔
𝑦 = 𝑚 𝑥 𝑔
𝑣
Volume de um paralelepípedo= a x b x c
= 2x1x3 = 6 m 3
utilizando a fórmula de peso específico:
Massa específica (p) = 𝑚
𝑣 substituindo
121
NOÇÕES DE HIDROLOGIA E HIDRÁULICA
ENGENHEIRO AGRONÔMO
𝑦 =1500 .10
3= 5000 𝑁/m3
RESPOSTA A
30 - REGULAÇÃO DE PETRÓLEO E DERIVADOS - CESPE - 2013
A respeito das propriedades dos fluidos e da estática dos meios fluidos,
julgue os itens a seguir.
Considerando o peso específico da água (YH2O) igual a 10.000 N/m3, é
correto afirmar que, se uma substância possui peso específico (γ) de 9.500
N/m3, seu peso específico relativo (γr) será de 0,85.
o CERTO
o ERRADO
SOLUÇÃO
O valor do peso específico está incorreto.Fazendo-se os cálculos devidos
teremos
y = Y / YH2O =9500/10000 =0,95
Assim, nossa resposta é
RESPOSTA ERRADO
31 - PETRÓLEO E DERIVADOS – ÁREA IV - CESPE - 2013
Acerca de escoamento incompressível não viscoso e de análise dimensional,
julgue os itens seguintes.
O número de Mach é adimensional e, para dado escoamento, depende do
valor da velocidade do som no fluido escoando.
o CERTO
122
NOÇÕES DE HIDROLOGIA E HIDRÁULICA
ENGENHEIRO AGRONÔMO
o ERRADO
SOLUÇÃO
O Número de Mach ou velocidade Mach (Ma) é uma medida adimensional
de velocidade. É definida como a razão entre a velocidade do objeto e a
velocidade do som.
RESPOSTA CERTO
123
NOÇÕES DE HIDROLOGIA E HIDRÁULICA
ENGENHEIRO AGRONÔMO
http://www.hidrovector.com.br/ ACESSADO EM 30/12/2016
Apontamentos de Mecânica dos Fluidos – Pedro Coelho, Santos, São Paulo, 2011.
Mecânica dos Fluidos, Victor L. Streeter, Editora McGraw-Hill do Brasil, Recife,
Pernambuco, 1978
http://www.omel.com.br/artigos-tecnicos/escola-de-
bombas/centrifugas/viscosidade/ (acessado em 25/12/2016 )
http://www.infopedia.pt/$viscosimetro (acessado em 26/12/2016 )
http://pt.wikipedia.org/wiki/Viscos%C3%ADmetro (acessado em 26/12/2016 )
http://www.ebah.com.br/content/ABAAAeqUMAG/vicosimetros-oleos-
lubrificantes (acessadoem 26/12/2016) .
http://www.engquimicasantossp.com.br/2015/04/viscosidade-dinamica-e-
cinematica.html#ixzz4UK2u4FZ6
BIBIOGRAFIA:
124
NOÇÕES DE HIDROLOGIA E HIDRÁULICA
ENGENHEIRO AGRONÔMO