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Um problema de física que envolve o cálculo do diâmetro de gotículas de gasolina que levam 1 segundo para cair 10 polegadas, utilizando a segunda lei de newton e dados fornecidos sobre a viscosidade do ar e a densidade da gasolina e da água. O problema é resolvido por meio da integração de duas vezes da equação do movimento e da substituição de m por uma expressão envolvendo o diâmetro d.
Tipologia: Exercícios
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NOTE: Drag formula is in error: It should be:
= 3 ⋅ π⋅V ⋅d
motion by separating variables.
The data provided, or available in the Appendices, are:
μ 4.48 10
− 7
×
lbf s⋅
ft
2
= ⋅ ρ w
slug
ft
3
gas
= 0.72 ρ gas
gas
ρ w
= ⋅ ρ gas
slug
ft
3
Newton's 2nd law for the sphere (mass M) is (ignoring buoyancy effects) (^) M
dV
dt
⋅ =M g⋅ − 3 ⋅ π⋅ μ⋅ V⋅d
dV
g
3 ⋅ π⋅ μ⋅d
= dt
so
Integrating twice and using limits (^) V t( )
M g⋅
3 ⋅ π⋅ μ⋅ d
1 e
− 3 ⋅ π⋅ μ⋅d
M
⋅t
M g⋅
3 ⋅ π⋅ μ⋅d
t
3 ⋅ π ⋅μ ⋅ d
e
− 3 ⋅ π⋅ μ⋅d
M
⋅t
Replacing M with an expression involving diameter d (^) M ρ gas
π d
3
⋅
= ⋅ x t( )
ρ gas
d
2
⋅ ⋅g
18 ⋅ μ
t
ρ gas
d
2
⋅
18 ⋅ μ
e
− 18 ⋅μ
ρ gas
d
2
⋅
⋅ t
This equation must be solved for d so that x 1 s( ⋅) = 10 in⋅. The answer can be obtained from manual iteration, or by using
Excel's Goal Seek.
d 4.30 10
− 3
= × ⋅in
0 0.025 0.05 0.075 0.
1
0 0.25 0.5 0.75 1
5
10
Note That the particle quickly reaches terminal speed, so that a simpler approximate solution would be to solve Mg = 3πμ Vd for d ,
with V = 0.25 m/s (allowing for the fact that M is a function of d )!