Fluidos e Plasmas em Astrofísica

Código:

AST3014

Sigla:

AST3014

Áreas Científicas
Classificação	Área Científica
OFICIAL	Astronomia

Ocorrência: 2023/2024 - 1S

Ativa?	Sim
Unidade Responsável:	Departamento de Física e Astronomia
Curso/CE Responsável:	Licenciatura em Física

Ciclos de Estudo/Cursos

Sigla	Nº de Estudantes	Plano de Estudos	Anos Curriculares	Créditos UCN	Créditos ECTS	Horas de Contacto	Horas Totais
L:B	0	Plano de Estudos Oficial	3	-	6	48	162
L:CC	0	Plano estudos a partir do ano letivo 2021/22	2	-	6	48	162
			3
L:F	25	Plano de Estudos Oficial	3	-	6	48	162
L:G	0	Plano estudos a partir do ano letivo 2017/18	2	-	6	48	162
			3
L:M	0	Plano de Estudos Oficial	2	-	6	48	162
			3
L:Q	0	Plano estudos a partir do ano letivo 2016/17	3	-	6	48	162

Língua de trabalho

Português

Objetivos

Na primeira parte são introduzidos conceitos e ferramentas fundamentais em mecânica de fluídos e são discutidas aplicações da mesma à física e à astrofísica. Na segunda parte tal abordagem é estendida ao estudo de plasmas, com particular ênfase na teoria orbital de plasmas e na magneto-hidrodinâmica (MHD). No final são apresentados alguns exemplos de aplicação da MHD.

Resultados de aprendizagem e competências

Ser capaz de compreender um certo número de fenómenos associados ao comportamento de fluidos neutros, quer no limite ideal quer considerando os efeitos de viscosidade. Ser capaz de entender o comportamento dos plasmas e alguns dos fenómenos a eles associados, quer no limite sem colisões quer no limite dominado por colisões. Ser capaz de aplicar a magneto-hidrodinâmica (MHD) a casos simples.

Modo de trabalho

Presencial

Programa

PARTE 1: FLUIDOS

1. Introdução Fluidos e plasmas em Física e Astrofísica

2. Fluidos ideais Propriedades Derivação macroscópica das equações da hidrodinâmica. A equação da continuidade. A equação do movimento - equação de Euler. A equação de energia. A condição para que a convecção esteja ausente. O fluxo de energia e o fluxo da quantidade de movimento. Fluídos incompressíveis e barotrópicos. A conservação da circulação. O teorema de Kelvin da vorticidade. O princípio de Bernoulli para escoamentos estacionários. Hidrostática. Forças em superfícies sólidas submersas. Modelação da corona solar. Potencial de escoamento. Escoamento em torno de um cilindro Função de corrente.

3. Fluidos viscosos Propriedades. Tensões tangenciais num fluido newtoniano. A equação de Navier-Stokes. Dissipação de energia num fluido incompressível. Escoamento entre 2 planos paralelos sujeitos, num tubo circular e entre 2 cilindros em rotação. Factores de escala e o Número de Reynolds. Escoamentos viscosos em torno de corpos sólidos. Camadas limite. Discos de acreção em astrofísica: dinâmica de discos de acreção; soluções estacionárias.

4. Teoria linear de ondas e instabilidades A filosofia da análise das perturbações. Instabilidade convectiva e ondas gravíticas internas: a condição de Schwarzschild. Ondas gravíticas de superfície. Perturbações numa superfície de separação entre 2 fluidos: Instabilidade de Rayleigh-Taylor; Instabilidade de Kelvin-Helmholtz. Instabilidade de Jeans e o processo de formação estelar.

PARTE 2: PLASMAS

5. Física de plasmas: teoria orbital de plasmas. Órbitas de movimentos de partículas num plasma. Raio e frequência de Larmor. Efeito de uma força perpendicular. Desvio de gradiente e desvio de curvatura. Espelhos magnéticos. Cintura de Van Allen.

6. Dinâmica de múltiplas partículas carregadas e processos sem colisões em plasmas. Aproximações usadas na teoria dos plasmas. Propriedades básicas de plasmas. Diferentes tipos de plasma. Neutralidade eléctrica num plasma. A blindagem e o comprimento de Debye. O parâmetro do plasma. Oscilações em plasmas. A frequência do plasma. Ondas electromagnéticas em plasmas frios e mornos.

7. Magneto-hidrodinâmica: Equações fundamentais. As equações de plasma. A equação de indução e suas consequências. Soluções da magneto-hidrostática. Force-free and potential fields.

Bibliografia Obrigatória

Arnab Rai Choudhuri ;The physics of fluids and plasmas : an introduction for astrophysicists, Cambridge University Press, 1998. ISBN: 0-521-55543-4
Eric Priest; Magnetohydrodynamics of the Sun, Cambridge University Press. ISBN: 0521854717
J. Monteiro Moreira, J. Machado da Silva, J. Brochado Oliveira; Elasticidade e dinâmica dos fluidos, U.Porto, 2015. ISBN: 978-989-746-067-8

Bibliografia Complementar

Landau & Lifshitz; Fluid Mechanics. 2nd edition, Butterworth-Heinemann, 1987. ISBN: 978-0750627672
F. Shu; The Physics of Astrophysics Volume II: Gas Dynamics, University Science books, 2009. ISBN: 978-1891389672
James Ward Brown, Ruel V. Churchill; "Complex variables and applications", McGraw-Hill, 1996. ISBN: 0071140654

Métodos de ensino e atividades de aprendizagem

Métodos expositivo nas aulas teóricas. Nas aulas teorico-práticas é promovida a resolução dos exercícos pelos alunos.

Palavras Chave

Ciências Físicas > Física > Mecânica clássica > Dinâmica dos fluidos
Ciências Físicas > Astronomia > Astrofísica

Tipo de avaliação

Avaliação por exame final

Componentes de Avaliação

Designação	Peso (%)
Exame	100,00
Total:	100,00

Componentes de Ocupação

Designação	Tempo (Horas)
Estudo autónomo	106,00
Frequência das aulas	56,00
Total:	162,00

Obtenção de frequência

Tem frequência à disciplina o aluno que não faltar a mais de 1/4 das aulas teorico-praticas previstas.

Fórmula de cálculo da classificação final

Nota Final = Nota de Exame

Os alunos com estatuto especial, em particular estudantes-trabalhadores estarão sujeitos a uma avaliação igual à dos restantes alunos.

Melhoria de classificação

Conforme regulamento da FCUP, o aluno que obteve aprovação nesta unidade curricular pode fazer melhoria uma única vez. Ou na época de recurso do ano letivo em que obteve aprovação ou no ano letivo seguinte (não só na época de recurso).

Observações

Júri da unidade curricular:
João Lima
Carla Rosa