A força flutuante
Eu quero que você faça uma pequena experiência. Encontre uma piscina e pule nela. Enquanto estiver debaixo d’água, observe como é fácil levantar todo o peso do corpo. Você pode dar cambalhotas, saltos e pular muito alto! Agora, experimente todas essas coisas fora d’água. É muito mais difícil se levantar assim em terra, certo?
Isso se deve a algo que você experimenta na água, denominado força de empuxo , que é a força ascendente de um fluido. A flutuabilidade é um conceito fácil de entender se você souber um pouco sobre a pressão em um fluido. Em um fluido (seja um gás ou um líquido), a pressão aumenta com a profundidade. Portanto, quando um objeto está submerso na água, o que significa que está completamente naquele fluido, a pressão na parte inferior do objeto é maior do que na parte superior. Isso cria uma força líquida para cima no objeto, de modo que o objeto é impulsionado para cima contra a gravidade.
Quando você pula na piscina, a pressão contra os pés é maior do que sobre a cabeça, porque os pés estão mais fundo na água. Portanto, a força de empuxo agiu para cima, empurrando você para cima e tornando mais fácil levantar-se na água.
Princípio de Arquimedes
Acha isso legal? Fica ainda melhor! A força de empuxo não apenas cria uma elevação para cima em um objeto em um fluido, mas também é igual ao peso do fluido deslocado por esse objeto. Isso foi descoberto por Arquimedes no século 3 aC, então chamamos isso de Princípio de Arquimedes . Novamente, é importante lembrar que estamos falando de fluidos, ou seja, tanto líquidos quanto gases, como água e ar.
Imagine que você tem um copo cheio de água sobre o balcão. Ele está tão cheio que, se você colocar mais alguma coisa nele, a água transbordará do copo e cairá sobre o balcão. Se você fosse coletar a água que derrama, você descobriria que este é o mesmo volume do objeto que você colocou no copo.
Isso é o que queremos dizer com deslocamento do fluido, e é uma maneira simples de medir o volume de um objeto de formato irregular, pois podemos medir facilmente o fluido que ele empurra para fora do caminho. E lembre-se, a força de empuxo é igual ao peso desse fluido deslocado, NÃO o peso do próprio objeto.
Isso significa que se o peso do próprio objeto submerso for igual à força de empuxo (o peso do fluido deslocado), o objeto não afundará nem flutuará. Mas se o peso do objeto for maior que a força de empuxo (o peso do fluido deslocado), o objeto afundará. E, se o peso do objeto for menor que a força de empuxo (ainda é o peso do fluido deslocado!), Ele subirá à superfície e flutuará.
Os peixes não flutuam ou afundam porque seu peso é igual à força de empuxo. Mas uma pedra pesada afunda no fundo de um lago porque seu peso é maior do que o do fluido que ela desloca. E um pedaço de madeira flutua na superfície porque seu peso é muito menor que o do fluido que desloca.
Calculando o Princípio de Arquimedes
O princípio de Arquimedes descreve a relação entre a força de empuxo e o volume do fluido deslocado, mas também a densidade do fluido deslocado.
Podemos escrever este princípio na forma de equação como:
F B = ρ f V f g
onde F B é a força de empuxo, ρ f é a densidade do fluido deslocado, V f é o volume do fluido deslocado e g é a aceleração devido à gravidade, 9,8 m / s 2 . É muito importante lembrar que a densidade e o volume nesta equação se referem ao fluido deslocado, NÃO ao objeto submerso nele.
Esta equação é útil porque você pode usá-la para determinar a força de empuxo em um objeto. Por exemplo, digamos que você mergulhe um objeto na água e descubra que o objeto desloca 1,0 litro de água. A água tem uma densidade de 1,0 kg / L, então agora temos tudo o que precisamos para determinar a força de empuxo que atua no objeto submerso, porque temos o volume e a densidade do fluido deslocado. Consequentemente, também temos o volume do objeto porque este é o mesmo volume do fluido deslocado!
Para calcular a força de empuxo, basta inserir os números. Agora nossa equação é: F B = 1,0 kg / L * 1,0 L * 9,8 m / s 2 . Depois de fazer as contas, descobrimos que a força de empuxo é igual a 9,8 kg-m / s 2 , que é o mesmo que 9,8 Newtons.
Se o peso do objeto for maior que 9,8 N, o objeto afundará. Se for menor que 9,8 N, o objeto irá flutuar. Mas se o peso do objeto é exatamente 9,8 N, então o objeto não vai afundar nem flutuar porque é o mesmo que a força de empuxo.
Flutuação
Já tocamos na flutuação, mas os objetos flutuantes são especiais o suficiente para merecer um pouco mais de tempo e explicação. Você já viu um grande navio viajando pela água? Ele flutua na água, embora seja pesado o suficiente para você achar que deveria afundar. Nesse caso, é a forma do objeto que determina se ele irá flutuar ou não.
Se você pegar um navio de ferro inteiro e fundi-lo em um bloco sólido, ele ocupará menos volume porque ocupa uma área menor. Mas isso também significa que ele desloca um volume menor de água, o que, por sua vez, diminui a força de flutuação. Um bloco de ferro afundará, mas um navio de ferro flutuará porque seu fundo largo ocupa mais espaço na água, deslocando mais água e peso e, portanto, aumentando a força de empuxo empurrando para cima contra ele.
Na verdade, um objeto flutuante deslocará um peso de fluido igual ao peso do objeto. Isso é conhecido como o princípio da flutuação , e os engenheiros levam isso em consideração ao projetar objetos que precisam flutuar. Seja um cargueiro gigante ou um balão de ar quente, o objeto deve deslocar um peso de fluido igual ao seu próprio peso para flutuar.
Isso também significa que a força de empuxo será maior em objetos em fluidos mais densos do que em fluidos menos densos. É mais provável que você flutue na água salgada do que na água doce porque a água salgada é mais densa do que a água doce. Mas o inverso também é verdadeiro: objetos menos densos flutuam com mais facilidade do que objetos mais densos. Por exemplo, as mulheres flutuam mais facilmente do que os homens porque os homens são mais musculosos (e, portanto, mais densos) do que as mulheres. Você também pode tentar isso com latas de refrigerante – uma lata de refrigerante diet flutua na água, mas um refrigerante comum afunda. Isso ocorre porque o refrigerante diet é menos denso do que o refrigerante normal, então a força de flutuação o empurra para cima, para a superfície.
Resumo da lição
Objetos submersos em fluidos têm forças agindo sobre eles de todos os lados, mas a força para cima em um fluido é especial, conhecida como força de empuxo . Os objetos são impulsionados por baixo porque a pressão em um fluido aumenta com a profundidade, de modo que a força na parte inferior do objeto é maior do que na parte superior.
O princípio de Arquimedes nos diz que a força de empuxo é igual ao peso do fluido deslocado por um objeto. Se o peso do objeto for maior do que a força de empuxo (o peso do fluido deslocado), o objeto afundará. Se o peso do objeto for menor que a força de empuxo, o objeto flutuará. Mas, se o peso do objeto for igual ao peso do fluido deslocado, o objeto não afundará nem flutuará.
Objetos flutuantes são casos especiais porque deslocam um peso de fluido igual ao seu próprio peso. Isso é conhecido como o princípio da flutuação e nos diz por que um bloco de ferro afunda, mas um grande navio de ferro flutua na superfície.
Resultados de Aprendizagem
Ao final desta lição, você será capaz de:
- Lembre-se do princípio de Arquimedes
- Explique o princípio da flutuação
- Definir e calcular a força de empuxo