Tema 21_Arquimedes e o empuxo

ARQUIMEDES E O EMPUXO
CONTEÚDOS
 Densidade
 Força de empuxo
 Princípio de Arquimedes
AMPLIANDO SEUS CONHECIMENTOS
Neste capítulo abordaremos a densidade e a força de empuxo. O conceito de força
apareceu a partir do capítulo 7 e na sequência, no capítulo 8, onde identificamos alguns
tipos de forças. Caso você sinta a necessidade, retome o capítulo 8 e estude-o
novamente. Com relação à densidade, ela foi apresentada no capítulo 19, mas
falaremos um pouco mais sobre ela neste capítulo.
Entretanto mais do que entender as expressões matemáticas para a densidade e para
a força de empuxo, procure refletir sobre o real significado dessas grandezas físicas.
Ao falarmos sobre a densidade dos corpos, pense na possibilidade de inserir em um
tubo transparente, uma proveta utilizada nos laboratórios de Química, por exemplo, os
seguintes materiais:
gasolina
água
latão
cortiça
madeira
mercúrio
Você pode consultar em uma tabela a
densidade desses materiais. Como ficaria a
cortiça
distribuição desses elementos quando
gasolina
colocados numa proveta?
Quando
colocados
na
proveta,
os
materiais e os líquidos se distribuirão da
madeira
maneira mostrada ao lado:
água
A cortiça flutuará na gasolina, o pedaço
latão
de madeira afundará na gasolina e
mercúrio
flutuará na água. Já o latão, afundará na
água e flutuará no mercúrio.
Figura 1 – Distribuição de materiais com
diferentes densidades em uma proveta
Fonte: Fundação Bradesco
Não aconselhamos a você realizar esta experiência pois o
mercúrio contém vapores que são facilmente absorvidos, já que a
gasolina desprende vapores tóxicos e é inflamável, oferecendo
risco de incêndio, queimaduras e explosão.
Mas por outro lado, você pode assistir ao vídeo Torre de
Líquidos no link indicado a seguir. No vídeo, o apresentador faz
uma experiência sobre a densidade dos líquidos e ao final retoma
o
conceito
de
densidade.
Acesse
o
link
http://www.manualdomundo.com.br/2011/08/torre-de-liquidos/ e
assista o vídeo.
Por que os balões tão pesados e as bexigas das festas de
aniversário, vencem a força da gravidade e sobem? Perceba que
a força de empuxo não aparece somente nos líquidos, ela também
está presente nos gases. Balões e bexigas recebem um empuxo
Figura 2 – Torre de líquidos
Fonte: Manual do Mundo
do ar para poderem subir.
Figura 3 – A força de empuxo atua nos
balões
Fonte: Freerange archives
Faça uso de bolinhas de isopor, bolinhas de gude, pequenos pedaços de madeira e
cortiça e reflita porque determinados objetos flutuam na água e afundam em outros
líquidos. Uma bolinha de metal afunda na água, mas um grande navio, muito mais
pesado, não afunda.
Porque esse mesmo navio, quando ocorre um acidente, se enche de água e afunda?
E
ainda
falando
em
navios
flutuando,
acesse
link
https://www.youtube.com/watch?v=JjZIQK_tJ7U e assista ao vídeo Lançamento de
navios ao mar.
Figura 4 – Lançamento de navio ao mar
Fonte: Youtube
Observe o comportamento da água nas situações apresentadas no vídeo. O que ocorre
com um certo volume de água, a partir do momento em que o navio é lançado? Estas
situações estão relacionadas com o Princípio de Arquimedes que afirma:
Todo corpo imerso em um fluido, sofre a ação de uma força,
denominada empuxo, dirigida “de baixo para cima”, cujo valor
é igual ao peso do volume do fluido deslocado pelo corpo.
Que matematicamente é expressa da seguinte maneira:
Empuxo
Aceleração da
gravidade
E = dlíquido.Vd.g
Densidade do líquido
Volume de líquido deslocado
ATIVIDADES
1. Na ilustração, podemos visualizar um balão de passeio, com uma pessoa, que
está a alguns metros do solo. Ela mostra o exato momento em que o balão está
parado no céu. Considera-se nessa situação que a força peso e a força de empuxo
estão em equilíbrio.
a) Considerando-se esta situação de equilíbrio, desenhe na ilustração todas as forças
atuantes no balão.
Figura 5 – Balão em equilíbrio no ar
Fonte: Fundação Bradesco
b) A partir dos seus conhecimentos sobre a 1a Lei de Newton, determine os valores para
as forças peso e empuxo atuantes no balão.
Dados: massa do balão: 450 kg
Massa da pessoa: 80 kg
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2.
As águas do mar Morto são extraordinariamente salgadas, a tal ponto que não há
seres vivos nelas. O clima quente e seco da região, produz uma evaporação muito
intensa da água pura e, assim, a quantidade de sal vai aumentando consideravelmente.
No mar Morto, os banhistas boiam com muita tranquilidade.
Figura 6 – Pessoa boiando no Mar Morto
Fonte: Wikimedia Commons
Como a Física explica a confortável posição do banhista da ilustração?
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3. Os submarinos conseguem tanto flutuar, quanto atingir grandes profundidades. Para
isso, eles contêm tanques que permitem a entrada de água quando se quer submergir.
Por meio de bombas muito potentes, os tanques são esvaziados quando se deseja
emergir. Como a Física explica essas características dos submarinos?
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4. Um objeto de 10 kg e com volume de 0,002 m³ está totalmente imerso dentro de um
reservatório de água.
a) Qual é o valor do peso do objeto? (Adote g = 10 m/s².)
b) Qual é a intensidade da força de empuxo que a água exerce sobre o objeto? (Utilize
para a densidade da água o valor 1.000 kg/m3.)
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5. Dentro da água, as pessoas sentem-se mais leves em virtude da força exercida pela
água sobre o corpo imerso. Essa força, descrita pelo princípio de Arquimedes, é
denominada empuxo. É correto afirmar que:
a) a direção do empuxo pode ser horizontal.
b) o empuxo é igual ao peso do corpo.
c) o empuxo é proporcional ao volume de água deslocado pelo corpo.
d) o empuxo é sempre menor que o peso do corpo.
e) a densidade do corpo não influencia na força de empuxo.
LEITURA COMPLEMENTAR
Como funcionam o submarino e os balões?
Em seu funcionamento, os submarinos e os balões usam o Princípio de Arquimedes.
Esse princípio diz o seguinte: quando mergulhamos algo em um líquido ou o colocamos
em um gás, uma força vertical e para cima atua sobre ele – o empuxo. Essa força pode
ser mais intensa ou menos intensa: tudo depende da quantidade de líquido ou de gás
que for deslocada pelo objeto que tiver sido posto ali. Quanto mais líquido ou gás
deslocado, maior o empuxo – a força.
O fato de um objeto flutuar ou afundar está diretamente relacionado ao empuxo. Se uma
pedra afunda em um lago, por exemplo, é porque o seu peso – a força vertical e para
baixo, causada pela gravidade – é maior do que o empuxo que ela sofreu. Se, por outro
lado, você solta uma bola no fundo de uma piscina, ela sobe à superfície porque o
empuxo é maior do que o seu peso.
Em seu funcionamento, o submarino lida o tempo todo com esses fatos. Como o seu
tamanho não muda, ele ocupa sempre o mesmo volume debaixo d'água. Em outras
palavras, a água deslocada por ele é sempre a mesma e, portanto, o empuxo sobre ele
é também o mesmo. O segredo para o submarino afundar ou subir à superfície é, então,
mudar o seu peso.
Talvez você não saiba, mas esse veículo possui tanques que podem ser preenchidos
com água ou ar. Assim, quando ele precisa descer, seus tanques se enchem de água,
fazendo com que o peso do submarino fique maior do que o empuxo. Quando, porém,
é necessário subir, os tanques enchem-se de ar, expulsando a água, fazendo com que
o peso do submarino fique menor do que o empuxo.
Com os balões, a situação é parecida. O que muda é que estamos falando do empuxo
que ocorre em um gás – o ar – e não em um líquido. Da mesma forma que ocorre com
um submarino, um balão apenas sobe quando o empuxo que existe sobre ele é maior
do que o seu peso. Da mesma maneira, ele somente desce quando o seu peso é maior
do que o empuxo. Mas como isso acontece?
Para o peso do balão ficar menor do que o empuxo, é preciso enchê-lo com algo mais
leve – ou melhor, menos denso – do que o ar à temperatura ambiente. Por isso, enchese o balão com ar quente, que é menos denso. Os balões de aniversário – também
conhecidos como bexigas –, por sua vez, podem ser preenchidos com gás hélio, que
também é menos denso do que o ar, e, por isso, também os faz subir.
DAMÀSIO, F. Como funcionam o submarino e os balões? Disponível em:
http://chc.cienciahoje.uol.com.br/multimidia/revistas/reduzidas/191/files/assets/seo/page8.html. Acesso
em 18 mai 2016.
INDICAÇÕES
Vida e obra de Arquimedes. Acesse o link a seguir e conheça a vida e os trabalhos
daquele que é considerado um dos maiores cientistas (físico, matemático e inventor) da
História.
http://www.if.ufrgs.br/tex/fis01043/20012/Severo/arquimedes.html
Acessando o link a seguir você poderá responder a um teste de múltipla escolha sobre
o funcionamento de um submarino.
http://ciencia.hsw.uol.com.br/submarinos.htm.
Seus conhecimentos sobre empuxo e densidade poderão te ajudar a responder a
algumas delas.
Leia o artigo Os segredos da flutuação. Nele, o autor sugere alguns experimentos para
compreender os fenômenos físicos associados com a flutuação dos corpos. Acesse em:
http://revistaescola.abril.com.br/ciencias/pratica-pedagogica/segredos-flutuacao426130.shtml
REFERÊNCIAS
DAMÀSIO, F. Como funcionam o submarino e os balões?
Disponível em:
<http://chc.cienciahoje.uol.com.br/multimidia/revistas/reduzidas/191/files/assets/seo/pa
ge8.html>. Acesso em 18 mai 2016. 16h45min.
FREERANGE ARCHIVES. A força de empuxo atua nos balões. Disponível em:
<https://freerangestock.com/photos/61669/hot-air-balloons.html>. Acesso em: 13 mai.
2016. 13h26min.
MANUAL
DO
MUNDO.
Torre
de
líquidos.
Disponível
em:
<http://www.manualdomundo.com.br/2011/08/torre-de-liquidos/>. Acesso em: 14 de
mai. 2016. 11h09min.
PIETROCOLA. M. Física em contextos: energia, calor, imagem e som: volume 2.
São Paulo: FTD, 2011.
WIKIMEDIA COMMONS. Pessoa flutuando no Mar Morto. Disponível em:
<https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/7a/Dead_sea_newspaper.jpg>.
Acesso em: 15 mai. 2016. 10h38min.
YOUTUBE.
Lançamento
de
navio
<https://www.youtube.com/watch?v=JjZIQK_tJ7U>.
11h25min.
ao
mar.
Acesso
Disponível
em
14
mai.
em:
2016.
GABARITO
1.
a)
Força de empuxo
Força da gravidade
b) Se o balão encontra-se em equilíbrio, as forças atuantes sobre ele possuem a mesma
intensidade e sentidos contrários.
Dessa maneira a força peso (P) é igual à força de empuxo (E).
Com a determinação da força peso (P) através da expressão P = m.g, determina-se
também o valor da força de empuxo.
P = m.g
m = 450 kg + 80 kg = 530 kg
g = 10 m/s2
P = m.g
P = 530.10
P = 5.300 N
E para o empuxo:
Força de empuxo = Força peso
E=P
E = 5.300 N
2. O Mar Morto, localizado no Oriente Médio, é um lago enorme formado pela água com
maior teor de sal do planeta. No mar morto, a densidade da água salgada é muito grande
e a pessoa flutua sem nenhum esforço físico. O corpo humano possuindo densidade
menor que da água, flutuará com facilidade.
3. Basicamente o submarino afunda enchendo uma parte da embarcação com água.
Para afundar é preciso torná-lo “mais pesado” e o jeito encontrado foi completar com a
água do mar os tanques de ar que ficam entre a parte interna e externa do casco.
O movimento de subida ou descida, depende do aumento ou da diminuição do seu peso
o que é conseguido com esse bombeamento de água para dentro ou para fora das
comportas.
Ficou
curioso
e
quer
saber
http://www.infoescola.com/curiosidades/submarino/.
11h05min.
4.
a) Peso do corpo
P = m.g
P 10.10
P = 100 N
b) Força de empuxo
E = dliquido.Vd.g
E = 1.000.0,002.10
E = 20 N
5. Alternativa C
mais?
Acesso
Acesse
em:
13
o
link:
mai.
2016.