Conteúdos
Este roteiro de estudos de física apresenta os principais conceitos envolvidos no estudo da hidrostática, ou seja, o ramo da física que se dedica ao estudo das propriedades de um fluido em repouso (em equilíbrio, estático ou dinâmico). Após indicação de leitura, algumas questões sobre o material sugerido são feitas, visando a maior fixação do conteúdo. O material também conta com algumas sugestões de vídeos (possibilitando a ampliação dos estudos e o aprofundamento acerca de determinados tópicos). Na última etapa, há exercícios resolvidos.
● Introdução ao tema;
● Hidrostática; e
● Cheque seus conhecimentos.
Objetivos
● Compreender o que se estuda na hidrostática;
● Compreender o que é um fluido; e
● Compreender o que é empuxo.
Estude também:
Estudar em casa: acústica e ondas sonoras
Estudar em casa: momento linear
Palavras-chave:
Hidrostática. Empuxo. Peso aparente.
Proposta de trabalho:
O objetivo deste roteiro é auxiliar nos estudos em casa ou em outro ambiente. Nesse sentido, apresenta um percurso com textos-base e algumas propostas de atividades, e, no final, há outros textos e vídeos que podem ajudar a compreender melhor o tema em questão.
Não é necessário fazer todas as etapas, ler todos os textos, ou assistir todos os vídeos, mas as questões norteadoras, bem como as subquestões que advêm delas, ajudam na captação do conteúdo inteiro e dos principais conceitos.
Leia os textos propostos, sempre buscando as respostas para cada uma das perguntas. Se aparecerem mais dúvidas ao longo da leitura, aproveite para fazer anotações em seu caderno e aumentar ainda mais sua pesquisa. Após as leituras de cada um dos textos, escreva um parágrafo resumindo seu aprendizado.
1ª Etapa: Introdução ao tema
Na música “Planeta água”, do cantor e compositor Guilherme Arantes, há um trecho que diz: “Terra! Planeta Água”.
Habitamos um planeta rochoso que, partindo de nossa estrela, o Sol, é o terceiro a orbitar. Tratando-se, especificamente, da superfície do nosso planeta Terra, tem-se que mais de 70% da sua superfície está coberta por água (mares e oceanos, majoritariamente).
Como os terráqueos habitam a superfície de seu planeta, certamente a água é o fluido mais presente no dia a dia de nossa espécie.
Em volta do nosso planeta Terra, existe uma camada de ar formada por vários gases (dentre eles o oxigênio, essencial para a manutenção da vida, como a conhecemos), chamada de atmosfera.
Tal como a água, que cobre mais de 70% da superfície do nosso planeta, os gases que formam a nossa atmosfera (bem como todos os outros tipos de gases) são caracterizados como fluidos.
Podemos caracterizar um fluido como uma substância que é capaz de escoar, de fluir, possuindo a qualidade de assumir o formato do recipiente que o contém.
Naturalmente, existem inúmeros tipos de fluidos no estado físico líquido, que não somente a água, como também existem inúmeros tipos de fluidos no estado físico gasoso, ou seja, para além dos gases que compõem a nossa atmosfera.
O ramo da física que se dedica ao estudo das propriedades e comportamentos dos fluidos (líquidos e gases) é:
● Quando o fluido está em movimento, chamamos tal ramo da física de: Hidrodinâmica;
● Quando o fluido está em equilíbrio (estático ou dinâmico), chamamos tal ramo da física de: hidrostática.
Este material tem como objeto de estudo e aprendizagem a hidrostática, ou seja, a área da física que se dedica ao estudo das características dos fluidos em equilíbrio (estático ou dinâmico), bem como do comportamento dos corpos nesses fluidos.
Para o estudo da hidrostática, a compreensão dos conceitos físicos: densidade, pressão, empuxo, viscosidade, dentre outros, é essencial. Tais conceitos serão tratados ao longo do material.
Bons estudos!
2ª Etapa: Hidrostática
Pergunta norteadora: O que é hidrostática?
HELERBROCK, Rafael. “Hidrostática”; Brasil Escola
Acesso em 14 de janeiro de 2023.
A partir da Introdução ao tema (1ª etapa deste material), bem como do texto acima, responda às seguintes perguntas:
1) Como podemos definir a “hidrostática”?
2) Como podemos definir o conceito de densidade de um fluido? Qual a sua expressão matemática, e qual é a sua unidade de medida o Sistema Internacional de Unidades (SI)?
3) O que é pressão hidrostática? Qual é a sua unidade de medida no SI?
4) O que nos diz o Princípio Fundamental da Hidrostática? Qual é a sua representação matemática?
5) O que é empuxo? Como expressá-lo matematicamente? Qual é a sua unidade de medida no SI?
6) O que é um fluido ideal?
7) O que nos diz o Teorema de Pascal? Como ele pode ser expresso matematicamente?
8) Quando um corpo flutua, e quando afunda, em um fluido?
9) O que é o peso aparente? Qual é a sua expressão matemática?
Para saber mais, assista:
Física – Hidrostática: Densidade e Pressão – Stoodi
Acesso em: 14 de janeiro de 2023.
Empuxo – Descomplica
Acesso em: 14 de janeiro de 2023.
Princípio de Arquimedes – O Físico
Acesso em: 14 de janeiro de 2023.
Princípio de Pascal – O Físico
Acesso em: 14 de janeiro de 2023.
Respostas da 2ª Etapa
Área da física que estuda as propriedades dos fluidos em equilíbrio (estático ou dinâmico).
Densidade de um fluido é a propriedade que mede a quantidade de matéria que o fluido ocupa em um determinado volume (espaço).
Matematicamente:
d=m/V
Onde,
d → densidade, a unidade de medida para a densidade, no SI, é: [kg/m³ ];
m → massa [kg];
V → volume [m³].
A pressão hidrostática mede a força por unidade de área que um fluido em repouso é capaz de exercer contra uma superfície. É a pressão exercida por uma coluna de um fluido em repouso.
A unidade de medida para a pressão hidrostática, no SI, é o Pascal: [Pa]=[N/m² ]
O Princípio Fundamental da Hidrostática, também conhecido como Teorema de Stevin, nos diz que: “A diferença de pressão entre dois pontos de um fluido é determinada pelo produto entre sua densidade, o módulo da gravidade local e a diferença de altura entre esses pontos.”
Matematicamente, podemos expressá-lo como:
5) Empuxo é uma força que o fluido exerce sobre todo e qualquer corpo que esteja interagindo com ele, esteja o corpo total ou parcialmente mergulhado no fluido. O módulo do empuxo é igual ao peso do fluido deslocado.
Por ser o empuxo um tipo de força, tem-se que a sua unidade de medida, no SI, é o Newton: [N]
Matematicamente, o módulo da força de empuxo é:
6) Fluido ideal é aquele que não é compressível, é contínuo e não possui viscosidade.
7) O Teorema de Pascal nos diz que: “A pressão aplicada em um ponto de um fluido ideal é transmitida homogeneamente ao longo do seu volume, ou seja, é integralmente transmitida a todos os pontos do fluido.”
Matematicamente:
8)
● Para um corpo flutuar, a sua densidade precisa ser menor que a densidade do fluido;
● E para um corpo afundar, a sua densidade precisa ser maior que a densidade do fluido.
9) Peso aparente é a resultante das forças de empuxo e força peso que atuam sobre um determinado corpo, que está em um fluido.
Matematicamente:
3ª Etapa: Cheque seus conhecimentos
Realizar questões é um excelente exercício durante o estudo autodirigido. Abaixo, alguns exemplos de questões sobre o tema estudado:
1) (PUC-PR) O empuxo é um fenômeno bastante familiar. Um exemplo é a facilidade relativa com que você pode se levantar de dentro de uma piscina em comparação com tentar se levantar de fora da água, ou seja, no ar.
De acordo com o princípio de Arquimedes, que define empuxo, marque a proposição correta:
a) Quando um corpo flutua na água, o empuxo recebido pelo corpo é menor que o peso do corpo.
b) O princípio de Arquimedes somente é válido para corpos mergulhados em líquidos e não pode ser aplicado para gases.
c) Um corpo total ou parcialmente imerso em um fluido sofre uma força vertical para cima e igual em módulo ao peso do fluido deslocado.
d) Se um corpo afunda na água com velocidade constante, o empuxo sobre ele é nulo.
e) Dois objetos de mesmo volume, quando imersos em líquidos de densidades diferentes, sofrem empuxos iguais.
Resposta: C.
Justificativa:
a) ERRADA. Para flutuar a força vertical para cima (empuxo) deve ser maior que a força vertical para baixo (peso).
b) ERRADA. O Princípio de Arquimedes se aplica aos fluidos, o que inclui os gases.
d) ERRADA. Um corpo imerso em um fluido está sempre sob efeito do empuxo, não importando se está ou não em movimento.
e) ERRADA. A força empuxo é diretamente proporcional a densidade do fluido. Maior densidade, maior empuxo.
Disponível em: Toda Matéria.
Acesso em: 14 de janeiro de 2023.)
2) Um corpo que possui um peso de 200 N, foi imerso em água. Verificou-se que, uma vez submerso, seu peso era de 120 N. Com base nestas informações e, considerando a densidade da água igual 1 000 kg/m³ e a aceleração da gravidade igual a 9,8 m/s², calcule:
a) O empuxo recebido pelo corpo.
b) O volume do corpo.
Resolução:
a) O empuxo será igual a diferença entre seu peso fora da água e seu peso dentro da água.
Empuxo = Peso fora da água – Peso dentro da água (peso aparente)
Empuxo = 200 N – 120 N = 80 N.
b) O volume do corpo.
O volume do corpo é igual ao volume de fluido deslocado.
Usando a fórmula para o empuxo:
Disponível em: Toda Matéria.
Acesso em: 14 de janeiro de 2023.
3) (UFV) Uma lata tampada com dois orifícios encontra-se parada, imersa em um recipiente com água. O orifício superior comunica-se com o exterior através de uma mangueira. Ao injetarmos ar pela mangueira, é correto afirmar que a lata:
a) afundará
b) subirá
c) aumentará de peso
d) permanecerá parada
e) receberá ar pelo orifício inferior
Resposta: B.
Justificativa:
A lata está imersa no recipiente com água, sendo apenas o orifício superior conectado a uma mangueira. Quando o ar começa a ser injetado dentro da lata ele desloca a quantidade de água que estava em seu interior, fazendo com que o líquido saia pelo outro orifício.
Como o empuxo apresenta-se na vertical e no sentido para cima, a lata subirá, pois o empuxo é diretamente proporcional ao volume de líquido deslocado.
Disponível em: Toda Matéria.
Acesso em: 14 de janeiro de 2023.
4) (Enem) Para oferecer acessibilidade aos portadores de dificuldade de locomoção, é utilizado, em ônibus e automóveis, o elevador hidráulico. Nesse dispositivo é usada uma bomba elétrica, para forçar um fluido a passar de uma tubulação estreita para outra mais larga, e dessa forma acionar um pistão que movimenta a plataforma. Considere um elevador hidráulico cuja área da cabeça do pistão seja cinco vezes maior do que a área da tubulação que sai da bomba. Desprezando o atrito e considerando uma aceleração gravitacional de 10 m/s2, deseja-se elevar uma pessoa de 65 kg em uma cadeira de rodas de 15 kg sobre a plataforma de 20 kg.
Qual deve ser a força exercida pelo motor da bomba sobre o fluido, para que o cadeirante seja elevado com velocidade constante?
a) 20 N
b) 100 N
c) 200 N
d) 1000 N
e) 5000 N
Resposta: C.
Resolução:
Para resolvermos esse exercício, vamos fazer uso do princípio de Pascal. Levando em conta que a pressão é distribuída igualmente ao longo do fluido, a razão entre força e área nas duas extremidades do tubo deve ser igual. Observe o cálculo:
Para fazermos o cálculo acima, inicialmente foi necessário calcular o peso a ser levantado pelo elevador hidráulico. Após isso, sabendo que a segunda área é cinco vezes maior que a primeira, bastou que fizéssemos a divisão. Dessa maneira, a alternativa correta é a letra C.
Disponível em: Mundo Educação.
Acesso em: 14 de janeiro de 2023.
Roteiro de estudos elaborado pelo Prof. Me. Elves Silva Moreira.
Revisão textual: Professora Daniela Leite Nunes.
Coordenação Pedagógica: Prof.ª Dr.ª Aline Bitencourt Monge.
