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O empuxo é a força agindo na direção oposta à direção da gravidade que afeta todos os objetos submersos em um fluido. Quando um objeto é colocado em um fluido, o seu peso empurra o fluido (líquido ou gás), enquanto a força de empuxo empurra o objeto para cima, agindo contra a gravidade. Em termos gerais, essa força pode ser calculada com a equação F b = V s × D × g , onde F b é a força de empuxo, V s é o volume submerso, D é a densidade do fluido no qual o objeto está submerso e g é a força da gravidade. Para aprender como determinar o empuxo do objeto, veja o passo 1 para começar.
Passos
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Encontre o volume da porção submersa do objeto. A força de empuxo que age em um objeto é diretamente proporcional ao volume do objeto que está submerso. Em outras palavras, quanto mais sólido o objeto, maior a força de empuxo que age sobre ele. Isso significa que até objetos que afundam em um líquido têm uma força empurrando-os para cima. Para começar a calcular essa intensidade, o primeiro passo é determinar o volume do objeto que está submerso. Para a equação, esse valor deve estar em metros 3 .
- Para objetos que estão completamente submersos no fluido, o volume submerso é o mesmo do objeto. Para aqueles que estão flutuando na superfície do fluido, apenas o volume abaixo da superfície é considerada.
- Como um exemplo, vamos dizer que queremos encontrar a força de empuxo agindo em uma bola de borracha flutuando na água. Se a bola é uma esfera perfeita, com o diâmetro de um metro, e está flutuando pela metade na água, podemos encontrar o volume da porção submersa encontrando o volume total da esfera e dividindo por dois. Já que o volume da esfera é dado por (4/3)π(radius) 3 , sabe-se que teremos um resultado de (4/3)π(0,5) 3 = 0,524 metros 3 . 0,524/2 = 0,262 metros 3 submersos .
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Encontre a densidade do seu fluido. O próximo passo no processo de encontrar a força de empuxo é definir a densidade (em quilogramas/metro 3 ) do no qual o objeto está submerso. A densidade é uma medida de um objeto ou peso relativo da substância pelo volume. Dado dois objetos de igual volume, o que tiver maior densidade pesa mais. Como regra, quanto maior a densidade do fluido, maior a força de empuxo que ele exerce. Com fluidos, é geralmente mais fácil determinar a densidade olhando nos materiais de referência.
- Em nosso exemplo, a bola está flutuando na água. Consultando uma força acadêmica, podemos encontrar que a densidade da água é cerca de 1000 quilos/metro 3 .
- As densidades de outros fluidos comuns são listados em fontes de engenharia. Uma lista dessas pode ser encontrada aqui .
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Encontre a força de gravidade (ou outra força para baixo). Esteja o objeto flutuando ou totalmente submerso, sempre está sujeito à força da gravidade. No mundo real, essa força constante é igual a 9,81 Newtons/quilo . Contudo, em situações em que outra força, como a centrífuga, está agindo em um fluido e no objeto submerso, também devem ser consideradas para determinar a força total para baixo.
- No nosso exemplo, se estivermos lidando com um sistema ordinário e estacionário, podemos assumir que a única força agindo para baixo é a força de gravidade mencionada acima.
- Contudo, se a nossa bola estivesse flutuando em um balde de água, girando em grande velocidade em um círculo horizontal? Nesse caso, assumindo que que o balde está girando rápido o suficiente para que garantir que tanto a água quanto a bola não caiam, a força para baixo nessa situação derivaria da força centrífuga criada pelo movimento do balde, não pela gravidade da terra.
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Multiplique o volume × densidade × gravidade. Quando se tem valores para o volume do seu objeto (em metros 3 ), a densidade do seu fluido (em quilos/metro 3 ) e a força de gravidade (ou a força para baixo do seu sistema), encontrar a força de empuxo é fácil. Simplesmente multiplique essas três quantidades para encontrar a força em newtons.
- Vamos resolver o nosso exemplo substituindo nossos valores na equação F b = V s × D × g. F b = 0,262 metros 3 × 1000 quilos/metro 3 × 9,81 newtons/quilo = 2570 Newtons .
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Descubra se o seu objeto flutua, comparando-o com a força de gravidade. Usando a equação da força de empuxo, é fácil encontrar a força que está empurrando um objeto para fora do fluido no qual está submerso. Contudo, com um pouco mais de trabalho, também é possível determinar se o objeto flutuará ou afundará. Simplesmente ache a força de empuxo para o objeto (em outras palavras, usar o seu volume todo como V s ), então encontre a força da gravidade com a equação G = (massa do objeto)(9,81 metros/segundo 2 ). Se a força de empuxo é maior que a da gravidade, o objeto flutuará. Mas se a força da gravidade é maior, ele afundará. Se são iguais, o objeto é dito “neutro”.
- Por exemplo, vamos dizer que queremos saber se um barril de madeira cilíndrico de 20 quilos com um diâmetro de 0,75 metros e uma altura de 1,25 metros, flutuará na água. Isso requere alguns passos:
- Podemos encontrar o seu volume com a fórmula V = π(raio) 2 (altura). V = π(0,375) 2 (1,25) = 0,55 metros 3 .
- Depois disso, assumindo os valores padrão para a gravidade e a densidade da água, podemos determinar a força de empuxo no barril. 0,55 metros 3 × 1000 quilos/metro 3 × 9,81 newtons/kilo = 5395,5 Newtons .
- Agora, precisamos achar a força de gravidade no barril. G = (20 kg)(9,81 metros/segundo 2 ) = 196,2 Newtons . Ela é muito menor que a força de empuxo, então o barril flutuará.
- Por exemplo, vamos dizer que queremos saber se um barril de madeira cilíndrico de 20 quilos com um diâmetro de 0,75 metros e uma altura de 1,25 metros, flutuará na água. Isso requere alguns passos:
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Use a mesma técnica quando o seu fluido é um gás. Quando estiver resolvendo problemas do ripo, não se esqueça de que o fluido não precisa ser um liquido. Os gases também são considerados fluidos e, apesar de ter menores densidades comparados a outros tipos de matérias, ainda podem suportar o peso de alguns objetos. Um simples balão de hélio é a prova disso. Já que o gás do balão é menos denso que o fluido ao redor, ele flutua!Publicidade
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Coloque um xícara ou vasilha pequena dentro de um recipiente maior. Com alguns itens de casa, é fácil ver os princípios do empuxo em ação! Nesse simples experimento, iremos demonstrar que um objeto submerso sofre o empuxo, pois desloca um volume de fluido igual ao volume do objeto submerso. Enquanto fazemos isso, também demonstramos como achar a força de empuxo de um experimento. Para começar, coloque um recipiente pequeno, como uma vasilha ou xícara, dentro de um recipiente maior, como uma vasilha maior ou um balde.
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Encha o recipiente de dentro até a borda. Então, encha o recipiente maior com água. Você quer que o nível de água esteja até a borda, sem derrubar. Tenha cuidado! Se derramar água, esvazie o recipiente maior antes de tentar novamente.
- Para esse experimento, é seguro assumir que a água tem a densidade da água tem o valor padrão de 1000 quilos/metro 3 . A menos que esteja usando água salgada ou um líquido diferente, a maioria dos tipos de água possuem uma densidade com valor próximo ao de referência.
- Se possuir um conta-gotas, pode ser muito útil para verificar o nível da água no recipiente interior.
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Submerja um pequeno objeto. Agora, encontre um pequeno objeto que caiba dentro do recipiente interior e que não será danificado pela água. Encontre a massa desse objeto em quilos (use uma balança para isso). Então, sem molhar os seus dedos, mergulhe o objeto na água até que comece a flutuar ou não puder mais segurá-lo. Você deve notar a água do recipiente interno derramar para o recipiente externo.
- Para os propósitos do nosso exemplo, vamos dizer que estamos colocando um carrinho de brinquedo com massa de 0,05 quilos dentro do recipiente interno. Não precisamos saber o volume do carro para calcular o empuxo, como veremos em seguida.
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Colete e meça a água que derramou. Quando você submerge um objeto em água, ocorre um deslocamento de água; se não acontecesse, não haveria espaço para ele entrar na água. Quando ele empurra o líquido, a água empurra de volta, causando o empuxo. Pegue a água que derramou e coloque em um copo de medição. O volume da água deve ser igual ao do volume submerso.
- Em outras palavras, se o seu objeto flutua, o volume da água que derramou será igual ao volume do objeto submerso na água. Se o seu objeto afunda, o volume de água que derrama é igual ao volume do todo o objeto.
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Calcule o peso da água derramada. Já que sabe a densidade da água e pode medir o volume que foi derramado, é possível achar a massa. Simplesmente converta o volume para metros 3 (uma ferramenta de conversão online, como essa aqui , pode ser útil) e multiplique pela a densidade da água (1000 quilos/metro 3 ).
- Em nosso exemplo, vamos dizer que o nosso carrinho afundou e deslocou cerca de duas colheres de sopa (0,00003 metros 3 ). Para encontrar a massa da água, multiplicamos pela sua densidade: : 1000 quilos/metros 3 × 0,00003 metros 3 = 0,03 quilos .
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Compare o volume deslocado à massa do objeto. Agora que sabe a massa submersa e a massa deslocada, compare-as para ver qual é maior. Se a massa do objeto submerso no recipiente interno é maior que a massa de água deslocada, deve ter afundado. Mas se a massa deslocada de água é maior que, o objeto deve ter flutuado. Esse é o princípio do empuxo; para um objeto flutuar, ele tem que deslocar uma massa de água maior que a do objeto.
- Ainda, objetos com menores massas mas volumes maiores são os objetos que mais flutuam. Essa propriedade significa que objetos ocos flutuam. Pense em uma canoa; ela flutua porque é oca, então pode deslocar muita água, sem precisar ter uma massa grande. Se canoas fossem sólidas, elas não flutuariam bem.
- Em nosso exemplo, o carro tem uma massa de 0,05 quilos, maior do que a água deslocada, 0,03 quilos. Isso confirma o nosso resultado: o carro afunda.
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Dicas
- Use uma balança que possa ser zerada após cada leitura, para ajudar a obter medições precisas.
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Materiais Necessários
- Xícara pequena ou vasilha;
- Vasilha grande ou balde;
- Objeto pequeno para submergir (como uma bola de borracha);
- Xícara de medição.
Referências
- http://www.howstuffworks.com/buoyancy-info.htm
- http://www.howstuffworks.com/science-vs-myth/everyday-myths/10-scientific-laws-theories7.htm
- http://www.howstuffworks.com/outdoor-activities/water-sports/sailboat2.htm
- http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/class/phscilab/dens.html
- http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/mass.html#wgt
- http://www.pasco.com/file_downloads/experiments/pdf-files/glx/physics/29-Buoyant-force-SV.pdf
- http://www.sciencebuddies.org/science-fair-projects/project_ideas/Phys_p074.shtml
- http://en.wikipedia.org/wiki/Buoyancy#Archimedes.27_principle
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