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Objetivo: Determinar o empuxo, a força resultante exercida pelo fluido sobre um corpo e tem sentido oposto à força Peso, para água e para o álcool e encontrar a densidade do álcool pelo método da balança hidrostática. Introdução: Alguns livros contam que há dois séculos, o rei Hierão fez uma encomenda de uma coroa de ouro, mas achou que alguém tinha roubado um pouco de seu ouro e feito parte da coroa de prata. O rei recorreu ao sábio Arquimedes e disse para ele descobrir se aquela coroa tinha a quantidade de ouro que havia dado ao ourives ou tinha prata. Mas havia uma condição: A coroa não poderia ser derretida. Então, conta-se que Arquimedes foi para uma banheira relaxar e observou que o volume da água derramada da banheira cheia em que entrara era igual ao volume da parte do seu corpo dentro da água. Ele viu imediatamente como deveria resolver o problema. Sem ao menos se vestir, Arquimedes correu para o castelo gritando Eureca! Foi o filósofo, matemático, físico, engenheiro, inventor e astrônomo grego Arquimedes quem descobriu como calcular o empuxo. Arquimedes descobriu que todo o corpo imerso em um fluido em equilíbrio, dentro de um campo gravitacional, fica sob a ação de uma força vertical, com sentido oposto a este campo, aplicado pelo fluido, cuja intensidade é igual à intensidade do Peso do fluido que é ocupado pelo corpo. A força para cima exercida por um fluido sobre qualquer objeto imerso é chamada Força de Empuxo. Pode-se determinar o módulo desta força aplicando um pouco de lógica. Imagine um bolsão de água do tamanho de uma bola de praia sob a superfície. Como ele está em equilíbrio, deve haver uma força para cima que equilibra a força gravitacional para baixo sobre ele. Esta força para cima é a de Empuxo e seu módulo é igual ao peso da água nele contida. A força de empuxo é aquela resultante sobre o bolsão devido a todas as forças aplicadas pelo fluido em volta da parcela. Imagine agora substituir o bolsão de água do tamanho de uma bola de praia por uma bola de praia do mesmo tamanho. A força resultante aplicada pelo fluido em volta da bola é a mesma, não importando se aplicada a uma bola ou a um bolsão de água. Consequentemente, o módulo da força de empuxo sobre um corpo é sempre igual ao peso do fluido deslocado por aquele corpo. Esta afirmação é conhecida como princípio de Arquimedes. Quando um corpo está mergulhado em um líquido seu peso será um peso aparente devido à força do empuxo que o líquido faz sobre ele. Fr= P-E, sendo Fr a força resultante, P o peso do bloco, e E o empuxo aplicado pelo líquido. O líquido exercerá no corpo uma força de empuxo E que será vertical, para cima e de intensidade igual ao peso do líquido deslocado. Quando um corpo está totalmente imerso em um líquido, podemos ter as seguintes condições: Se ele permanece parado no ponto onde foi colocado, a intensidade da força de empuxo é igual à intensidade da força peso (E = P). Se ele afundar, a intensidade da força de empuxo é menor do que a intensidade da força peso (E < P). Se ele for levado para a superfície, a intensidade da força de empuxo é maior do que a intensidade da força peso (E > P). Para saber qual das três situações irá ocorrer, devemos enunciar o princípio de Arquimedes: Todo corpo mergulhado num fluido (líquido ou gás) sofre, por parte do fluido, uma força vertical para cima, cuja intensidade é igual ao peso do fluido deslocado pelo corpo. Seja Vf o volume de fluido deslocado pelo corpo. Então a massa do fluido deslocado é dada por: mf = dfVf A intensidade do empuxo é igual à do peso dessa massa deslocada: E = mfg = dfVfg Para corpos totalmente imersos, o volume de fluido deslocado é igual ao próprio volume do corpo. Neste caso, a intensidade do peso do corpo e do empuxo é dada por: P = dcVcg e E = dfVcg Comparando-se as duas expressões, observamos que: Se dc > df , o corpo desce em movimento acelerado (FR = P – E) Se dc < df , o corpo sobe em movimento acelerado (FR = E – P) Se dc = df , o corpo encontra-se em equilíbrio Quando um corpo mais denso que um líquido é totalmente imerso nesse líquido, observamos que o valor do seu peso, dentro desse líquido, é aparentemente menor do que no ar. A diferença entre o valor do peso real e do peso aparente corresponde ao empuxo exercido pelo líquido: E= Preal - Paparente Flutuação Para um corpo flutuando em um líquido, temos as condições a seguir. 1) Ele encontra-se em equilíbrio: E = P 2) O volume de líquido que ele desloca é menor do que o seu volume: Vdeslocado < Vcorpo 3) Sua densidade é menor do que a densidade do líquido: dcorpo < dlíquido 4) O valor do peso aparente do corpo é nulo: Paparente = P – E = O A relação entre os volumes imerso e total do corpo é dada por: E = P = dliquido * Vimersog = dcorpo * Vcorpo * g = Materiais e métodos: Materiais: -Sólido mergulhador - Balança de precisão - Líquidos : água e álcool - Béquers - Papel toalha Procedimento experimental: Primeiro passo: encontrar o peso real, peso aparente e calcular o empuxo para água e álcool. Segundo passo: pesar o béquer com esfera – Pesoreal (P=mg) Terceiro passo: Peso aparente- colocar o liquido no béquer e pesar com a esfera (Fazer para a água e o álcool). Quarto passo: calcular o empuxo para água e para álcool. E=P real - P aparente Quinto passo: calcular a densidade do álcool, sabendo que a densidade padrão da água é 1g/cm³ d álcool = E álcool x d H2O / E H2O Resultados: M esfera= 47,731 P esfera= 467,7638 M aparente água= 41,418 P aparente água= 405,8964 M aparente do álcool= 42,507 P aparente água= 416,5686 E H²O= P real-P aparente E álcool= P real-P aparente E H²O= 61,8674 E álcool=51,1952 d álcool= E álcool – d H²O / E H²O d álcool= 51,952 . 1 / 61,8674 d álcool= 0,84 g/cm³ JEWETT, John W. Jr.; SERWAY, Raymond A. Física para Cientistas e Engenheiros. Tradução de EZ2 Translate 8.ed. São Paulo: Cengage Learning, 2011 GREF, Grupo de Reelaboração do Ensino de Física. Física 1: Mecânica. 4.ed. São Paulo: Edusp, 1990
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