Relatório Hidrostatica 10 experimentos IFSP 2 ano

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INSTITUTO FEDERAL DE
 EDUCAÇÃO, CIÊNCIA TECNOLOGIA.
 São Paulo
 Campus Cubatão
Hidrostática: O estudo dos fluidos
CUBATÃO
2016
Hidrostática: O estudo dos fluidos
 
 
CUBATÃO
2016
Introdução
A Hidrostática surgiu entre (287 a.C. - 212 a.C.) a partir dos estudos de Arquimedes (287 a.C. - 212 a.C.) sobre a mecânica dos fluidos. Importantes nomes desse campo foram: Torricelli (1608-1647), Stevin (1548-1620), Pascal (1623-1662), entre outros.
A Hidrostática é o ramo da Física que estuda a força exercida por e sobre líquidos em repouso. Este nome faz referência ao primeiro fluido estudado, a água, é por isso que, por razões históricas, mantém-se esse nome. A definição de fluido é de uma substância que pode escoar facilmente, não tem forma própria e tem a capacidade de mudar de forma ao ser submetido à ação e pequenas forças. A palavra “fluido” pode designar tanto líquidos quanto gases. Além do estudo dos fluídos, a hidrostática também estuda as forças que esses fluídos exercem sobre corpos neles imersos, seja em imersão parcial, como no caso de objetos flutuantes, como os totalmente submersos.
Outro campo a ser abordado neste relatório é a Hidrodinâmica, que é a parte da Física que estuda as propriedades dos fluidos em movimento.
Experimento I – Empuxo
Objetivos
O objetivo principal desse experimento é realizar uma análise física da força empuxo atuante em um objeto num meio aquoso. Objetivos mais específicos incluem:
Realizar uma observação e descrição da Força peso que atua no objeto após este ser imerso na água;
Explicar o porquê do objeto afundar;
Explicar de onde se origina a força contrária ao deslocamento do objeto;
Determinar a intensidade desta força.
Metodologia
Materiais
1 Cilindro metálico;
2 Beques graduados;
1 Recipiente não graduado;
1 Cilindro metálico;
1 Dinamômetro;
Arame;
Água;
1 Balança digital;
Método
	Antes de começar o experimento, foi necessário a realização de algumas medidas físicas do cilindro. Dessa forma, mensurou-se a massa do mesmo com o auxílio de uma balança digital. Após isso, encheu-se um Becker com água até o topo. O objeto foi posicionado dentro do mesmo até afundar a fim de observar o deslocamento de volume de água.
	No próximo passo, colocou-se um recipiente não graduado completamente preenchido com água dentro de um béquer graduado vazio. Após isto, ligou-se o cilindro ao dinamômetro por meio de um arame metálico. Assim mergulhou o objeto dentro do béquer até que ficasse completamente imerso e então o valor da força constada no dinamômetro foi anotada. A figura a seguir mostra o procedimento: 
Resultados
Tabela 1 - Medidas do cilindro
	Massa (kg)
	Volume (m³)
	0.6513
	7.5 
O empuxo pôde ser calculado de duas maneiras, a primeira foi por meio da subtração dos módulos da força peso antes e após o objeto ser imerso, a segundo foi por meio da seguinte relação:
Em que:
d: Densidade da água
v: Volume de água deslocado pelo corpo
 g: Aceleração da gravidade
Tabela 2 - Intensidade das forças dentro do sistema
	Peso antes de ser imerso (N)
	Peso após ser imerso(N)
	Força contrária ao deslocamento (N)
	Empuxo calculado (N)
	6.39
	5.64
	0.75
	0.75
Experimento II – Vaso comunicante
Objetivos
	Este relatório tem como objetivo a análise e o estudo do funcionamento dos Vasos comunicantes a partir do Teorema do Stevin e suas consequências.
Metodologia
Materiais
Água;
Óleo de cozinha;
Vaso Comunicante;
2 Réguas.
Método
	O experimento foi dividido em duas etapas. Na primeira etapa, colocou-se apenas água em um dos lados do tubo e então foi medido com uma régua a altura do nível da água em relação a base do vaso comunicante. Após isto, foi adicionado um pouco de óleo no mesmo lado e novamente foi medido o nível da água e do óleo. 
Resultados
Etapa I
	Para a etapa I, o nível da água manteve-se a mesma altura em ambos os lados. Como o tubo está aberto em ambos os lados, a pressão correspondente ao ponto A e B é a própria pressão atmosférica, que vale aproximadamente 10^6 atm. Assim, .
	Altura do nível da água (m)
	Pa (Pa)
	Pb (Pa)
	0.185
	10^6
	10^6
Etapa II
	Na etapa II, o lado esquerdo e direito possuíram níveis diferentes em relação à base do vaso comunicante devido ao fato de o óleo possuir menor densidade em relação à água. Pelo Teorema de Stevin foi possível determinar dois pontos em que a pressão fosse exatamente a mesma. Assim:
Tabela I – Dados gerais do experimento
	Altura do nível da água (m)
	Altura do nível do óleo em relação a água (m)
	Pressão hidrostática 
Pa’ 
(Pa)
	Pressão hidrostática 
Pb’ 
(Pa)
	0.185
	0.14
	1120
	1120
Experimento III – Pressão 
 Objetivos
Observar o funcionamento do escoamento de água em uma garrafa em diferentes profundidades;
Estabelecer uma relação com o Princípio de Stevin;
Determinar a pressão hidrostática em cada profundidade;
Utilizar o princípio de Bernoulli para determinar a velocidade de escoamento.
Metodologia
Materiais
1 Garrafa pet com 3 furos;
 Fita adesiva;
Água;
1 Régua.
Método
Para começar o experimento, selou-se os três furos da garrafa pet com a fita adesiva. Em seguida, encheu-se a garrafa com água até o topo e fechou a mesma com a tampa. As fitas foram retiradas, e então observou-se o que aconteceu. Após isto, a tampa foi retirada até que a água parasse de ser jorrada para fora da garrafa. Por fim, mediu-se com o auxílio de uma régua, a altura de cada ponto em relação ao topo. A imagem a seguir ilustra o procedimento:
Resultados
A partir da profundidade de cada ponto em relação ao topo da garrafa, foi possível medir a pressão hidrostática dos mesmos por meio da seguinte relação:
Ao realizar o experimento com a tampa fechada não houve escoamento de água, devido ao fato da pressão atmosférica ser maior que a pressão hidrostática dentro da garrafa. Quando a tampa é aberta, a água sofre a influência tanto da pressão hidrostática quanto da atmosférica permitindo assim o seu escoamento.
A partir do teorema de Bernoulli, é possível deduzir que a velocidade horizontal de escoamento do fluido é dada pela seguinte expressão:
Sendo, 
g: Aceleração da gravidade
h: Profundidade
	
	
Tabela - Profundidade
	A profundidade de cada ponto foi medida e então organizada na seguinte tabela:
	Profundidade 1 (m)
	Profundidade 2 (m)
	Profundidade 3 (m)
	0.12
	0.20
	0.27
Esquema representativo - Profundidade
Tabela 1 – Pressão hidrostática em cada furo
	Pressão hidrostática Furo 1 (Pa)
	Pressão hidrostática Furo 2 (Pa)
	Pressão hidrostática Furo 3 (Pa)
	1177
	1962
	2648
Tabela 2– Velocidade de escoamento de cada furo
	Velocidade Furo 1 (m/s)
	Velocidade Furo 2 (m/s)
	Velocidade Furo 3 (m/s)
	1.5
	2
	2.3
Experimento IV - Lata
Objetivo
O objetivo deste experimento consiste em observar e explicar a implosão de uma lata metálica.
Metodologia
Materiais
1 Pinça metálica;
1 Lata metálica;
1 Lamparina de álcool
1 Recipiente com água gelada;
1 Isqueiro.
Água
Método
	Para iniciar o experimento, colocou-se algumas gotas de água dentro da lata. Após isso, acendeu-se o pavio da lamparina de álcool por meio do isqueiro. No próximo passo, posicionou-se a lata em cima do pavio por alguns segundos e então a lata foi colocada no recipiente com água gelada de modo que sua boca ficasse virada para baixo. A imagem a seguir ilustra tais procedimentos:
Figura 1: Lata submetida ao fogo.
Figura 2: Lata invertida sendo mergulhada dentro da água gelada
Figura 3: Lata amassada após experimento.
Resultado
Durante o aquecimento da água dentro da lata de alumínio, as gotas de água dentro dalata atingem uma temperatura de 100 ºC (ebulição). Assim boa parte do volume interior da lata encontra-se preenchido por água em forma de vapor. 
Ao mergulhar a lata invertida na água, que se encontra a uma temperatura menor isso causará um decréscimo brusco na temperatura, tanto na própria água líquida como nas paredes da lata provocando, portanto, uma menor pressão dentro da lata do que fora dela.
A lata comprime devido a pressão atmosférica exercer uma força nesta maior do que a pressão de vapor dentro da mesma. A compressão ocorrerá até ser atingido um novo estado de equilíbrio, concordante com a diminuição de pressão. Isto é, quando o vapor condensa vai haver um certo espaço deixado por este que tem de ser preenchido. Como a lata não oferece grande resistência, ela implode até compensar a diminuição brusca de pressão. 
Experimento V – Submarino na garrafa (Ludião)	
Objetivo
	Este experimento tem como objetivo a análise e o estudo do princípio de pascal e do princípio de Arquimedes por meio de um ludião.
 Metodologia
Materiais
1 garrafa PET de 500 ml transparente com tampa;
água;
1 boneco de vidro com abertura;
1 boneco de vidro fechado com líquido vermelho.
Método
.O equipamento encontrava-se montado e pronto para o experimento no laboratório. Assim, a experiência foi dividida em duas partes. Na primeira parte a garrafa foi pressionada e então observou-se o que ocorreu. Já na segunda, os dois bonecos foram acoplados por meio de ganchos presentes nos mesmos e então novamente foi observado o que acontecia quando a garrafa era submetida manualmente a variadas pressões. A imagem a seguir mostra a representação das duas partes do experimento:
Resultados
 Percebeu-se logo de início a atuação do princípio de Arquimedes agindo em ambos os corpos. O corpo transparente, por apresentar um orifício, possui uma quantidade de ar dentro do mesmo, o que faz com que este flutue. Já o objeto com líquido vermelho afunda, isso é explicado pelo fato de seu peso ser maior que a força empuxo. 
Conforme a garrafa é pressionada, percebe-se também que o corpo transparente começa a receber mais água para dentro de si, aumentando assim seu peso até o ponto de ser maior que a força empuxo e, portanto, afundar. O princípio que explica o porquê de entrar mais água no corpo transparente ao pressionar a garrafa é chamado de princípio de Pascal, que afirma que uma alteração de pressão produzida em um fluido em equilíbrio transmite-se integralmente a todos os pontos do fluido e às paredes do seu recipiente.
Ao descomprimir a garrafa, o corpo imerge, pois a pressão da garrafa volta ao normal e a massa de água, que estava dentro da caneta, saí deixando-a com a densidade menor do que a da água e, consequentemente, voltando ao topo. 
Figura 3: Corpo transparente flutuando em equilíbrio, corpo vermelho afundado.
Figura 4: Garrafa sendo pressionada em suas laterais, corpo transparente afundando.
	Na segunda parte do experimento, a situação se repetiu. No entanto, devido ao fato de os corpos estarem enganchados, percebeu-se que o corpo transparente ficou um pouco abaixo do nível da água em comparação ao anterior. Isso é explicado devido ao fato do corpo possuir um peso maior, exigindo dessa forma um empuxo maior, e consequentemente pelo princípio de Arquimedes, um volume maior de água deslocada.
Figura 5: Corpos flutuando em equilíbrio
Figura 4: Garrafa sendo pressionada em suas laterais, corpos afundando.
 
Experimento VI – Sifão
Objetivos
 Este experimento tem como objetivo a compreensão do funcionamento de um sifão e da influência da pressão atmosférica e da força da gravidade neste.
Metodologia
Materiais
1 Tubo de plástico;
1 Recipiente com água;
1 Recipiente sem água.
Método
O recipiente com água foi posicionado em nível superior ao recipiente sem água. Posteriormente, o tubo de plástico foi cheio com água, e teve suas extremidades tampadas. Uma ponta do tubo foi imersa no recipiente com água, e a outra foi colocada no recipiente sem água. Após isso, se destampou as duas extremidades do tubo.
Resultado
Após o tubo ser destampado em ambos os lados, a água do recipiente de cima começou a fluir para o recipiente de baixo. A imagem a seguir ilustra o procedimento.
Quando a água flui, por ação da gravidade, do ponto mais alto do tubo para o recipiente vazio, um vácuo parcial é criado nesse ponto mais alto. Sendo assim, a pressão do ar sobre a água no recipiente mais alto empurra a água em direção ao vácuo criado que funciona como uma espécie de sugador, após isso, a agua desce do ponto mais alto ao mais baixo, por ação da gravidade, dando continuidade ao ciclo até que todo o fluido no interior do recipiente mais elevado seja transferido.
Experimento VII – Gelo derretido
OBJETIVO
Aplicar a lei de Arquimedes;
Verificar o que acontece com o volume da água logo após que o gelo derrete.
METODOLOGIA
Materiais
1 Béquer com água;
1 Cubo de gelo.
Método
Para a realização do experimento, primeiramente, foi anotado o volume de água do béquer. No próximo passo, foi colocado um cubo de gelo dentro do béquer e o volume de água em seu interior foi anotado. Depois de dez minutos, quando o gelo já havia derretido o volume de água novamente foi anotado.
RESULTADO
Observou-se que não houve nenhuma alteração no volume de água após o derretimento do gelo. Tal fato é explicado a partir do Princípio de Arquimedes, que diz que o valor do empuxo é igual ao peso de água deslocado pelo corpo. Como o peso da água manteve-se constante durante todo o tempo, o empuxo não foi alterado, sendo assim o volume deslocado pelo corpo também não. 
Figura 1: 
Tabela I – Volume da água
	Volume da água (ml)
	Volume da água com gelo (ml)
	Volume da água com gelo derretido (ml)
	77
	87
	87
Experimento VIII – Ebulidor de Franklin
Objetivos
Observar um Ebulidor de Franklin;
Explicar o seu funcionamento;
Entender a sua relação com o princípio de Pascal.
Metodologia
Materiais
1 Ebulidor de Franklin.
Método
O ebulidor de Franklin foi posicionado verticalmente e então um dos integrantes do grupo encostou a mão em uma de suas bases observando o que aconteceu. Este procedimento foi repetido com a outra ponta do ebulidor.
Resultado
O corpo humano mantém uma temperatura aproximadamente constante em 37º C. O ebulidor fica em equilibro térmico com o ambiente (normalmente a uma temperatura menor que 37º C). Então, o calor flui da mão para o ebulidor, aumentando a temperatura média do liquido. Quando isso acontece, o local onde se encontra a substância se aquece, que por ser muito volátil, uma pequena parte entra em ebulição e se dilata. A dilatação e o aumento da quantidade de gás nessa região causam um aumento na pressão, que “empurra” o liquido para cima, onde a temperatura está mais baixa e a pressão consequentemente é menor.
A movimentação dentro do ebulidor pode ser também explicada pelo princípio de Pascal, que afirma: “Quando um ponto de um fluido em equilíbrio sofre uma variação de pressão, essa variação será transmitida a todos os outros pontos do fluido.”.
Experimento IX – Diferença entre as garrafas
Objetivo
O experimento tem como objetivo observar duas garrafas de água e determinar algumas diferenças físicas entre elas.
Metodologia
Materiais
2 garrafas PET;
Balança digital;
Béquer;
Água.
Método
Iniciou-se o experimento a partir do cálculo do volume de cada garrafa. Com auxilio de um béquer, foi possível obter o volume total de cada garrafa de água a partir do volume deslocada pela mesma. Após isto, mediu-se a massa de cada uma delas com auxilio de uma balança digital. Com os dados obtidos, calculou-se a densidade de cada uma das garrafas.
Resultado
Notou-se que o formato das garrafas é diferente, sendo a garrafa de tampa vermelha mais achatadaem seu centro que a de tampa azul. Abaixo encontra-se uma representação gráfica de cada uma delas:
O volume de água suportado no interior das duas garrafas também as distinguem, como consta na tabela abaixo:
Tabela I – Volume das garrafas
	Volume da garrafa de tampa vermelha (m³)
	Volume da garrafa de tampa azul (m³)
	0,00051
	0,00050
	
Além disso, as garrafas também apresentaram diferentes densidades por conta de seu material, isso explica o porquê de uma garrafa ser mais espessa que a outra, a tabela a seguir confirma isso:
Tabela II – Densidade das garrafas
	Densidade da garrafa de tampa vermelha (kg/m³)
	Densidade da garrafa de tampa azul (kg/m³)
	48
	30
Experimento X – Densidade
Materiais
Cilindros metálicos e não metálicos;
Balança;
Régua;
1 béquer;
Metodologia
O experimento iniciou-se com a realização da mensuração da massa de cada um dos cilindros por meio de uma balança digital. No próximo passo, mediu-se as dimensões de cada um dos cilindros. Com os valores encontrados, calculou-se o volume de cada cilindro e assim estimou-se a densidade dos mesmos. Na segunda parte, realizou-se a medição do volume de cada cilindro com o auxílio de um béquer ao verificar o quanto de água cada cilindro deslocava. Desta forma, comparou-se os valores de densidade estimada e da densidade real.
Resultados
Tabela I – Dimensões de cada cilindro
	Cilindro metálico
	Cilindro não-metálico
	Altura (m)
	Raio (m)
	Altura (m)
	Raio (m)
	4,9 
	4,5 
	4,7 5 
	5 
Tabela I - Massa de cada cilindro
	Massa do cilindro metálico (kg)
	Massa do cilindro não-metálico (kg)
	2,99 
	5, 25 
Tabela I - Densidade cilindro metálico
	Estimativa da densidade (kg/m³)
	Densidade real (kg/m³)
	Discrepância (%)
	9520
	9060
	5
Tabela II - Densidade cilindro não-metálico
	Estimativa da densidade (kg/m³)
	Densidade real (kg/m³)
	Discrepância (%)
	1410
	1310
	7
Tabela I - Densidade do PVC e do cilindro não-metálico
	Densidade do cilindro não-metálico (kg/m³)
	Densidade do PVC (kg/m³)
	Discrepância (%)
	1310
	1350
	3
Tabela I - Densidade do Bronze e do cilindro metálico
	Densidade do cilindro não-metálico (kg/m³)
	Densidade do PVC (kg/m³)
	Discrepância (%)
	9060
	8740
	4
Conclusão
	Em relação ao Experimento I - Empuxo, é possível concluir diversas coisas. A primeira delas é a de que o volume de água deslocado pelo cilindro corresponde ao volume do próprio cilindro devido ao Princípio da impenetrabilidade, o qual afirma que dois corpos não podem ocupar o mesmo espaço ao mesmo tempo. A força peso do objeto é constante durante todo o experimento, no entanto devido ao fato de existir uma força contrária ao sentido da força peso, isto é, o próprio empuxo, existe uma força resultante chamada de Peso aparente, a qual nada mais é do que a soma vetorial entre o empuxo e o peso.
Já em relação ao Experimento II – Pressão de um líquido, foi demonstrado que se houver um único líquido em um vaso comunicante, este sempre manterá um mesmo nível. No entanto se houver líquidos com densidades diferentes haverá um desnível no vaso a fim de haver um equilíbrio hidrostático, concordando, portanto, com o Teorema de Stevin.
Em relação ao Experimento III – Pressão, notou-se que quanto mais profundo for o furo, maior será a sua velocidade e consequentemente a distância percorrida pelo filete de água também. Também é notável o fato de haver mais pressão conforme a profundidade do furo, confirmando mais uma vez o Teorema de Stevin.
Em relação ao experimento IV, concluiu-se que a implosão da luta ocorreu devido a uma diferença de pressão dentro da mesma.
Em relação ao experimento V - Submarino na garrafa (Ludião), concluiu-se que uma alteração de pressão produzida em um fluido em equilíbrio transmite-se integralmente a todos os pontos do fluido e às paredes do seu recipiente, confirmando assim o princípio de pascal, além disso, o princípio de Arquimedes, fez-se presente neste experimento, sendo corroborado com sucesso.
Em relação ao Experimento VI – Sifão, conclui-se que é um efeito dependente de duas entidades principais: A diferença de pressão e a aceleração da gravidade. Sendo assim, foi possível observar e explicar com sucesso o funcionamento de um sifão.
Em relação ao Experimento VI – Sifão, conclui-se que é um efeito dependente de duas entidades principais: A diferença de pressão e a aceleração da gravidade. Sendo assim, foi possível observar e explicar com sucesso o funcionamento de um sifão.
Em relação ao experimento VIII – Ebulidor de Franklin, concluiu-se que o fenômeno de deslocamento do fluído se dá devido ao fato do mesmo ser comprimido por dilatação e também por haver um aumento de pressão dentro do sistema.
Em relação ao Experimento IX – Diferença entre as garrafas, concluiu-se que a diferença entre as garras se dava em seus aspectos físicos, como a densidade e sua forma.
Em relação ao experimento X – Densidade, conclui-se que os cilindros metálico e não-metálico são compostos respectivamente de bronze e PVC. Também foi observado que as estimativas da densidade chegaram próximas a densidade real.
 Bibliografia
Densidade: Relação entre massa e volume, Educação Uol. Disponível em <http://educacao.uol.com.br/disciplinas/quimica/densidade-relacao-entre-massa-e-volume.htm>
Definição física da densidade, Brasil escola. Disponível em: <http://brasilescola.uol.com.br/fisica/definicao-fisica-densidade.htm>
Princípio de Pascal, Brasil Escola. Disponível em: <http://brasilescola.uol.com.br/fisica/principio-de-pascal.htm>
Construindo um Ludião, Brasil Escola. Disponível em: <http://educador.brasilescola.uol.com.br/estrategias-ensino/construindo-um-ludiao.htm>
Principio de Arquimedes, InfoEscola. Disponível em:<http://www.infoescola.com/fisica/principio-de-arquimedes-empuxo/>
Tópicos de física, Helou Guater Newton.
Curso de física especial para medicina, Renato brito.