Primeiros passos

Este blog destina-se a tratar de uma tema muito interessante e importante da àrea da física: pressão atmosférica e empuxo do ar.O intuito é trabalhar alguns conceitos da física fazendo uso de diferenciadas linguagens.

Para entender pressão: DENSIDADE E VOLUME

Você já parou para pensar porque objetos de mesmos volume, terão massas diferentes caso sejam de materiais diferentes? E o que é mais pesado? 1kg de palha ou 1kg de chumbo? É óbvio que terão o mesmo peso, certo? Mas parece que nos deparamos com uma nova grandeza física. É a densidade. Que relaciona massa com o volume dos corpos. Para entender melhor assista ao vídeo abaixo:

 

Caso esteja familiarizado com a língua inglesa assista ao vídeo Eureka, sobre densidade e volume:

 

Portanto, a razão massa sobre volume é a densidade de um corpo, ou seja:

 

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Para entender . . . Pressão

 

 

Alguma vez, por engano, você tentou cortar o pão com o lado da faca sem afiação? Difícil, né?

Por que será que com a parte mais “fina” da faca é mais fácil cortar o pão?

Pelo mesmo motivo que a ponta do prego que entra na madeira é a ponta mais fina do material. Nesses casos, mais importante que a força exercida é área em que esta força atua. Quanto menor a área, maior é o efeito provocado pela força. Existe, então, uma relação entre força e superfície de contato essa relação é dada por um conceito em física chamado pressão.

A expressão matemática que traduz este raciocínio é :

P= Força /Area

Lei de Stevin

Observe atentamente este experimento: 

 

Por que será que o ovo foi sugado para dentro da garrafa?

Observe que existia ar tanto dentro quanto fora da garrafa e quando a chama do fósforo consumiu o oxigênio o ovo foi sugado.

Isso acontece porque o ar exerce pressão sobre a Terra, em todas as direções. Quando este ar é consumido num ambiente fechado, criamos uma diferença de pressão, e portanto uma diferença de forças em pontos diferentes fazendo com que a força do ar na parte de cima empurrasse o ovo pra dentro da garrafa.

Vamos fazer um experimento:
Materiais:
2 copos de vidro transparente (um cheio com líquido que pode ser àgua)
1 prato
1 fosforo
1 vela bem pequena

Realizando o experimento:
Coloque a vela no prato e despeje a agua contida em um do copos no prato. Acenda a vela com o outro copo. Tampe a vela com um dos copos e observe.

 Questão
 Descreva o que houve e tente explicar usando a lei de Stevin.

Veja um vídeo que reproduz nosso experimento:

Arquimedes e o Empuxo

 

Nasceu em Siracusa, na Sicília em 287 a.C., e foi educado em Alexandria, no Egito. Consagrou-se à Matemática, mais especialmente à Geometria. Muito jovem ainda começou a distinguir-se por seus trabalhos científicos. De regresso à Siracusa consagrou-se ao estudo da Geometria e da Mecânica, conseguindo descobrir princípios e fazer aplicações que o imortalizaram.

 Arquimedes inventou a balança que tem seu nome e foi o primeiro a determinar as leis do equilíbrio na balança. As atividades de seu pai, o astrônomo Fídias, influíram, sem dúvida, na vocação e formação científica de Arquimedes que, desde jovem, esteve em Alexandria, onde travou amizade com vários mestres alexandrinos.

Na Hidrostática, o "Princípio de Arquimedes" pode e deve ser considerado uma importante descoberta que determinou grande adiantamento no estudo das ciências físicas e produziu felizes resultados. Vamos assistir a história:

Portanto, podemos enunciar esse Princípio em duas partes:

a) Todo corpo submerso em um líquido, desloca desse líquido uma quantidade determinada, cujo volume é exatamente igual ao volume do corpo submerso.

b) O corpo submerso no líquido "perde" de seu peso uma quantidade igual ao peso do volume de líquido igual ao volume submerso do corpo.

Estas conclusões podem ser resumidas no que chamamos de empuxo tem valor igual ao peso de agua ou fluído deslocado, ou seja:

E = P_{água deslocada} = m_água . g = d_água . V_água . g



Como um dirigível voa?

Balões e dirigíveis precisam ser inflados para terem um grande volume. Desta maneira, deslocam um grande volume de ar. Segundo o princípio de Arquimedes, o Empuxo tem o valor do peso do fluido deslocado (líquido ou gás) que é dirigida para cima e aplicada no balão.
Então:
E = Par = mar.g = dar.Var.g onde m é a massa, d a densidade e g a gravidade local
O Empuxo vai ser contrário ao Peso do Balão e caso o seja maior, o balão subirá.

Teriamos então:

Peso do dirigível: 

Empuxo:    

E para que o balão suba, devemos ter a seguinte condição satisfeita:

Por isso que os balões são inflados com ar quente, que é mais leve que o ar frio, fazendo com que o Empuxo vença a força Peso.

Para que o dirigível, se mova na horizontal, deve ter um auxilio de um motor a hélice, o ar é empurrado para trás e  pela Terceira Lei de Newton, empurra o dirígivel. 

E a Pressão Atmosférica

Para compreender bem pressão atmosférica, vamos pensar novamente na lei de stevin. Considere um fluido (líquidos e gases que fluem para as regiões inferiores de um recipiente até preenchê-los totalmente) em equilíbrio (vertical e horizontal) no interior de um recipiente.

Esse líquido exerce sobre as paredes do recipiente que o contem forças que se tornam de maior intensidade à medida que a profundidade aumenta.

 Podemos perceber que as forças, na mesma horizontal, em ambos os extremos, tem a mesma intensidade, pois o líquido está em equilíbrio horizontal, caso contrário, ele se moveria nessa direção.

Observe a figura abaixo onde, quem varia é apenas a pressão vertical, onde o líquido que é homogêneo e incompressível está em equilíbrio.

Na superfície livre superior (A) desse líquido age a pressão atmosférica (P_atm)_, exercida pela coluna de ar que está sobre ele. Num ponto qualquer B do interior do líquido, a pressão (P_B) que age é a soma da pressão atmosférica com a pressão exercida pela coluna líquida acima dele, devido à seu peso.

Portanto, da Lei de Stevin, podemos escrever:

            P_B=P_atm + Plíquido

                                           

        P_B=P_atm + F/S

           P_B= P_atm + peso do líquido/S 

        P_B=P_atm + (m_líquido.g)/S

P_B=P_atm + (d_líquido.S.h)/S 

P_B=P_atm+ d_líquido.g.h 

Esta expressão é o Teorena Fundamental da Hidrostática, ou Teorema de Stevin, aplicada a pressão atmosférica.