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Laboratório de Física II Relatório da Prática III
** Comprovação Experimental do Empuxo ** ** Termometria – Mudanças de Estado Físico da Água**
Integrantes do Grupo: Helder Cesar – R.A. 127.2217 Larissa Ávila – R.A. 126.7159 William Lopes – R.A. 127.2436
2 de Setembro de 2008
Comprovação Experimental do Empuxo Introdução Este relatório trata da comprovação experimental do fenômeno que observamos ao jogar uma bola num lago ou em qualquer local onde há uma concentração considerável de água. Generalizando, discutiremos os efeitos físicos existentes e atuantes onde há um objeto de massa m num meio que seja mais leve ou mais pesado do que o objeto. Este fenômeno que foi citado acima, é chamado de empuxo, e é tratado no “Principio de Arquimedes” que digase de passagem foi a maior contribuição de Arquimedes á hidrostática, pois ele descobriu que um corpo mergulhado num liquido recebe por parte deste a aplicação de uma força de baixo para cima denominada empuxo.
Teoria Para o cálculo do empuxo iremos considerar um líquido em equilíbrio e uma porção desse líquido como se fosse um corpo imerso nele. Observe a figura:
Para que o corpo de massa mc e volume Vc fique em equilíbrio no líquido, devemos ter o empuxo igual ao peso do corpo, isto é:
E= P ⇒ E=m⋅c⋅g E=c⋅V c⋅g
Mas o corpo imaginário é constituído de líquido; logo: c =líquido
e
V c =V líquido
deslocado
Portanto: E= líquido⋅V líquido
⋅g
deslocado
“Todo corpo imerso total ou parcialmente num líquido recebe uma força vertical, de baixo para cima, igual ao peso da porção de líquido deslocada pelo corpo”.
Materiais e Métodos O experimento consistiu principalmente em verificar o Princípio de Arquimedes. Os materiais utilizados foram: • Suporte para fixar o dinamômetro; • Um recipiente de plástico; • Um cilindro de plástico; • Um dinamômetro; • Uma seringa de 20ml (sem agulha); • Um béquer; • Água (~250ml);
Resultados Experimentais A primeira parte do experimento consistia em medir o peso do conjunto formado pelo recipiente e o cilindro de plástico. Então montamos o conjunto com o dinamômetro preso em seu suporte no gancho de sua extremidade colocamos o conjunto de pesos. Esse peso medido foi chamado de Pcfl (Peso do corpo fora do líquido). Obtivemos a medida de 0,79N. Logo o Pcfl = 0,79N. Com a mesma montagem, a segunda parte do experimento pedia para que a distância entre o cilindro e a mesa fosse de três milímetros e depois mergulhássemos o cilindro na água do béquer. Feito isso, era para novamente anotar a medida do peso do conjunto, e assim obtivemos a medida de 0,48N que foi chamada de “peso aparente do corpo dentro do liquido”, Pacdl. Discussão do resultado: A “aparente diminuição do peso” se deve a força de empuxo exercida pelo líquido no objeto. Assim como foi explicado anteriormente, ao mergulharmos um objeto em um meio liquido, esse
liquido exerce uma força no objeto, essa força tem o mesmo sentido da força da gravidade mas direção oposta, ou seja, enquanto a gravidade tenta empurrar o objeto para dentro do liquido, este com sua força de empuxo empurra o objeto para fora. A força de empuxo sofrida pelo cilindro quando estava completamente submerso foi de 0,31N. Mantendo ainda o cilindro submerso, retiramos aos poucos a água com a seringa e enchemos um segundo recipiente com um volume menor do que o béquer, quando este segundo recipiente estava cheio, foi possível observar que o volume de água contida em seu interior, era igual ao volume de água que foi deslocada com o cilindro submerso. O último procedimento do experimento, pede que tiremos o cilindro da montagem, deixando apenas o recipiente, deixando este apenas em contato com a superfície da água do béquer, e aos poucos ir enchendo o recipiente com água. Nessa parte observamos que o recipiente aos poucos vai afundando na água do béquer, pois conforme vamos enchendo com água sua massa aumenta, e assim, forçando para baixo no sentido contrário do empuxo que é constante.
Conclusão “Contam os livros que o sábio grego Arquimedes “descobriu o empuxo” enquanto tomava banho, quando procurava responder a Hierão, rei de Siracusa, se sua coroa era realmente de ouro puro. Conta Vitrúvio, que o rei mandou fazer uma coroa de ouro. Para isso, contratou um artesão, que consoante uma boa quantia de dinheiro e a entrega do ouro necessário, aceitou o trabalho. Na data prevista o artesão entregou a coroa executada na perfeição, porém, o rei estava desconfiado que o artesão pudesse ter trocado o ouro por prata, pediu a Arquimedes que investigasse o que se passava uma vez que este era muito inteligente. Um dia, enquanto tomava banho, Arquimedes observou que, à medida que seu corpo mergulhava na banheira, a água transbordava. Concluiu, então, como poderia resolver o problema da coroa e de tão contente que estava saiu da banheira e foi para a rua gritando: "Eureka, Eureka!", que em língua grega quer dizer descobri, achei, encontrei. Assim, pegou um vasilhame com água e mergulhou um pedaço de ouro, do mesmo peso da coroa, registrando o quanto a água tinha subido. Fez o mesmo com um pedaço de prata. Efectuou o mesmo registo e comparouo com o anterior concluindo que o ouro não fez a água subir tanto como a prata. Por fim, inseriu a coroa na água. Esta elevou o nível da água mais do que o ouro e menos do que a prata. Arquimedes constatou, então, que a coroa havia sido feito com uma mistura de ouro e prata. Pôdese assim desvendar o mistério da coroa e desmascarar o artesão.” Assim, com o experimento realizado e os resultados obtidos, observamos o que Arquimedes formulou sobre o empuxo: que a aparente diminuição do peso (no caso do nosso experimento foi de 0,79N para 0,48N) se deve a força de empuxo exrecida pelo líquido no objeto. Concluimos então que o cilindro de plástico quando total ou parcialmente imerso na água sofreu um empuxo que é igual ao peso do volume da água deslocado pelo cilindro de plástico. Assim, um corpo imerso na água tornase mais leve devido a uma força, exercida pelo líquido (no caso a água) sobre o corpo, vertical e para cima, que alivia o peso do corpo.
Termometria Mudanças de Estado Físico da Água Introdução Neste experimento analisamos a mudança de estado da água, do estado líquido para o gasoso. Este é um tema muito bem conhecido por todos nós, pois podemos até dizer que é um acontecimento corriqueiro e que está presente em nosso cotidiano: estou falando da chuva. Sabemos que para chover, a água precisa passar por uma série de processos que são: • •
Vaporização (Mais precisamente falando, Evaporação): Passagem da fase líquida para a fase gasosa; Condensação ou Liqüefação: Passagem da fase sólida para a fase líquida;
E por fim: •
Precipitação: Que é conseqüência da condensação.
Como podemos ver, o exemplo da chuva é um dos mais completos para se explicar qual será o objetivo deste experimento. Apresentaremos nossas observações e algumas anotações que fizemos de acordo com o que ia acontecendo no decorrer da experiência.
Teorias Este experimento foi inteiramente baseado em observações e marcações de tempo, portanto a teoria utilizada para este procedimento será estruturada na base das teorias de Fases da Matéria e Mudanças de fase.
Materiais e Métodos Para executar a experiência, utilizamos alguns materiais que foram de suma importância para nossa prática e para nossas anotações. Estes materiais são: • • • • • • • • • • •
Um termômetro (de -10°C à 110°C); Uma rolha; Um suporte com uma haste; Um Béquer com 25ml de água; Uma lamparina; Fósforos ou isqueiro; Um suporte tripé para tela de amianto; Uma pinça com 140mm para perfil universal; Cronômetro; Um canudo para mexer a água; Pratinho virolado com cabo;
Com esses materiais em mãos, vamos para a etapa da montagem. Colocamos então a ponta superior do termômetro na rolha e esta por sua vez foi presa no
suporte para que então, o termômetro pudesse ficar na posição vertical. Depois de feito o descrito, pegamos o béquer com água e o colocamos em cima do suporte com o tapetezinho de níquel. Feito isso, posicionamos então o suporte com o béquer para que o termômetro pudesse ficar posicionado dentro do béquer com água. Terminando esta etapa, faltou apenas posicionar o pavio debaixo do suporte com o béquer. E então ateamos fogo na lamparina. A partir disto iniciamos uma seqüência de medições para saber a quantos graus a água começaria a mudar de estado.
Resultados Experimentais A partir do momento que ateamos fogo na lamparina começamos a fazer a contagem com o cronômetro, lembrando sempre que mantivemos a água constantemente agitada. A cada dois minutos fazíamos uma anotação de acordo com o que era mostrado pelo termômetro, sendo que no nosso tempo inicial (t0) a temperatura foi de 25°C. Nossas anotações podem ser vistas na tabela abaixo:
t (tempo em minutos)
Temperatura em °C
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
25 31 46 59 71 76 79 79 79 79 80 81 82
Observamos que a água começou a evaporar com uma temperatura de 79°C, e essa temperatura veio a se estabilizar ao chegar em uma temperatura de 82°C (devemos considerar que neste experimento utilizamos um termômetro descalibrado). Para melhor demonstrar o resultado deste experimento, mostraremos os dados da tabela acima em formato de gráfico:
Podemos ver através do gráfico que a temperatura da água cresce de maneira gradativa, mas conforme o passar do tempo ela vai diminuindo seu crescimento. Isso acontece simplesmente pelo fato de que a temperatura da água iria se estabilizar. Sendo assim, a velocidade do crescimento da temperatura vai abaixando até chegar a 0 (zero).
Conclusão O procedimento que utilizamos acima, teve por objetivo analisar a mudança de estado que acontece a água de acordo com o aumento da temperatura. Essa mudança de estado é chamada de Vaporização, que como pudemos observar, é a mudança de estado da água em forma líquida para a forma gasosa. Depois de demonstrado o processo de Vaporização da água, pudemos ver ainda outra demonstração: A água da forma gasosa passar para a forma líquida, ou seja, a operação inversa à Vaporização. Com a água ainda evaporando, colocamos o pratinho virolado tampando a “boca” do béquer. Podemos perceber que a água começou a borbulhar, pois o calor tinha menos saída, e assim, a água veio a se aquecer mais. Nesse processo o vapor não tinha como sair mais livremente, e acabava se chocando com a “barreira” que o pratinho fazia. Ficamos observando o experimento por alguns minutos e ao terminarmos, retiramos o pratinho e constatamos mais uma mudança de estado da água, que é denominada: Condensação (Liqüefação). Para encerrarmos as nossas demonstrações, concluímos que a água em suas mudanças de estado mantém a sua temperatura sempre constante.
