Transcript
UNIVERSIDADE FEDERAL DE LAVRAS DEPARTAMENTO DE CIÊNCIAS EXATAS LABORATÓRIO DE FÍSICA II
Hidrostática – Empuxo
Acadêmicos:
RA:
Ederson de Souza
200820494
Thamara Braga
200920
Welbert de Freitas Reis
200920341
Professor: Antônio Marcelo M. Maciel
Turma: 18A
Lavras/MG Março de 2011
Resumo O trabalho apresentado a seguir fornece resultados práticos da relação entre empuxo e natureza do líquido a submergir um dado objeto, relacionada com a teoria do princípio de Arquimedes que defende a idéia do módulo do empuxo ser igual ao peso do volume de líquido deslocado.
Introdução O que é empuxo? Quando mergulhamos um corpo qualquer em um líquido, verificamos que este exerce, sobre o corpo uma força de sustentação, isto é, uma força dirigida para cima, que tende a impedir que o corpo afunde no líquido. A existência desta força pode ser percebida ao tentarmos mergulhar na água um pedaço de madeira, por exemplo. É também esta força que faz com que uma pedra pareça mais leve quando imersa na água ou em outro líquido qualquer. Esta força vertical, dirigida para cima, é denominada empuxo do líquido sobre o corpo mergulhado. Empuxo é uma força hidrostática resultante exercida por um fluido em condições hidrostáticas sobre um corpo que nele esteja imerso. A impulsão existe por conta da diferença de pressão hidrostática do corpo, visto que esta é proporcional à massa específica do fluido, à aceleração da gravidade, e à altura de profundidade. Um corpo total ou parcialmente imerso em um fluido sofre um empuxo que é igual ao peso do volume do fluido deslocado pelo corpo. Assim, um corpo imerso na água torna-se mais leve devido a uma força, exercida pelo líquido sobre o corpo, vertical e para cima, que alivia o peso do corpo. Quando um corpo está totalmente imerso num líquido qualquer, podemos ter as seguintes condições:
se ele permanece parado no ponto em que foi colocado, a intensidade da força de impulsão é igual a intensidade da força peso; se ele afundar, a intensidade da força de impulsão é menor que a intensidade da força peso; se ele for levado para a superfície, a intensidade da força de impulsão é maior do que a intensidade da força peso. A importância no estudo deste tipo de força está justamente no entendimento da flutuação de corpos em fluidos, como por exemplo no movimento de barcos, submarinos, aviões. O objetivo desta aula prática foi o de justamente entender e calcular o empuxo, utilizando-se do Princípio de Arquimedes. Desenvolvimento Teórico Se um objeto maciço submerso em um fluido qualquer for pesado por uma balança de mola, o peso aparente do objeto quando submerso (leitura da balança) será menor que o peso do objeto. Isso acontece porque o fluido exerce uma força orientada para cima que equilibra parcialmente a força da gravidade. A força exercida por um fluido sobre um corpo inteira ou parcialmente submerso nesse fluido é chamada de força de empuxo e tem módulo igual ao peso do fluido deslocado pelo corpo. O empuxo acontece porque a pressão do fluido na parte inferior do objeto imerso é maior do que no topo. “Um corpo inteira ou parcialmente submerso em um fluido sofre um empuxo que é igual ao peso do fluido deslocado”. Esse enunciado é conhecido como princípio de Arquimedes.Pode-se deduzir o princípio de Arquimedes das leis de Newton, considerando as forças que agem sobre uma massa de fluido e observando que em equilíbrio estático a força resultante deve ser zero. Esse princípio não depende da forma do objeto submerso, já que se qualquer porção de formato irregular de um fluido estático for considerada, haverá uma força de empuxo agindo sobre ela, exercida pelo fluido circunvizinho que apóia seu peso. A densidade relativa de um corpo (densidade) é igual ao peso do corpo dividido pelo peso do é igual ao peso do corpo dividido pelo peso de um volume igual de água. De acordo com o princípio de Arquimedes, o peso de volume de água é o empuxo sobre o corpo submerso em água.
d = peso do corpo no ar/ peso de igual volume de água => P/E água O peso aparente w ap de um objeto submerso em um fluido é igual à diferença entre seu peso w e o empuxo E: Pap= P – E => E= P – Pap
Desenvolvimento Experimental Materiais utilizados tripé tipo estrela; haste fêmea com 405mm; haste macho com 405mm; dinamômetro tubular de 1N e precisão de 0,01N; duplo cilindro de Arquimedes; presilha plástica com manipulo e haste de 13cm; becker 250ml; régua.
Descrição do experimento Primeiramente deve-se realizar a montagem do equipamento segundo a figura e ajustar o zero do dinamômetro. Logo deve-se pendurar o cilindro de nylon na parte inferior do primeiro cilindro e anotar o valor indicado no dinamômetro, repete-se o procedimento só que agora com realiza-se a medição com o cilindro mergulhando em um becker com água. Todos os passos citados acima deve-se ser refeitos com a diferença de troca a água do becker por álcool.
Resultados No primeiro experimento obteve-se 0,740N (±0,010N) como peso real do cilindro de nylon, quando mergulhado em água 0,270N (±0,010N) e quando mergulhado em álcool 0,360N (±0,010N) como peso aparente. O empuxo pode ser calculado a parti da subtração do peso real em relação ao peso aparente, equação 1, E = Preal - Paparente sendo assim os valores dos empuxos em água e álcool ficam, respectivamente, 0,470N e 0,380N Já no segundo experimento, a primeira parte consiste em medir os pesos e calcular o empuxo do mesmo cilindro de nylon que o primeiro experimento, ou seja, peso real igual à 0,740N (±0,010N), peso aparente em água 0,270N (±0,010N) e empuxo de 0,470N. A diferença estar em medi o peso de um balde com o mesmo volume de água que o cilindro, e obteve-se o valor de 0,460N (±0,010N), e calcular o volume do cilindro por meio das medidas de suas dimensões que foram 1,45cm de raio e 7cm de altura, por meio da seguinte formula é possível calcular o volume, Volume cilindro = π R² h o volume encontrado foi de 46,24cm³.
Ainda no segundo experimento utilizamos uma segunda formula para calcular empuxo a partir do volume de líquido deslocado, essa que é, equação 2, E = µL VLD g conhecendo o valor da massa específica da água (1g/cm³), da aceleração da gravidade (9,8m/s²) e usado o volume de água já calculado acima, obteve-se o valor para o empuxo de 0,453N.
Análise dos resultados Pode-se observar em relação ao peso do conjunto que houve uma diminuição da força peso quando o cilindro de nylon não estar mergulhado em um líquido para quando está, isso ocorre pois quando mergulhado em algum líquido há o fenômeno de empuxo, uma força contraria ao peso do cilindro, essa força apresenta direção vertical e sentido para cima. Comparado os líquidos apresentados, água e álcool, ficou provado, por meio doa cálculos mostrados acima, que a água apresenta maior empuxo do que o álcool, isso ocorre pois o empuxo depende da natureza do líquido. Comparando o valor do empuxo obtido pela equação 1 e o peso de um balde com o mesmo volume de água, observamos que são praticamente o mesmo valor (com uma diferença de 2,13%, isso ocorre por erros cometidos no momento de medição dos valores obtidos no experimento, valores de erros inferiores à 5% são considerados bons e assim aceitos para realização de análises dos experimentos). Também podemos comparar o valor de empuxo encontrado a partir da equação 2 com o valor da equação 1 e o peso do balde com água, as diferenças (erros) entre eles foram de 3,62% e 1,52% respectivamente, ou seja, obtiveram o mesmo valor de empuxo.
Conclusão Considerando os resultados e suas análises podem concluir que esses resultados foram de boa precisão, uma vez que a diferença entre os valores (erros) calculados e medidos foram menores que 5%, e que os resultados obtidos no experimento são coerentes com a literatura.
Observamos que há uma diferença entre a força peso de um corpo em ar livre e mergulhado em algum líquido, e essa força diminui quando o corpo se encontra mergulhado em um líquido, isso ocorre pelo fenômeno de empuxo. Temos em nosso experimento, assim como na literatura, que a direção da força empuxo é vertical e sentido para cima. Também pode-se observar que a força empuxo depende da natureza do liquido, e a água possui maior empuxo em relação ao álcool. Comparando os valores do peso do volume de líquido deslocado pelo corpo submerso, identificamos que eles apresentam o mesmo valor, que também vai ser o mesmo se calcularmos o empuxo pela equação 2.
Bibliografia http://educar.sc.usp.br/licenciatura/1999/empuxo/Empuxo-pg-00.htm, data de acesso 21 de março de 2011. http://w3.ualg.pt/~pjsilva/guias/principio%20de%20Arquimedes.htm, data de acesso 21 de março de 2011. Física vol 1- Tipler P.A. CAP. 13 CARVALHO NETO, C. Z. OMOTE, N. & PUCCI, L. F. S. Física vivencial. São Paulo: Laborciência Editora, 1998.
