Follow by Email

terça-feira, 7 de agosto de 2012

Hidrostática - Ensino de Física

Olá colega professores, este material tem como finalidade, a discussão de temas relacionados ao Ensino de Física. Como devemos abordar determinados temas com nossos alunos? Ideias serão bem vindas.

Irei subdividir o tema em questão nos seguintes itens:

1 - Conceito de Pressão;
2- Conceito de Pressão Atmosférica;
3 - Teorema de Stevin;
4 - Teorema de Pascal;
5 - Empuxo.


1 – Pressão

Você já se imaginou "nadar" em pé? Já que o seu peso continua o mesmo, porque não conseguimos executar essa proeza?
Considere uma superfície de área A, sobre a qual se aplica uma força de valor F, perpendicular à superfície e uniformemente distribuída. A razão entre a força aplicada e a área da superfície designa-se por pressão:

A unidade SI (Sistema Internacional) de pressão é o Pascal:

Outras unidades de medida de pressão são: bar, atmosfera técnica, atmosfera, torr e psi.

Certamente a área de contato influencia no “poder de perfuração”. Quando nos deitamos, o aumento da área de contato com a água, minimiza a pressão sobre a mesma, aumentando assim nossas chances de flutuação.

Mais alguns exemplos:

Acidentes de motos costumam ser graves quando o motociclista atinge alguma parte vital do seu corpo, como cabeça ou  costas num meio fio.





A pressão exercida nesses casos no corpo da vítima é enorme, causando ferimentos gravíssimos. Pilotos de competição usam protetores de coluna e capacete de qualidade!





Uma técnica bastante comum entre as pessoas que costumam frequentar as praias com seus carros é a redução da calibragem dos pneus, o objetivo é aumentar a área de contato com a areia, minimizando, portanto a pressão. Dessa forma, o pneu não atola.




2 – Pressão Atmosférica


Imagine um recipiente contendo um gás, o movimento caótico de suas moléculas produz choques entre as mesmas e as paredes do recipiente. Sendo assim, teremos forças sendo aplicadas.



Lembrando a equação de Clapeyron para os Gases Ideais:

Pr. Vol = n. R.T

Sendo:

Pr – pressão exercida pelo gás,
Vol – volume do recipiente,
n – número de mols,
R – constante dos gases perfeitos,
T – temperatura em Kelvin.


Analisando a expressão, percebemos que um aumento de temperatura ou do número de mols, resulta em um aumento da pressão. No primeiro caso, a variação de temperatura, faz com que a velocidade média das moléculas que constituem o gás se torne maior, aumentando assim a intensidade do choque e em última instância, o aumento da pressão. O aumento no número de mols acarreta um aumento do número de choques por unidade de área, fazendo com que a pressão aumente.


Física no dia a dia

1 - Futebol nas alturas


A seleção brasileira de futebol tem dificuldade de jogar em La Paz, na Bolívia, devido a grande altitude os jogadores sentem dificuldade em respirar.

Qual a explicação para isso:

A grande altitude o ar está mais rarefeito, lembre-se que os “menos densos” sobem.

O número de mols por unidade de volume é menor, acarretando uma menor pressão atmosférica.

No Everest, ponto mais alto do planeta, a mais de 8000 metros, a pressão é menor que 1/3 de uma atmosfera. Nessa altitude, só com máscara de oxigênio. Os animais que vivem nas altas montanhas têm coração e pulmão maiores que o normal dos outros bichos. A vicunha, por exemplo, que vive nos Andes, tem 3 vezes mais glóbulos vermelhos por milímetro cúbico de sangue que um homem do litoral.






 O que aconteceria a um astronauta caso ele fosse exposto ao vácuo sem suas roupas pressurizadas? 
 Por Craig Freudenrich, Ph.D.






O espaço sideral é um lugar extremamente hostil. Se você fosse sair de uma espaçonave como a Estação Espacial Internacional ou em um mundo com pouca ou nenhuma atmosfera, como a Lua ou Marte, e não estivesse usando um traje espacial, algumas coisas aconteceriam:
·         Você ficaria inconsciente em 15 segundos devido à falta de oxigênio.
·         Seu sangue e fluidos corporais entrariam em "ebulição" e congelariam, pois há pouca ou nenhuma pressão do ar.
·         Seus tecidos (pelecoração e outros órgãos internos) expandiriam devido aos fluidos em ebulição.
·         Você enfrentaria alterações extremas na temperatura:
·         luz solar: 120ºC
·         sombra: -100°C
·         Você seria exposto a vários tipos de radiação, como raios cósmicos e partículas carregadas emitidas do sol (vento solar).
·         Você poderia ser atingido por pequenas partículas de pó ou rocha que se movem em altas velocidades (micrometeoróides) ou detritos de satélites ou espaçonaves em órbita.


Então, para lhe proteger desses perigos, um traje espacial deve:
·         possuir uma atmosfera pressurizada
·         fornecer oxigênio
·         remover o dióxido de carbono
·         manter uma temperatura confortável, não importando o trabalho árduo ou movimento para dentro e fora de áreas iluminadas pelo sol
·         protegê-lo de micrometeoros
·         protegê-lo da radiação até certo grau
·         permitir que enxergue claramente
·         permitir que você mova seu corpo facilmente dentro do traje espacial
·         permitir que você fale com outros (controladores terrestres, outros astronautas)
·         permitir que você se mova ao redor da parte externa da espaçonave

                                                                     fonte: http://ciencia.hsw.uol.com.br/trajes-espaciais.htm

2 - Despressurização de um avião:

A pressurização de um avião consiste em tornar a pressão interna do avião aproximadamente igual a pressão atmosférica ao nível do mar. Assim, a tripulação e os passageiros não terão dificuldades em respirar. Como sabemos a pressão diminui com a altitude, a pressão externa é bastante reduzida. Em caso de vazamento, ocorrerá um fluxo de ar para fora do avião devido a diferença de pressão. A máscara de oxigênio é liberada e o piloto deve diminuir a altitude o mais rápido possível.







3 - Uso do canudinho


Ao tomar aquele suco refrescante já se perguntou como o líquido sobe pelo canudinho? A diferença de pressão explica tudo. 








Mas qual a relação de pressão atmosférica com tomar suco no canudinho? Se você não sugar pelo canudo o líquido continuará dentro do copo, ou seja, a pressão dentro e fora (pressão atmosférica) é a mesma. 
O volume de líquido dentro e fora do canudo é o mesmo. 

O líquido só sobe pelo canudo se modificarmos a pressão em seu interior, como se faz isso? É só sugar! 
Quando fazemos isso, a pressão fora do canudinho continua a mesma, mas a pressão dentro do canudo diminui. 

Conclusão 

O líquido sobe pela diferença de pressão: a pressão fora do canudo é maior que dentro do canudo, empurrando o líquido pra cima. 
 


fonte: http://educador.brasilescola.com/estrategias-ensino/pressao-atmosferica-experimento-canudinho.htm


Quando usamos uma lata de azeite fazemos dois furinhos. Explique o por quê deste procedimento?



A medida que o azeite flui, a pressão interna de recipiente que contem o azeite diminui, a pressão atmosférica equilibra a pressão gerada pelo peso da coluna de azeite e o fluxo cessa. Se fizermos mais um furo, ocorrerá entrada de ar no recipiente, a pressão atmosférica passa a atuar de fora para dentro e vice-versa. Dessa forma, devido ao peso da coluna de azeite, o fluxo é retomado.

Medida da pressão atmosférica:





O barômetro de mercúrio, inventado por Torricelli em 1643. Consiste de um tubo de vidro com quase 1 m de comprimento, fechado numa extremidade e aberto noutra, e preenchido com mercúrio (Hg). A extremidade aberta do tubo é invertida num pequeno recipiente aberto com mercúrio. A coluna de mercúrio desce para dentro do recipiente até que a pressão da coluna de mercúrio se iguale a pressão atmosférica. A pressão atmosférica média no nível do mar mede 760 mm Hg. Ou seja, a pressão atmosférica ao nível do mar é equivalente a pressão exercida por uma coluna de mercúrio com 760 mm de altura.
                                                                          Torricelli

Teorema de Stevin

"A diferença entre as pressões de dois pontos de um fluido em equilíbrio é igual ao produto entre a densidade do fluido, a aceleração da gravidade e a diferença entre as profundidades dos pontos."

Dessa expressão, podemos concluir que dois pontos de um mesmo fluido, estando a uma mesma profundidade, estarão submetidos a uma mesma pressão. 

Algumas aplicações desse teorema são aplicadas no nosso dia a dia.

1- Superfícies Niveladas

Como todos os pontos da superfície da piscina estão submetidos a pressão atmosférica, pode se dizer que todos os pontos da mesma estão nivelados. Nota: Desprezando a Tensão Superficial. 
Para saber mais sobre Tensão Superficial acesse: http://www.spq.pt/boletim/docs/BoletimSPQ_093_043_09.pdf





Nivelando com mangueira de nível


O que fazer: Pegue a mangueira, unindo suas pontas e deixando o resto no chão.


O que fazer: Leve a mangueira a uma torneira e encha com água, até faltar 20cm para transbordar.




O que fazer:  Em seguida, estique suavemente a mangueira com as pontas para cima, até não tocar mais no chão.



O que fazer: Espere que todas as bolhas de ar que estiverem dentro da mangueira saiam. Isso é muito importante, pois as bolhas atrapalham na medição. Com isso realizado, já temos pronto nosso instrumento de nível.





O que fazer: Escolha o primeiro ponto com o lápis de pedreiro (A). Ali colocamos a marca da água, riscando a parede.



O que fazer: Com cuidado, leve a outra ponta da mangueira para o lugar que deseja  igualar... onde deverá ser marcado o outro ponto (B). Espere a água subir e desça na mangueira, até se estabilizar e aí, com o lápis de pedreiro, marque o ponto (B) nivelado com (A).


O que fazer: Repita o procedimento para certificar-se de que o nível esteja correto.





2 - A Física e o Mergulho

É comum o uso do snorkel, dispositivo usado para que o mergulhador possa nadar com o rosto dentro d`água. Talvez você já tenha se imaginado, quando criança, no fundo de uma piscina com um "canudinho" enorme levando o ar da superfície até os seus pulmões. Isso nos leva à refletir: porque não se produz um snorkel com o tubo para respiração mais comprido? Assim teríamos a capacidade de mergulhar mais alguns metros.



A diferença de pressão produzida por um ser humano é da ordem de 0,1 atm. Como a pressão atmosférica vale 1 atm ao nível do mar, nossa pressão interna poderá ser reduzida para 0,9 atm. 
Agora, se mergulharmos a 1 m de profundidade, a pressão externa subirá para 1,1 atm e nossa pressão interna será de 1 atm. Dessa forma, o ar na superfície não será exposto a nenhuma variação de pressão já que a pressão interna da pessoa se igualou a pressão atmosférica na superfície d`água.

2 - Instalações Hidráulicas





Veja a instalação hidráulica dessa casa, será que precisaríamos de uma bomba para elevar a água pela tubulação do chuveiro? 
A resposta é não. Como a pressão na caixa d`água é a mesma do chuveiro (pressão atmosférica), a água naturalmente tende a se nivelar.



Teorema de Pascal


Ao chegar num posto de gasolina ou numa oficina mecânica para efetuar a troca de óleo no seu carro é comum o uso dos elevadores hidráulicos, de tão rotineiro, as pessoas nem percebem a tecnologia envolvida nesse processo. Outra situação que é bem simples porém intrigante: como um simples toque no pedal de freio, produz uma força que é capaz de levar um carro rapidamente ao repouso?


Essas tecnologias foram desenvolvidas com base no teorema de Pascal que diz:

"O acréscimo de pressão exercida num ponto em um líquido ideal em equilíbrio se transmite integralmente a todos os pontos desse líquido e às paredes do recipiente que o contém."



Pelo teorema de Stevin sabemos que:



Então, considerando dois pontos, A e B:


Ao aplicarmos uma força qualquer, as pressões no ponto A e B sofrerão um acréscimo:




Se o líquido em questão for ideal, ele não sofrerá compressão, então a distância h, será a mesma após a aplicação da força.
Assim:

Os elevadores hidráulicos são constituídos basicamente por dois cilindros, de diâmetros diferentes, interligados entre si e contendo, dentro, um líquido aprisionado por dois êmbolos móveis.
Se aplicarmos uma força de intensidade F1 no êmbolo de área A1, exerceremos um acréscimo de pressão sobre o líquido dado por:

Pelo Teorema de Pascal, esse acréscimo de pressão será transmitido integralmente para todos os pontos do fluido e para as paredes do recipiente incluindo o êmbolo de A2

igualando as variações de pressão teremos:



Sendo a área 2 (S2) maior que a área 1 (S1), teremos F`maior que F.
Os sistemas hidráulicos são multiplicadores de força!!!

fonte das imagens: http://www.sofisica.com.br/conteudos/Mecanica/EstaticaeHidrostatica/teoremadepascal.php

 Sistema de Freios Automotivos


Ao acionar o pedal do freio, a motorista gera um acréscimo de pressão no pistão menor, esse acréscimo de pressão é transmitido ao fluido de freio até atingir o pistão maior. As sapatas são pressionadas contra o tambor fazendo a roda perder velocidade.

Homem de Ferro

Hoje, existe os exoesqueletos, dispositivos usados para ampliar as forças do ser humano, o seu uso pode ser para salvar vidas. Imagine uma pessoa presa aos escombros de um acidente de carro ou no casso de desmoronamento, rapidamente esse indivíduo poderia ser resgatado com o uso desses trajes. É mais fácil, no entanto, imaginá-los no futuro em militares, a criação de super soldados é do interesse de vários países.





O traje abaixo é feito de uma combinação de estruturas, sensores e controles movidos a pressão hidráulica. Com ele, uma pessoa pode realizar tarefas que exijam muita força, mas também tem controle e delicadeza o suficiente para outras funções. Por exemplo, o exoesqueleto permite tanto erguer 90 quilos centenas de vezes, como também possibilita que o usuário chute uma bola de futebol ou suba escadas com facilidade.




 O levantamento repetitivo de pesos, por exemplo, pode levar a machucados – especialmente problemas ortopédicos. Se um soldado conta com o XOS 2, além de estar mais seguro contra lesões, ele ainda faz o trabalho de forma muito mais rápida.


Um traje de exoesqueleto pode fazer o trabalho de dois ou três soldados, o que possibilita o remanejamento de mão de obra para funções mais estratégicas, menos físicas.



Vídeo demonstrativo do exoesqueleto.


 Uma empresa japonesa apresentou em um evento espetacular em Tóquio uma espécie de roupa robótica cujo objetivo é facilitar os movimentos de idosos e de deficientes físicos. Esse seria um sucesso total entre os pedreiros, carregadores e pessoas que precisam utilizar força pra viver. Imagina um pedreiro que pega balde de cimento e fica cansado, levantando uma caixa d’agua de cimento sorrindo?



Empuxo


O Empuxo é a resultante das forças que um dado fluido exerce sobre um corpo devido a diferença de pressão sobre o mesmo.
O balão é um exemplo que o ar, por ser um fluido produz essa força de sustentação denominada Empuxo.
Nós, seres humanos, percebemos com maior facilidade o Empuxo quando estamos mergulhados em água, devido a grande densidade da água, poucos centímetros abaixo da superfície, já produz uma diferença de pressão capaz de manter uma pessoa flutuando.
Matematicamente o Empuxo é dado pela seguinte expressão matemática:



Balonismo

No balão, uma vez que este esteja cheio, o empuxo não será alterado. Para que o balão suba, deve-se portanto reduzir o peso do mesmo. Isso é feito aquecendo o ar em seu interior. 
Sendo d = m/vol, percebe-se que o ar aquecido possui menor massa por ser menos denso. Diminuindo a massa, reduz-se o peso e o balão sobe.


Submarinos

Um submarino pode flutuar porque o Empuxo é igual, em módulo, ao peso da embarcação. Ao contrário do navio, o submarino pode controlar a sua flutuação, podendo assim afundar e emergir conforme necessário.
Para controlar a flutuação, o submarino possui tanques de lastro e auxiliares, ou tanques de balanceamento, que podem, alternadamente, serem enchidos com água ou ar. Quando o submarino está na superfície, os tanques de lastro estão cheios de ar, dessa forma o Empuxo se iguala ao peso do submarino. Uma vez que os tanques de lastro são preenchidos com água, o peso total do submarino se torna maior que o empuxo e o submarino começa a afundar. Um suprimento de ar comprimido é mantido em tanques a bordo do submarino, para prover as condições de vida e para a utilização nos tanques de lastro. Adicionalmente, o submarino possui um conjunto móvel de curtas "asas" chamadas hidroplanos na popa (parte de trás), que ajudam a controlar o ângulo de mergulho. Os hidroplanos são posicionados de forma a permitir que a água se mova sob a popa, fazendo-a mover-se para cima. Dessa maneira, o submarino desloca-se para baixo.
Para nivelar-se a uma certa profundidade, o submarino mantém o equilíbrio entre água e ar nos tanques, igualando novamente o empuxo a força peso. Quando o submarino atinge sua profundidade de navegação, os hidroplanos são regulados de maneira que o submarino viaje num nível através da água. A água também é forçada entre os tanques de balanceamento da proa e da popa para manter o sub-nível. O submarino pode se mover na água usando o leme da cauda para virar a estibordo (direita) ou a bombordo (esquerda); e os hidroplanos para controlar o ângulo de proa à popa. Alguns submarinos são equipados com um motor de propulsão secundário retrátil, que pode girar sobre um eixo de 360 graus.
Quando o submarino vem à superfície, o ar comprimido flui dos tanques de ar para os tanques de lastro e a água é forçada a sair, até que sua densidade total seja menor que a da água a sua volta (flutuação positiva). Isso faz o submarino emergir. Os hidroplanos são posicionados de forma que a água se mova sobre a popa, forçando-a para baixo; assim o submarino é angulado para cima. Numa emergência, os tanques de lastro podem ser enchidos rapidamente com ar de alta pressão para fazer com que o submarino vá rapidamente para a superfície.



A estabilidade dos navios.

A estabilidade do navio depende também do ponto de aplicação dessas forças. A força peso é aplicada no centro de gravidade (CG), que é fixo e o empuxo é aplicado no centro de empuxo (CE), que é variável.

O centro de gravidade do corpo localiza-se no centro de aplicação do seu peso. Quando a distribuição de massa de um objeto é homogênea, o seu centro de gravidade coincide com o seu centro de massa. Se o corpo não é homogêneo ou tem forma irregular, seu centro de gravidade não coincide com o seu centro de massa.

Já o centro de empuxo CE está localizado no centro de gravidade do líquido deslocado pelo corpo.

A posição do centro de gravidade CG, então não se altera em relação ao corpo. Já o centro de empuxo do navio CE muda de acordo com a forma do volume do líquido deslocado, já que está localizado no centro de gravidade do líquido deslocado.





O navio é projetado para em caso de oscilações laterais, retornar a posição inicial. Para isso seu cento de gravidade fica abaixo do centro de empuxo. * A casa de máquinas de um navio se encontra na parte inferior do mesmo. O torque resultante das forças empuxo e peso faz com que o navio volte à posição inicial.

CG no caso de uma embarcação, não pode coincidir com o CE, pois quando o CG coincide com o CE, o corpo imerso fica em equilíbrio indiferente, ou seja, se qualquer perturbação fizer o corpo se mover lateralmente, ele não retorna a posição de equilíbrio.




Veja na figura acima que o CE muda de posição quando o barco se movimenta, o que altera a situação de equilíbrio. Essa mudança depende da forma do casco, já que o CE está localizado no centro de gravidade do líquido deslocado.

Para obter-se maior estabilidade possível, a distribuição de cargas no interior do navio é feita de tal modo que o centro de gravidade se situa o mais próximo possível do fundo do navio



fonte: http://www.if.ufrgs.br/mpef/mef004/20021/Angelisa/porqueonavioflutua.html

4 comentários:

  1. Parabéns pela primeira postagem no Blog, grande André. Com certeza enriquecerá bastante as minhas futuras aulas de Hidrostática.

    ResponderExcluir
  2. Muito bom meu amigo... Se você permitir, gostaria de usar o blog para enriquecer minhas aulas. Abraços!!!

    ResponderExcluir