Compreendendo a flutuabilidade:fórmula, exemplos e aplicações diárias

Você já se sentiu mais leve ao nadar na piscina ou sentiu um balde mais leve ao tirar água de um poço? Se você fizer isso, ocorrerá flutuabilidade durante esses eventos. Na flutuabilidade, quando imerso em água ou em qualquer fonte de fluido, um corpo experimenta uma força descendente oposta à direção da atração gravitacional.

É por isso que experimentamos uma diminuição de peso quando isso acontece. Além disso, esta pode ser a razão pela qual as agulhas afundam e as garrafas plásticas flutuam, independentemente do peso.

Bem, nesta leitura, exploraremos o que é flutuabilidade, seu diagrama, aplicações, propósito, causas, tipos e como a flutuabilidade é alcançada. Você também conhecerá a densidade e a densidade relacionada e por que os objetos flutuam ou afundam na água

Vamos começar!

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A flutuabilidade, ou impulso ascendente, é uma força ascendente exercida por um fluido que se opõe ao peso de um objeto parcial ou totalmente imerso. Também é considerada a força que faz com que os objetos flutuem. A flutuabilidade ocorre quando há diferenças de pressão atuando em lados opostos de um objeto imerso em um fluido estático.

Também é chamada de força de empuxo porque a flutuabilidade é o fenômeno devido à força de empuxo. Numa coluna de fluido, a pressão aumenta com a profundidade devido ao peso do fluido sobrejacente. Portanto, a pressão no fundo de uma coluna de fluido é maior do que no topo da coluna.

Da mesma forma, a pressão na parte inferior de um objeto submerso em um fluido é maior do que na parte superior do objeto. Essa diferença de pressão resulta em uma força resultante para cima no objeto.

O princípio de Arquimedes também explicava que a magnitude da força é proporcional à diferença de pressão e é equivalente ao peso do fluido que de outra forma deslocaria o líquido; a força pode manter o objeto flutuando. É por isso que um objeto cuja densidade média é maior que a do fluido em que está submerso tende a afundar.

Mas se o objeto for menos denso que o fluido, a força poderá mantê-lo flutuando. Isso só ocorrerá em um referencial não inercial que tenha um campo gravitacional ou esteja acelerando devido a uma força diferente da gravidade. Isto está definindo uma direção “para baixo”.

A unidade de uma força de empuxo é o Newton (N)

Assim, a flutuabilidade pode ser definida como a força ascendente aplicada pelo fluido ao objeto ou corpo quando um objeto é colocado ou submerso no fluido.

O centro de flutuabilidade de um objeto é o centro de gravidade do volume de fluido deslocado. É o ponto do objeto onde a força atua ou o ponto onde a força de empuxo é aplicada. A força de empuxo é vertical, portanto o centro de empuxo é o ponto situado no centro de gravidade do líquido que está sendo deslocado pelo objeto submerso.

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Aplicativos

A aplicação da flutuabilidade é tão vasta, pois pode manter objetos flutuando na água, algo sem o qual nós, humanos, não podemos prescindir. A flutuabilidade é usada em submarinos e balões de ar quente; até peixes e nadadores usam o mesmo princípio. Abaixo estão algumas aplicações de flutuabilidade no mundo real.

• Balão de ar quente: Porque a atmosfera contém ar que exerce uma força de empuxo sobre qualquer objeto. Um balão com ar quente flutuará devido à força de empuxo, mas descerá quando o peso do balão for maior que a força de empuxo. Isso ocorre porque o balão fica estacionário quando o peso se iguala à força de empuxo.
• Submarino: Os submarinos fazem bom uso do princípio da flutuabilidade. Um submarino possui um grande tanque de lastro que é usado para controlar sua posição e profundidade na superfície do mar. Nos submarinos, a água pode entrar no tanque de lastro de modo que seu peso se torne maior que a força de empuxo.
• Enviar: Os navios podem flutuar na superfície do mar devido ao volume de água deslocado pelo navio ser suficiente para ter um peso igual ao peso do navio. Os navios são construídos para terem formas ocas, o que torna a densidade geral do navio menor que a da água do mar. É por isso que a força de empuxo que atua no navio é grande o suficiente para suportar o seu peso.
• Peixe: Tal como afirmado anteriormente, alguns grupos de peixes e nadadores também utilizam o princípio de Arquimedes para subir e descer na água. Para subir à superfície da água, os peixes enchem a bexiga natatória (sacos de ar) com gases. Esses gases se difundem do próprio corpo para a bexiga, tornando seu corpo mais leve, o que permite que o peixe suba.

Fórmula

A fórmula para flutuabilidade (também conhecido como Princípio de Arquimedes ) é

Força de empuxo (Fb)=ρ⋅V⋅g\text{Força de empuxo (} F_b \text{)} =\rho \cdot V \cdot g

Onde:

• 
  FbF_b =Força de Empuxo (em newtons, N)
  
• 
  ρ\rho =Densidade do fluido (em kg/m³)
  
• 
  VV =Volume do fluido deslocado (em m³)
  
• 
  gg =Aceleração devido à gravidade (≈ 9,81 m/s²)
  

Exemplo:

Se um objeto deslocar 0,5 m³ de água (densidade =1000 kg/m³), a força de empuxo é:

Fb=1000⋅0,5⋅9,81=4905 NF_b =1000 \cdot 0,5 \cdot 9,81 =4905 \, \text{N}

Isso significa que a água exerce uma força ascendente de 4.905 newtons no objeto.

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Causas e exemplos de flutuabilidade

É obrigatório saber que a flutuabilidade é causada pela pressão exercida pelo fluido no qual o objeto está imerso. Além disso, a força de empuxo experimentada pelo objeto é sempre para cima. Isso ocorre porque a pressão do fluido aumenta com a profundidade. Alguns exemplos de flutuabilidade também incluem:

• Um barco ou navio flutuando na água
• Uma rolha imersa na água acabará flutuando devido à flutuabilidade.
• Os nadadores são bons exemplos de flutuabilidade.
• Um barco flutuando na água – O peso do barco é equilibrado pela força de empuxo ascendente da água.
• Um balão de ar quente subindo no céu – O ar quente dentro do balão é menos denso que o ar mais frio do lado de fora, criando flutuabilidade.
• Iceberg flutuando no oceano – O gelo é menos denso que a água do mar, por isso flutua.
• Um nadador flutuando de costas – O corpo humano pode flutuar por causa do ar nos pulmões e da gordura corporal, que é menos densa que a água.
• Um pedaço de madeira flutuando em um rio – A madeira tem densidade menor que a da água, por isso flutua.
• Um pato de borracha flutuando em uma banheira – O pato flutua devido ao seu design oco e leve.
• Um colete salva-vidas mantém uma pessoa flutuando – Os coletes salva-vidas retêm o ar e aumentam a flutuabilidade geral.
• Um derramamento de óleo flutuando na água do mar – O óleo é menos denso que a água, fazendo com que ela flutue.
• Um balão de hélio subindo no ar – O hélio é mais leve que o ar, fazendo com que o balão flutue.
• Um peixe ajustando sua profundidade usando uma bexiga natatória – O peixe controla a flutuabilidade alterando o volume de gás em sua bexiga natatória.
• Um submarino flutuando ou mergulhando ajustando os tanques de lastro – Os submarinos regulam a flutuabilidade usando ar e água em seus tanques.
• Uma bola de praia balançando nas ondas do mar. Ela está cheia de ar e desloca água suficiente para permanecer flutuando.
• Um navio de carga flutuando enquanto transporta contêineres pesados – Apesar da carga, o casco desloca água suficiente para permanecer flutuante.
• Uma garrafa vazia selada flutuando em um lago – O ar dentro dela a mantém flutuante.
• Bolhas de uma lâmpada de lava subindo e descendo – A flutuabilidade muda devido ao aquecimento e resfriamento das bolhas de cera.
• Um barco de papel flutuando em uma poça – A estrutura leve de papel desloca água suficiente para permanecer flutuando (temporariamente).
• Lanternas flutuantes durante festivais – O ar quente no interior faz com que elas flutuem no ar mais fresco ao redor.
• Um recipiente de plástico flutuando quando jogado em uma piscina – O recipiente é menos denso que a água.
• Bolhas de ar subindo para a superfície de um refrigerante – As bolhas são mais leves que o líquido, então a flutuabilidade as empurra para cima.
• Uma câmara de pneu flutuando em um rio – Cheia de ar, ela desloca água suficiente para suportar o peso e flutuar.

Tipos de flutuabilidade

Abaixo estão os vários tipos de flutuabilidade. Os três tipos de flutuabilidade são flutuabilidade positiva, negativa e neutra.

Tipos positivos de flutuabilidade ocorrem quando o objeto imerso é mais leve que o fluido deslocado. É por isso que o objeto flutua. Os tipos de flutuabilidade negativa ocorrem quando o objeto imerso é mais denso que o fluido deslocado, resultando no afundamento do objeto.

Finalmente, os tipos neutros de flutuabilidade ocorrem quando o peso do objeto imerso é igual ao fluido deslocado. Abaixo estão os fatores que podem afetar os vários tipos de flutuabilidade.

• A densidade do fluido.
• O volume do fluido deslocado também pode afetar a flutuabilidade. Por último,
• A aceleração local devido à gravidade.

Os fatores que não afetam a força de empuxo incluem a densidade do objeto imerso e a massa do objeto imerso também são um fator.

Densidade e densidade relativa

Para compreender o conceito de flutuabilidade, é necessário compreender adequadamente o conceito de densidade e densidade relativa.

A densidade dos materiais pode ser definida como sua massa por unidade de volume. É uma medida de quão firmemente a matéria está compactada. É numericamente definido como:

Densidade, ρ=MassaVolume=MV

• A unidade SI de densidade é medida em quilogramas por metro cúbico (kg/m3).
• A densidade é de 0,9584 gramas por centímetro cúbico a 100° Celsius.

A densidade relativa de uma substância é definida como a razão entre a densidade da substância e a densidade da água em C. Também é conhecida como gravidade específica de uma substância.
Densidade Relativa =Densidade de uma substância/Densidade da água a 4°C

Como a densidade relativa é uma proporção de quantidades semelhantes, ela não possui unidade.

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Por que os objetos flutuam ou afundam na água

A razão pela qual os objetos flutuam ou afundam na água pode ser considerada quando se imagina que a água consiste em camadas sobrepostas. Isso é um sobre o outro com pressão variável. A pressão na parte inferior do líquido é maior do que na parte superior, razão pela qual afundamos no líquido em algumas camadas. Essas camadas tendem a aumentar à medida que o objeto afunda.

Com a diferença de pressão nas camadas de fluido, uma força composta está sendo aplicada no sentido ascendente. Essa força resulta na aceleração do objeto que foi submerso na direção ascendente. A força está sempre na direção vertical.

Em outras palavras, também pode-se dizer que a magnitude da força ascendente é basicamente equivalente à diferença na pressão do topo. A última camada também equivale ao peso do fluido que foi deslocado.

A consequência do conceito acima é o que chamamos de flutuação. O objeto deve ser menos denso que a água; caso contrário, maior densidade resultará no afundamento do objeto.

Conclusão

A flutuabilidade é a força ascendente exercida por um fluido que se opõe ao peso de um objeto nele submerso. Este princípio fundamental explica por que os objetos flutuam ou afundam e desempenha um papel crucial na mecânica dos fluidos, na construção naval, na aeronáutica e até nos sistemas meteorológicos.

Governada pelo Princípio de Arquimedes, a flutuabilidade depende do peso do fluido deslocado e da densidade do objeto. Compreender a flutuabilidade ajuda a projetar estruturas flutuantes, prever o comportamento de fluidos e resolver problemas científicos e de engenharia do mundo real.

Perguntas frequentes sobre flutuabilidade

O que é flutuabilidade?

Flutuabilidade é a força ascendente exercida por um fluido (líquido ou gás) que suporta o peso de um objeto submerso nele.

O que determina se um objeto flutua ou afunda?

Se a densidade do objeto for menor que a densidade do fluido, ele flutua; se mais, ele afunda.

O que é o Princípio de Arquimedes?

Afirma que a força de empuxo sobre um objeto submerso é igual ao peso do fluido que ele desloca.

A flutuabilidade também se aplica aos gases?

Sim, a flutuabilidade aplica-se tanto a líquidos como a gases – por exemplo, à forma como os balões de ar quente sobem na atmosfera.

A flutuabilidade pode ser negativa?

Sim. Quando o peso do objeto excede a força de empuxo, ele apresenta empuxo negativo e afunda.

Por que os navios feitos de aço flutuam?

Embora o aço seja denso, os navios são projetados com formas ocas que deslocam água suficiente para criar uma força de empuxo maior que seu peso.

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