Empuxo

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Roteiro de Física Experimental II

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Experiência 2 - Empuxo
1. OBJETIVO
O objetivo desta aula é discutir e realizar um experimento para medir o empuxo exercido por um líquido sobre um corpo sólido parcialmente submerso e, através dessa medida, determinar a densidade do líquido.

2. INTRODUÇÃO
Por que icebergs e navios podem flutuar nos oceanos? Por que você parece ficar mais leve dentroda água? Por que balões podem subir pelos ares e também descer? As respostas a essas perguntas dependem todas de um mesmo princípio físico – o princípio de Arquimedes. Esse princípio estabelece que quando um corpo está completamente ou parcialmente imerso em um fluido, ele experimenta uma força vertical, dirigida para cima, de módulo igual ao peso do volume de fluido deslocado pelo corpo. Essaforça, exercida pelo fluido sobre o corpo, é chamada empuxo e é aplicada no seu centro de gravidade. Segundo esse princípio, o que determina se um corpo flutuará ou afundará em um dado fluido é a densidade relativa do corpo em relação à densidade do fluido. Se o corpo for menos denso que o fluido, ele flutuará, ou, como no caso de um balão, ele subirá. Se o corpo for mais denso que o fluido, eleafundará. É também a densidade relativa que determina a proporção de volume submerso de um corpo flutuando em um dado fluido. Se a densidade do corpo for, por exemplo, um terço da densidade do fluido, então um terço do volume do corpo ficará submerso. O princípio de Arquimedes tem várias aplicações importantes. Entre elas está a medida da densidade de corpos sólidos de formato irregular e delíquidos. Nesta aula usaremos o princípio de Arquimedes para medir a densidade da água e da glicerina.

FIG. 1 – Proveta contendo um certo volume de líquido em repouso sobre uma balança. O sistema é mostrado antes e depois da barra ser parcialmente imersa no líquido. Considere o arranjo mostrado na FIG.1, onde uma proveta, contendo um certo volume de um dado líquido, está em repouso sobre uma balança. Seuma barra de um material qualquer for imersa parcialmente no líquido, o que deverá acontecer? Como o líquido é incompressível, uma porção do

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mesmo, de volume igual ao volume submerso da barra, será deslocada e o nível do líquido na proveta subirá. Se a proveta for graduada, poderemos determinar através da nova posição do nível do líquido qual foi ovolume deslocado pela barra. Além disso, segundo o princípio de Arquimedes, quando a barra é parcialmente imersa no líquido, este exerce sobre a barra uma força vertical, dirigida para cima, de módulo igual ao peso da porção de líquido deslocada pela barra. Essa força, como acabamos de ver, é chamada empuxo. Agora, segundo a Terceira Lei de Newton, a barra exercerá sobre o líquido uma força demódulo igual ao empuxo e de sentido contrário a esse. Essa força será transmitida à balança, que acusará um aumento no “peso” da proveta. Esse aumento no peso aparente da proveta nos permitirá medir o empuxo exercido pelo líquido sobre a barra. Suponha que antes da barra ser imersa no líquido, a balança estivesse medindo uma força de módulo F0 = M 0 g , correspondente ao peso da massa conjunta M 0 daproveta e do líquido. A FIG.2 mostra um diagrama das forças que atuam sobre a barra e sobre o líquido após a imersão parcial da barra. Vemos que todas as forças atuam na mesma direção, por esta razão podemos tratá-las como se fossem escalares.

FIG. 2 – Diagrama das forças que atuam sobre a barra e sobre o líquido, após imersão parcial. Analisando as forças que atuam na barra, verificamos queantes da imersão da barra, a balança media apenas o peso do líquido+proveta M 0 g , mas após a imersão da barra o valor da leitura aumenta, por conta da força de empuxo: (1) F = Mg = M 0 g + E , onde chamamos de Mg a força devida ao peso do líquido + proveta mais a força de empuxo. Na Eq.(1), E é o empuxo exercido pelo líquido. Com isso, podemos ver que o empuxo pode ser determinado através da...
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