A força de empuxo é uma força oposta à gravidade, que afeta todos os objetos submersos em um fluido. Quando um objeto é colocado em um fluido, a massa do objeto pressiona contra o fluido (líquido ou gás), enquanto a força de empuxo empurra o objeto contra a gravidade. Em termos gerais, esta força de empuxo pode ser calculada pela equação Fuma = Vt × × g, com Fuma é a força de empuxo, Vt é o volume do objeto submerso, é a densidade do fluido e g é a força gravitacional. Para aprender como determinar a flutuabilidade de um objeto, consulte a Etapa 1 abaixo para começar.
Etapa
Método 1 de 2: usando a equação de flutuabilidade
Etapa 1. Encontre o volume da parte submersa do objeto
A força de empuxo agindo sobre um objeto é proporcional ao volume do objeto submerso. Em outras palavras, quanto maior for a parte sólida submersa do objeto, maior será a força de empuxo agindo sobre o objeto. Isso significa que objetos que estão submersos em um líquido têm uma força de empuxo que empurra o objeto para cima. Para começar a calcular a força de empuxo agindo sobre um objeto, o primeiro passo geralmente é determinar o volume do objeto submerso no fluido. Para a equação de flutuabilidade, este valor deve ser em metros3.
- Para um objeto completamente submerso em um fluido, o volume submerso é igual ao volume do próprio objeto. Para objetos que flutuam acima da superfície do fluido, apenas o volume abaixo da superfície é calculado.
- Por exemplo, suponha que queremos encontrar a força de empuxo agindo sobre uma bola de borracha flutuando na água. Se a bola de borracha for uma esfera perfeita com um diâmetro de 1 me flutuar com a metade submersa na água, podemos encontrar o volume da parte submersa encontrando o volume total da esfera e dividindo por dois. Como o volume da esfera é (4/3) (raio)3, sabemos que o volume da nossa esfera é (4/3) π (0, 5)3 = 0,524 metros3. 0, 524/2 = 0,262 metros3 Pia.
Etapa 2. Encontre a densidade do seu fluido
A próxima etapa no processo de encontrar a flutuabilidade é definir a densidade (em quilogramas / metro3) do fluido no qual o objeto está imerso. A densidade é uma medida da massa de um objeto ou substância em relação ao seu volume. Se forem dados dois objetos com o mesmo volume, o objeto com a maior densidade terá mais massa. De acordo com a regra, quanto maior for a densidade do fluido no qual o objeto está submerso, maior será a força de empuxo. Com fluidos, geralmente a maneira mais fácil de determinar a densidade é simplesmente procurá-la em um material de referência.
- Em nosso exemplo, nossa bola flutua na água. Olhando em fontes acadêmicas, podemos descobrir que a água tem uma densidade de aprox. 1.000 quilogramas / metro3.
- Outras densidades de fluido amplamente utilizadas estão listadas em fontes de engenharia. Uma das listas pode ser encontrada aqui.
Etapa 3. Encontre a força da gravidade (ou alguma outra força para baixo)
Quer um objeto afunde ou flutue em um fluido, ele sempre tem uma força gravitacional. No mundo real, a constante de força descendente é igual a 9,81 newtons / quilograma. No entanto, em situações onde outras forças, como a força centrífuga, atuam sobre o fluido e o objeto submerso nele, essa força também deve ser levada em consideração para determinar a força descendente resultante para todo o sistema.
- Em nosso exemplo, estamos trabalhando com um sistema estático comum, então podemos assumir que a única força descendente atuando sobre fluidos e objetos é a força gravitacional geral - 9,81 newtons / quilograma.
- No entanto, e se nossa bola, que está flutuando em um balde d'água, for girada em um círculo na direção horizontal em alta velocidade? Nesse caso, supondo que o balde esteja sendo girado rápido o suficiente para que a água e a bola não derramem, a força para baixo nessa situação será derivada da força centrífuga criada pelo balanço do balde, não da gravidade da Terra.
Etapa 4. Multiplique volume x densidade x gravidade
Se você tem o valor do volume do seu objeto (em metros3), a densidade do seu fluido (em quilogramas / metro3) e a força da gravidade (a força para baixo em seu sistema), portanto, encontrar a flutuabilidade é muito fácil. Basta multiplicar esses três valores para encontrar a força de empuxo em newtons.
Vamos resolver nosso problema de exemplo inserindo nossos valores na equação Fuma = Vt × × g. Fuma = 0,262 metros3 × 1.000 quilogramas / metro3 × 9,81 newtons / quilograma = 2.570 newtons.
Etapa 5. Veja se o seu objeto flutua comparando a flutuabilidade à força gravitacional
Usando a equação de flutuabilidade, é fácil encontrar a força que empurra um objeto para cima e para fora do fluido. No entanto, com um pouco de esforço extra, também é possível determinar se um objeto irá flutuar ou afundar. Apenas encontre a força de empuxo para todo o objeto (em outras palavras, use todo o volume para o valor de Vt), então encontre a força gravitacional empurrando-o para baixo com a equação G = (massa do objeto) (9,81 metros / segundo2) Se a força de empuxo for maior que a força gravitacional, o objeto irá flutuar. Por outro lado, se a força gravitacional for maior do que a força de empuxo, o objeto afundará. Se as magnitudes forem iguais, diz-se que o objeto flutua.
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Por exemplo, digamos que queremos saber se um barril cilíndrico de madeira com uma massa de 20 quilogramas e um diâmetro de 0,75 me uma altura de 1,25 m irá flutuar na água. Este problema exigirá várias etapas:
- Podemos encontrar o volume com a fórmula para o volume do cilindro V = (raio)2(alta). V = (0, 375)2(1, 25) = 0,55 metros3.
- A seguir, supondo que a magnitude da gravidade seja comum e a da água de densidade comum, podemos encontrar a força de empuxo do barril. 0,55 metros3 × 1000 quilogramas / metro3 × 9,81 newtons / quilograma = 5.395, 5 newtons.
- Agora, precisamos encontrar a força gravitacional do barril. G = (20 kg) (9,81 metros / segundo2) = 196,2 newtons. Esta força é menor que a força de empuxo, então o cano irá flutuar.
Etapa 6. Use a mesma abordagem se o seu fluido for um gás
Ao trabalhar em problemas de flutuabilidade, não se esqueça de que o fluido no qual o objeto está submerso não precisa ser um líquido. Os gases também são fluidos e, embora tenham uma densidade muito baixa em comparação com outras substâncias, eles ainda podem suportar certas massas de objetos flutuando no gás. Um simples balão de hélio é prova disso. Como o gás no balão é menos denso do que o fluido circundante (ar ambiente), o balão flutua!
Método 2 de 2: Realizando um experimento simples de flutuabilidade
Etapa 1. Coloque uma tigela pequena ou copo dentro de uma tigela maior
Com alguns itens domésticos, é fácil ver os princípios de flutuabilidade no experimento! Neste experimento simples, demonstraremos que um objeto submerso experimenta uma força de empuxo porque desloca um volume de fluido igual ao volume do objeto submerso. Ao fazermos isso, também demonstraremos uma maneira prática de encontrar a força de empuxo de um objeto com este experimento. Para começar, coloque um recipiente pequeno e aberto, como uma tigela ou xícara, dentro de um recipiente maior, como uma tigela grande ou balde.
Etapa 2. Encha o recipiente pequeno até a borda
Em seguida, encha o recipiente interno menor com água. Você quer que a água atinja a altura do recipiente, sem derramar. Cuidado aqui! Se você derramar água, esvazie o recipiente maior antes de tentar novamente.
- Para os fins deste experimento, é normal assumir que a água tem uma densidade geral de 1000 quilogramas / metro3. A menos que você esteja usando água do mar ou um líquido completamente diferente, a maioria dos tipos de água tem quase a mesma densidade que este valor de referência, então uma pequena diferença não mudará nossos resultados.
- Se você tem colírio, pode ser muito útil para elevar o nível da água em um recipiente pequeno.
Etapa 3. Mergulhe o pequeno objeto
Em seguida, procure um pequeno objeto que caiba em um pequeno recipiente e não seja danificado pela água. Encontre a massa deste objeto em quilogramas (você pode usar uma balança ou balança que pode pegar gramas e convertê-los em quilogramas). Então, sem molhar os dedos, lenta mas seguramente, mergulhe o objeto na água até que comece a flutuar ou você pode segurá-lo levemente e depois soltá-lo. Você notará que um pouco da água do recipiente pequeno irá respingar no recipiente externo.
Para o propósito de nosso exemplo, suponha que mergulhemos um carrinho de brinquedo com uma massa de 0,05 kg em um pequeno contêiner. Não precisamos saber o volume deste carro para calcular sua flutuabilidade porque veremos isso na próxima etapa
Etapa 4. Recolher e contar a água derramada
Quando você submerge um objeto na água, ele desloca um pouco da água - caso contrário, não haverá lugar para colocar o objeto na água. Quando um objeto empurra a água para fora, a água empurra de volta, criando uma força de empuxo. Pegue a água derramada de um pequeno recipiente e despeje em um pequeno copo medidor. O volume de água no copo medidor é igual ao volume do objeto submerso.
Em outras palavras, se o seu objeto flutuar, o volume de água derramado será igual ao volume do objeto que está submerso na superfície da água. Se o seu objeto afundar, o volume de água derramado é igual ao volume total do objeto
Etapa 5. Calcule a massa da água derramada
Como você conhece a densidade da água e pode medir o volume de água que derrama no copo medidor, pode encontrar sua massa. Basta alterar o volume para metros3 (ajudas de conversão online, como esta, podem ajudar) e multiplique pela densidade da água (1.000 quilogramas / metro3).
Em nosso exemplo, suponha que nosso carrinho de brinquedo afunde em um pequeno recipiente e se mova cerca de duas colheres de sopa (0,0003 metros3) Para encontrar a massa da nossa água, vamos multiplicá-la por sua densidade: 1.000 quilogramas / metro3 × 0,0003 metros3 = 0,03 quilogramas.
Etapa 6. Compare a massa da água derramada com a massa do objeto
Agora que você conhece a massa do objeto que está submergindo na água e a massa da água que foi derramada, compare-os para ver qual massa é maior. Se a massa de um objeto submerso em um pequeno recipiente for maior do que a água derramada, o objeto afundará. Por outro lado, se a massa da água derramada for maior, o objeto flutuará. Este é o princípio da flutuabilidade no experimento - para que um objeto flutue, ele deve deslocar uma quantidade de água com uma massa maior do que a massa do próprio objeto.
- Assim, objetos com baixa massa, mas grande volume, são os tipos de objetos que flutuam com mais facilidade. Esta propriedade significa que objetos ocos flutuam com muita facilidade. Imagine uma canoa - a canoa flutua bem porque é oca por dentro, então pode mover muita água sem ter que ter uma grande massa. Se a canoa não for oca (sólida), ela não flutuará corretamente.
- Em nosso exemplo, o carro tem uma massa maior (0,05 kg) do que a água derramada (0,03 kg). Isso está de acordo com o que observamos: os carros afundam.
