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Princípio de Arquimedes Guia

FísicaIntermediárioTempo de leitura: 3 min

Visão Geral

Por que um enorme navio de aço flutua no oceano enquanto uma pequena pedra afunda até o fundo? Há mais de 2.000 anos, Arquimedes descobriu o segredo do deslocamento e da flutuabilidade em uma banheira. Neste experimento, você usará o 'Método de Pesagem' para verificar o Princípio de Arquimedes e descobrir os fatores centrais que determinam a flutuabilidade: É a densidade do líquido? O volume deslocado? Ou a profundidade de imersão?

Antecedentes

Existe uma lenda famosa sobre a descoberta do Princípio de Arquimedes. O rei de Siracusa pediu a um ourives que fizesse uma coroa de ouro puro, mas suspeitava que o ourives tivesse misturado um pouco de prata. Arquimedes refletiu sobre esse problema até que um dia, enquanto tomava banho, notou que a água transbordava da banheira. Ele percebeu a relação entre volume e deslocamento e correu nu para a rua gritando 'Eureka!' (Encontrei!). Ele usou o método de deslocamento de água para medir o volume da coroa irregular e determinou sua autenticidade. Embora essa história possa ser apócrifa, ela demonstra vividamente que as descobertas científicas muitas vezes resultam da observação aguçada dos detalhes cotidianos.

Conceitos-chave

Flutuabilidade (FbuoyF_{buoy})

A força ascendente exercida por um fluido (líquido ou gás) sobre um objeto imerso nele. A direção é sempre verticalmente para cima.

Método de Pesagem

Fbuoy=G−FpullF_{buoy} = G - F_{pull}

Um método para medir a flutuabilidade medindo o peso do objeto no ar e depois no líquido. A diferença entre os dois é a força de empuxo.

Princípio de Arquimedes

Fbuoy=GdisplacedF_{buoy} = G_{displaced}

A força de empuxo sobre um objeto imerso em um fluido é igual ao peso do fluido que o objeto desloca.

Fórmulas e Derivação

Fórmula do Princípio de Arquimedes

Fbuoy=ρliquidgVdisplacedF_{\text{buoy}} = \rho_{\text{liquid}} g V_{\text{displaced}}
A magnitude da força de empuxo é determinada apenas pela densidade do líquido ρliquid\rho_{\text{liquid}} e pelo volume do fluido deslocado pelo objeto VdisplacedV_{\text{displaced}}, e é independente da densidade do próprio objeto.

Passos do Experimento

  1. 1

    Medir Peso no Ar (GG)

    Observe a leitura do dinamômetro de mola quando o bloco de metal não estiver tocando a superfície do líquido. Registre o peso do bloco de metal GG.
  2. 2

    Explorar Volume Deslocado (VdisplacedV_{displaced})

    Arraste lentamente o suporte para baixo. Observe como a leitura do dinamômetro muda à medida que o bloco de metal passa de tocar a superfície da água para ficar totalmente submerso. O que isso indica sobre a relação entre a flutuabilidade e o volume de líquido deslocado?
  3. 3

    Explorar Profundidade de Imersão (hh)

    Depois que o objeto estiver totalmente submerso, continue arrastando-o para baixo por uma certa distância. Observe se a leitura do dinamômetro muda. Isso refuta a intuição incorreta de que 'a flutuabilidade aumenta com a profundidade'?
  4. 4

    Explorar Densidade do Líquido (ρliquid\rho_{liquid})

    Mantenha a profundidade constante e mude o líquido para 'Salmoura' (água salgada concentrada). Você descobrirá que a leitura do dinamômetro diminui. Isso significa que a flutuabilidade aumentou ou diminuiu? Como a 'densidade' do ambiente afeta a flutuabilidade?

Resultados de Aprendizagem

  • Confirmar que a flutuabilidade é diretamente proporcional a VdisplacedV_{\text{displaced}} e ρliquid\rho_{\text{liquid}}.
  • Dominar a habilidade experimental de calcular a flutuabilidade usando o 'Método de Pesagem'.
  • Corrigir o equívoco intuitivo de que 'a flutuabilidade aumenta à medida que um objeto entra mais fundo'.
  • Compreender profundamente o significado físico específico do Princípio de Arquimedes.

Aplicações Reais

  • Engenharia Naval: Gerar um enorme deslocamento aumentando o volume da parte oca do casco para produzir flutuabilidade suficiente para levantar um navio de 10.000 toneladas.
  • Submarinos: Alterar seu próprio peso absorvendo e descarregando água em tanques de lastro para conseguir emergir ou mergulhar (enquanto a flutuabilidade permanece basicamente inalterada).
  • Balões de Ar Quente: Aquecer o ar dentro do balão para diminuir sua densidade, usando a flutuabilidade gerada pelo ar frio circundante para subir.
  • Hidrômetros: Usar o princípio de flutuação para medir a densidade de vários líquidos.

Erros Comuns

Erro
Quanto mais fundo um objeto está enterrado em um líquido, maior é a flutuabilidade que ele recebe.
Correto
Incorreto. Antes de ser totalmente submerso, a flutuabilidade certamente aumenta com a profundidade (porque VdisplacedV_{\text{displaced}} está aumentando); mas depois de ser totalmente submerso, como VdisplacedV_{\text{displaced}} não muda mais, a flutuabilidade permanece constante.
Erro
Objetos mais pesados devem receber maior flutuabilidade do que objetos mais leves.
Correto
Incorreto. A flutuabilidade está relacionada apenas ao 'volume de líquido deslocado' e não tem relação direta com a massa, densidade ou forma do objeto. Um bloco de ferro é mais pesado que um bloco de madeira, mas se seus volumes forem iguais, a flutuabilidade que eles recebem quando totalmente submersos é a mesma.

Leitura Adicional

Pronto para começar?

Agora que você entende o básico, comece o experimento interativo!

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