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Hidrostática

A Hidrostática é o ramo da Física que estuda os líquidos e os gases em repouso, sob ação de um campo gravitacional constante, como ocorre quando estamos na superfície da Terra.

As leis que regem a Hidrostática estão presentes no nosso dia-a-dia, mais do que podemos imaginar. Elas se verificam, por exemplo, na água que sai da torneira das nossas residências, nas represas das hidrelétricas que geram a energia elétrica que utilizamos, na flutuação de embarcações e submarinos e na pressão que o ar está exercendo sobre você nesse exato momento.

Para começar o estudo de Hidrostática, vamos entender algumas grandezas importantes nesse assunto:

Massa

Massa é um usado em ciências naturais para explicar vários dos fenômenos que se observa na natureza. No uso cotidiano é comum a associação entre os resultados destes fenômenos e o conceito de massa. Geralmente, a massa é frequentemente associada ao peso dos objetos, mas na Física consideramos que massa é quantidade de matéria de um corpo. Ela muda, independentemente da gravidade, ao contrário do peso, que é resultado de uma interação gravitacional entre sua massa e um campo gravitacional: A massa é parte integrante da explicação para o peso mas ela sozinha não constitui a explicação completa.

Massa específica e densidade:

Entende-se por volume de uma substância o espaço por ela ocupado. Experiências nos mostram que existe uma relação entre a massa de uma substância e o volume por ela ocupado. Em substâncias puras, a relação entre massa e volume pode ser uma característica particular, servindo inclusive de parâmetro de distinção entre uma e outra substância.

Daremos a essa relação a denominação de massa específica ou densidade absoluta. Assim, massa específica de uma substância é a razão entre determinada massa da substância e seu volume correspondente. Essa relação também e conhecida como densidade de um corpo.

O peso

Define-se peso de um corpo como a força exercida sobre ele pela atração gravitacional da Terra, na direção vertical e para seu centro. Como o peso é uma força, ele produz uma aceleração que se manifesta integralmente sobre corpos quando eles caem livremente, ou seja, na ausência da atmosfera.

Levando-se em conta que o valor de uma força é o produto de uma massa multiplicado por uma aceleração, (F = m a), no caso particular do peso de um corpo será :

P = m g

onde g = aceleração da gravidade (aprox. 9,8 m/s2 na superfície da Terra). Então o peso de um corpo é o produto de sua massa pela aceleração da gravidade. O peso é uma grandeza vetorial. Portanto, apresenta intensidade, direção e sentido.

Essas grandezas são indispensáveis na definição de um assunto muito importante da Hidrostática: o Empuxo.

Fonte: www.ufjf.br

Hidrostática

A hidrostática é a parte da física que estuda os líquidos e os gases em repouso, sob ação de um campo gravitacional constante, como ocorre quando estamos na superfície da Terra.

As leis que regem a hidrostática estão presentes no nosso dia-a-dia, mais do que podemos imaginar. Elas se verificam, por exemplo, na água que sai da torneira das nossas residências, nas represas das hidrelétricas que geram a energia elétrica que utilizamos e na pressão que o ar está exercendo sobre você nesse exato momento.

Para entender essas leis, é preciso compreender primeiramente o conceito de pressão.

Pressão

A grandeza física determinada pelo quociente entre uma força aplicada e a área de ação dessa força recebe o nome de pressão.

É o que se vê na figura abaixo:

Hidrostática

De acordo com o Sistema Internacional de Pesos e Medidas, a unidade de medida da pressão é o pascal (pa), mas é muito comum usar-se também a atmosfera (atm)e o milímetro de mercúrio (mmHg).

Hidrostática

Pressão hidrostática

Ao mergulharmos em uma piscina, a água irá exercer uma pressão sobre nós. Quanto mais fundo mergulharmos, maior será essa pressão. Agora, imagine que o líquido contido pela piscina não seja água, mas outro mais denso.

Nessa situação, a pressão vai aumentar, pois o peso do líquido sobre nós também será maior. E, se estamos falando de peso, é porque a força da gravidade, que o compõe, influencia a pressão exercida pelo líquido, também chamada de pressão hidrostática.

A partir disso, é possível concluir que a pressão hidrostática depende da profundidade, da densidade do líquido e da gravidade local.

A pressão hidrostática é determinada pela seguinte expressão matemática:

Hidrostática

Onde:

d é a densidade do liquido
g é a aceleração da gravidade
h é a profundidade

Esta equação foi publicada pela primeira vez em 1586, pelo físico holandês Simão Stevin. Por isso fico conhecida como lei de Stevin.

Uma conseqüência importante de lei de Stevin é o fato de a pressão hidrostática não depender da área de contato do líquido.

Observe a seguinte figura:

Hidrostática

Apesar de os recipientes terem bases com áreas diferentes, essas bases estão submetidas à mesma pressão, pois os dois líquidos estão com a mesma altura, ou seja:

Hidrostática

Princípio de Pascal

Se você está dirigindo e depara com o sinal fechado, coloca o pé no freio. O carro pára. Para a física, o que isso significa? Significa que é possível parar um objeto que tem uma massa de uma tonelada ou mais, com um esforço mínimo - o do seu pé sobre o pedal do freio.

Isso ocorre porque a força que é transmitida para o sistema de freios é a força que você exerceu no pedal multiplicada muitas vezes.

A explicação desse fenômeno é o princípio de Pascal, que pode ser enunciado da seguinte forma:

"Em equilíbrio, os líquidos que não podem ser comprimidos transmitem integralmente a pressão por eles recebida".

Um exemplo que pode esclarecer melhor esse princípio é o da prensa hidráulica.

Considere um cilindro que é constituído por extremidades com áreas diferentes. Seu interior é preenchido por um líquido e o cilindro é fechado por dois êmbolos (em vermelho, na imagem abaixo) que podem deslizar.

Hidrostática

Se aplicarmos uma força sobre a área 1, estaremos exercendo uma pressão nesse local, e pelo Princípio de Pascal, essa pressão será transmitida integralmente para a área 2.

Hidrostática

Ou seja, a força transmitida para a área 2 é 100 vezes maior que a força transmitida a área 1.

O princípio de Arquimedes

Considere um objeto que está suspenso no ar por um dinamômetro que indica o valor do seu peso. Em seguida, mergulha-se o mesmo objeto em um recipiente que contém um líquido em seu interior. Nessa segunda situação, o mesmo objeto terá um peso menor.

Hidrostática

P2 é menor do que P1 pelo fato de o líquido exercer forças por toda a extensão do objeto, como se vê a seguir:

Hidrostática

Na figura acima, é importante observar que:

a) as forças F3 e F4 se anulam, pois são simétricas;

b) a intensidade da força F2 é maior que a intensidade da força F1, porque a pressão exercida pelo líquido na parte inferior do objeto é maior que a pressão exercida na parte superior (de acordo com a Lei de Stevin).

Essa diferença irá resultar numa força vertical e dirigida para cima, que é conhecida como empuxo. O empuxo pode ser determinado pela equação:

Hidrostática

Segundo o princípio de Arquimedes, a intensidade do empuxo é igual ao peso do fluido deslocado pelo objeto imerso:

Hidrostática

Onde:

PFD é peso do fluido deslocado.
mFD é a massa do fluido deslocado.
dFD é a densidade do fluido deslocado.
VFD é o volume do fluido deslocado.

É importante salientar que, ao falarmos de fluidos, estamos nos referindo a líquidos e gases. Ou seja, o empuxo não é uma exclusividade dos líquidos, os gases também podem exercê-lo.

Paulo Augusto Bisquolo

Fonte: educacao.uol.com.br

Hidrostática

Chamamos hidrostática a ciência que estuda os líquidos em equilíbrio estático.

Fluido

Fluido é uma substância que tem a capacidade de escoar. Quando um fluido é submetido a uma força tangencial, deforma-se de modo contínuo, ou seja, quando colocado em um recipiente qualquer, o fluido adquire o seu formato.

Podemos considerar como fluidos líquidos e gases.

Particularmente, ao falarmos em fluidos líquidos, devemos falar em sua viscosidade, que é a atrito existente entre suas moléculas durante um movimento. Quanto menor a viscosidade, mais fácil o escoamento do fluido.

Pressão

Ao observarmos uma tesoura, vemos que o lado onde ela corta, a lâmina, é mais fina que o restante da tesoura. Também sabemos que quanto mais fino for o que chamamos o "fio da tesoura", melhor esta irá cortar.

Isso acontece, pois ao aplicarmos uma força, provocamos uma pressão diretamente proporcional a esta força e inversamente proporcional a área da aplicação.

No caso da tesoura, quanto menor for o "fio da tesoura" mais intensa será a pressão de uma força nela aplicada.

A unidade de pressão no SI é o Pascal (Pa), que é o nome adotado para N/m².

Matematicamente, a pressão média é igual ao quociente da resultante das forças perpendiculares à superfície de aplicação e a área desta superfície.

Hidrostática

Sendo:

p= Pressão (Pa)
F=Força (N)
A=Área (m²)

Densidade

Quando comparamos dois corpos formados por materiais diferentes, mas com um mesmo volume, quando dizemos que um deles é mais pesado que o outro, na verdade estamos nos referindo a sua densidade. A afirmação correta seria que um corpo é mais denso que o outro.

A unidade de densidade no SI é kg/m³.

A densidade é a grandeza que relaciona a massa de um corpo ao seu volume.

Hidrostática

Onde:

d=Densidade (kg/m³)
m=Massa (kg)
V=Volume (m³)

Exemplo:

Qual a massa de um corpo de volume 1m³, se este corpo é feito de ferro?

Dado: densidade do ferro=7,85g/cm³

Convertendo a densidade para o SI:

Hidrostática

Hidrostática

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Fonte: ww.sofisica.com.br

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