Autor: Carlos Gil da Rocha Pereira
Paranaguá – PR
Somática Educar
A flutuabilidade é a capacidade de um objeto flutuar em um líquido. A relação do peso do objeto com o peso da água deslocada é o que determina se o objeto flutua; embora o tamanho e a forma do objeto tenham um efeito, eles não são o principal motivo pelo qual um objeto flutua ou afunda. Se um objeto desloca mais água que o seu peso, flutuará.
A flutuabilidade é um fator importante no design de muitos objetos e em uma série de atividades baseadas na água, como passeios de barco ou mergulho.
O Princípio de Arquimedes
O matemático Arquimedes, que morou no século III aC, é creditado com a descoberta de como funciona a flutuabilidade. Segundo a lenda, ele estava entrando em um banho um dia e notou que quanto mais ele mergulhava na água, mais seu nível aumentava. Ele percebeu que seu corpo estava deslocando a água na banheira. Mais tarde, ele determinou que um objeto sob a água pesava menos do que um objeto no ar.
Através destas e outras realizações, ele estabeleceu o que veio a ser conhecido como o Princípio de Arquimedes:
Flutuabilidade positiva, negativa e neutra
Um objeto que flutua em um líquido é positivamente flutuante. Isso significa que a quantidade de água deslocada pelo objeto pesa mais do que o próprio objeto.
Por exemplo, um barco que pesa 23 kg, mas que desloca 45 kg de água flutuará facilmente. O barco desloca mais água do que o seu peso em parte devido ao seu tamanho e forma. A maior parte do interior de um barco é o ar, que é muito leve.
Isso explica por que os cofres marítimos maciços flutuam: enquanto a água deslocada pesa mais do que os próprios navios, eles não vão afundar.
A flutuabilidade negativa é o que faz com que os objetos afundem. Refere-se a um objeto cujo peso é superior ao peso do líquido que ele desloca. Por exemplo, um cascalho pode pesar 25 gramas, mas se ele só desloca 15 gramas de água, não pode flutuar. Se o barco de 23 kg fosse carregado com um peso de 34 kg, não flutuaria porque o peso (56,69 kg) é mais pesado que o peso da água que desloca (45 kg).
Também é possível que um objeto seja neutro. Isso significa que o peso do objeto e a quantidade de líquido que ele desloca são aproximadamente os mesmos.
Um objeto neutro flutuará no líquido, nem afundando nem flutuando. Um submarino pode ajustar o peso adicionando ou expulsando água em tanques especiais chamados tanques de lastro. Ao equilibrar adequadamente seu lastro, o submarino pode passar para vários níveis sob a superfície da água sem afundar.
Tamanho e forma
Como grande parte da superfície de um objeto toca a água tem um efeito sobre a sua flutuabilidade. Um navio muito grande tem muita área de superfície, o que significa que o peso do navio está espalhado por muita água, o que está empurrando para cima no navio. Se o mesmo navio estivesse na água com o arco apontando para baixo, começaria a afundar porque todo o peso estava concentrado em uma pequena área e a água que deslocava pesava menos do que o peso do navio.
Um exemplo comum usado para demonstrar isso é uma pessoa flutuando na água. Se a pessoa flutuar nas costas, seu corpo inteiro pode ficar em ou perto da superfície da água. Quando ela flutua na água com os pés baixos, ela afundará mais longe. Normalmente, apenas a parte superior do corpo vai ficar no topo da água.
Estabilidade
A estabilidade em um fluido depende da localização do centro de flutuabilidade de um objeto em relação ao seu centro de gravidade. O centro de gravidade de um objeto é o ponto no objeto onde todo o peso do objeto parece estar concentrado. Também pode ser pensado como a localização média do peso do objeto.
O centro de flutuabilidade é o centro de gravidade da água que o objeto deslocou. Isso não está na água, mas no objeto flutuando sobre ele.
Quando o centro da flutuabilidade estiver diretamente acima do centro de gravidade, o objeto será estável. Se, no entanto, o centro de gravidade está acima do centro da flutuabilidade – como em um navio que é carregado com carga acima da linha de água – então o objeto torna-se instável. Se o frete muda para um lado por qualquer motivo, o centro de gravidade e o centro de flutuabilidade deixarão de se alinhar. O navio irá tombar quando o centro da flutuabilidade tentar subir acima do centro de gravidade novamente.
No corpo humano, o centro de gravidade geralmente está na área do umbigo. O centro da flutuabilidade é ligeiramente maior, razão pela qual um corpo tende a flutuar em posição vertical com os ombros e o tronco acima das pernas. Virado de cabeça para baixo, onde as pernas estão acima do tronco, o centro de gravidade do corpo está acima do centro da flutuabilidade. Isso torna o corpo instável, e a posição só pode ser mantida através do esforço.
Flutuabilidade na Prática
Ao aplicar os princípios da flutuabilidade, os engenheiros podem projetar barcos, navios e hidroaviões que permanecem à tona e estável em água. Isso é verdade para muitos outros objetos, como salvavidas e pontões. Apenas sobre qualquer coisa projetada para a água depende de uma compreensão desses princípios.
Muitos nadadores sabem que existem maneiras de tornar seus corpos mais flutuantes, como deitar de costas ou segurar a respiração. Além disso, tentar mergulhar no fundo de uma piscina leva esforço porque o corpo flutua naturalmente. Os mergulhadores em particular precisam saber como flutuar, e não afundar, e eles geralmente usam pesos extras e outros equipamentos para ajudá-los a gerenciar essas manobras.
Por que algumas coisas flutuam e outras afundam?
A primeira coisa que vem à mente para muitas pessoas é que depende de quão pesado é um objeto. Enquanto o peso de um objeto, ou mais propriamente sua massa desempenha um papel, não é o único fator. Se fosse, não poderíamos explicar como um transatlântico gigante flutua enquanto uma pequena embarcação afunda.
A massa importa, mas não é só isso.
A capacidade de um objeto de flutuar é descrita como sua flutuabilidade.
A flutuabilidade de um objeto é a sua tendência de flutuar em um líquido.
Um objeto que flutua na água diz ser positivamente flutuante.
Um objeto que afunda é negativamente flutuante.
Para determinar a flutuabilidade de um objeto, tanto a massa quanto o volume devem ser levados em consideração. A relação entre volume e massa do objeto é chamada de densidade. A densidade é definida como a massa de um objeto por unidade de volume.
Matematicamente, esta relação é descrita usando a seguinte equação:
densidade = massa / volume
A unidade métrica padrão para densidade é gramas por centímetro cúbico (g/cm3).
Para explicar como a densidade de um objeto influencia sua flutuabilidade, o comportamento de um objeto colocado na água deve ser entendido. Quando um objeto é colocado na água, mesmo um objeto flutuante desloca parte daquela água. A quantidade de água deslocada é uma função da massa do objeto. O objeto afunda na água até que ele desloca uma quantidade de água igual à sua própria massa. Um objeto de 1 g afundará até que desça 1 g de água. Isto é independente do seu tamanho ou forma. Uma vez que a água tem uma densidade de 1 g/cm3, um objeto de 1 g deslocará 1 cm3 de água.
Um objeto com uma massa de 25,2 g pode deslocar até 25.2 cm3 de água. Se o objeto tiver um volume superior a 25.2 cm3, ele irá parar de afundar antes de estar totalmente imerso na água. Em outras palavras, ele irá flutuar. Se o seu volume for inferior a 25,2 cm3, não irá parar antes de estar totalmente imerso. Ele vai afundar.
Isso significa se um objeto flutuará ou afundará dependerá da sua própria densidade e da densidade do líquido em que é colocado.
No caso da água, um objeto com uma densidade inferior a 1 g/cm3 flutuará. Quanto mais perto for sua densidade para 1 g/cm3, mais se sentará abaixo do nível da água. Um objeto com uma densidade de 0.5 g/cm3 ficará meio e meio fora da água. Três quartos de um objeto com uma densidade de 0.75 g/cm3 serão submersos.
Outra maneira de olhar para a flutuabilidade de um objeto é como uma interação de duas forças.
A força da gravidade (Fg) puxando um objeto para baixo. Este é o peso do objeto, o tempo de massa é a aceleração devida à gravidade (9.8 ms-2 na Terra). É uma força e é expressa em Newtons (N).
A força de flutuação (Fb) mantendo o objeto erguido. Isso pode ser medido como a força da gravidade agindo sobre uma massa de água igual à quantidade de água que o objeto desloca quando totalmente imerso. Isso também é expresso em Newtons.
Fórmula de flutuabilidade
O líquido exerce força sobre objetos imersos ou flutuando nela. Essa força é igual ao peso do líquido que é deslocado por um objeto. Isso também é conhecido como o princípio de Arquimedes. A unidade para a força flutuante (como outras forças) é o Newton (N).
Força flutuante = (densidade do líquido) (aceleração gravitacional) (volume do líquido) = (densidade) (aceleração gravitacional) (altura do líquido) (área de superfície do objeto)
Fb = ρgV = ρghA
Fb = força flutuante de um líquido que atua sobre um objeto (N)
ρ = densidade do líquido (kg/m3)
g = aceleração gravitacional (9.80 m/s2)
V = volume de líquido deslocado (m3 or liters, where 1 m3 = 1000 L)
h = altura da água deslocada por um objeto flutuante (m)
A = área de superfície de um objeto flutuante (m2)
