Physics · Livro 3 · Bachelor Year 1

Física universitária — 1.º ano

Física universitária — 1.º ano · Bachelor Year 1

21Estática dos fluidos

Um submarino a trezentos metros carrega, em cada metro quadrado do seu casco, o peso de um caminhão carregado. Uma barragem segura um lago com uma parede grossa embaixo e fina em cima, por uma razão que nada tem a ver com o comprimento do lago. Um navio de cem mil toneladas flutua porque empurra para o lado cem mil toneladas de água, e afunda um palmo a mais quando passa do mar para um rio. Cada um desses fatos é consequência de uma única relação — num fluido em repouso a pressão cresce para baixo à taxa ρg\rho g — e este capítulo a deduz, aplica-a aos líquidos e à atmosfera e tira dela a força sobre uma parede e o teorema de Arquimedes.

Um submarino num exercício de emersão de emergência (Marinha dos EUA): esvaziados os seus tanques de lastro, ele fica mais leve do que a água que desloca e sobe — o teorema de Arquimedes a 7000\, t.
Um submarino num exercício de emersão de emergência (Marinha dos EUA): esvaziados os seus tanques de lastro, ele fica mais leve do que a água que desloca e sobe — o teorema de Arquimedes a 7000 t7000\,\mathrm{t}.

21.1 A pressão num fluido em repouso

Proposição 21.1 (Isotropia da pressão)

Num fluido em repouso, a força exercida pelo fluido sobre uma pequena superfície  ⁣dS\dd S colocada num ponto MM vale  ⁣dF→=P(M)  ⁣dS n→\dd\vect F = P(M)\,\dd S\,\vect n, normal à superfície e dirigida para ela, com uma pressão P(M)P(M) que depende do ponto mas não da orientação da superfície.

Demonstração parcial. Um fluido em repouso não transmite força tangencial (senão escoaria): a força é normal. Considere um pequeníssimo prisma triangular de fluido em MM com faces de orientações diferentes: ele está em equilíbrio sob as forças de pressão nas suas faces e sob o seu peso; o peso varia como o volume (cubo do tamanho) e as forças de pressão como áreas (quadrado), de modo que, para um prisma bastante pequeno, só as forças de pressão contam, e o seu equilíbrio em toda direção exige o mesmo PP em todas as faces. ∎

Teorema 21.2 (Relação fundamental da estática dos fluidos)

Num fluido em repouso na gravidade uniforme g→=−ge→z\vect g = -g\vect e_z (zz para cima), a pressão depende só de zz e

 ⁣dP ⁣dz=−ρg,\frac{\dd P}{\dd z} = -\rho g ,

sendo ρ\rho a densidade do fluido nesse nível. A pressão cresce para baixo; as superfícies de pressão igual (as isóbaras) são horizontais, e a superfície livre de um líquido também.

Demonstração. Tome uma fatia horizontal de fluido de área SS entre zz e z+ ⁣dzz + \dd z: ela é empurrada para cima por P(z)SP(z)S de baixo, para baixo por P(z+ ⁣dz)SP(z + \dd z)S de cima, e puxada para baixo pelo seu peso ρgS  ⁣dz\rho gS\,\dd z. Em repouso: P(z)S−P(z+ ⁣dz)S−ρgS  ⁣dz=0P(z)S - P(z + \dd z)S - \rho gS\,\dd z = 0. As fatias horizontais de fluido não recebem força horizontal da gravidade, logo na horizontal PP é uniforme. ∎

À esquerda: o equilíbrio de uma fatia horizontal de fluido — a pressão de baixo tem de exceder a de cima do peso da fatia por unidade de área. À direita: vasos comunicantes — uma horizontal encontra a mesma pressão em toda parte num líquido conectado, de modo que as superfícies livres ficam num só nível, quaisquer que sejam as formas. À esquerda: o equilíbrio de uma fatia horizontal de fluido — a pressão de baixo tem de exceder a de cima do peso da fatia por unidade de área. À direita: vasos comunicantes — uma horizontal encontra a mesma pressão em toda parte num líquido conectado, de modo que as superfícies livres ficam num só nível, quaisquer que sejam as formas.
À esquerda: o equilíbrio de uma fatia horizontal de fluido — a pressão de baixo tem de exceder a de cima do peso da fatia por unidade de área. À direita: vasos comunicantes — uma horizontal encontra a mesma pressão em toda parte num líquido conectado, de modo que as superfícies livres ficam num só nível, quaisquer que sejam as formas.

Corolário 21.3 (Fluido incompressível)

Num líquido de densidade uniforme ρ\rho, a pressão à profundidade hh abaixo de um ponto onde ela vale P0P_0 é

P=P0+ρgh.P = P_0 + \rho gh .

Água: 1 bar1\,\mathrm{bar} a mais a cada 10 m10\,\mathrm{m}. Dois pontos de um líquido conectado no mesmo nível estão à mesma pressão; as superfícies livres de vasos comunicantes ficam num só nível; uma pressão aplicada em qualquer ponto de um líquido confinado é transmitida sem atenuação a todos os pontos (princípio de Pascal).

Demonstração. Integre  ⁣dP/ ⁣dz=−ρg\dd P/\dd z = -\rho g com ρ\rho constante; o resto é a horizontalidade das isóbaras e a unicidade de PP num dado nível. ∎

Exemplo 21.4 (Manômetros e prensas)

Um tubo em U de mercúrio (ρ=13 600 kg/m3\rho = 13\,600\,\mathrm{kg}/\mathrm{m}^{3}) cujas colunas diferem de h=760 mmh = 760\,\mathrm{mm} mede uma diferença de pressão ρgh=1.013×105 Pa\rho gh = 1.013 \times 10^{5}\,\mathrm{Pa} — a atmosfera, que sustenta uma coluna de 10.3 m10.3\,\mathrm{m} de água. Uma prensa hidráulica: uma força F1F_1 sobre um pistão de área S1S_1 eleva a pressão de F1/S1F_1/S_1 em todo o líquido; sobre o pistão grande S2S_2 ela dá F2=F1S2/S1F_2 = F_1S_2/S_1 — cinquenta vezes mais para cinquenta vezes a área, ao preço de cinquenta vezes menos curso (a energia se conserva: F1d1=F2d2F_1d_1 = F_2d_2).

21.2 A atmosfera

Proposição 21.5 (Atmosfera isotérmica)

Para um gás perfeito de massa molar MM à temperatura uniforme TT numa gravidade uniforme,

P(z)=P0 e−z/H,H=RTMg,P(z) = P_0\,\eu^{-z/H}, \qquad H = \frac{RT}{Mg} ,

a altura de escala: cerca de 8 km8\,\mathrm{km} para o ar; a pressão cai pela metade a cada Hln⁡2≈5.5 kmH\ln2 \approx 5.5\,\mathrm{km}.

Demonstração. ρ=PM/RT\rho = PM/RT (equação de estado), logo  ⁣dP/ ⁣dz=−(Mg/RT)P\dd P/\dd z = -(Mg/RT)P: uma equação linear de primeira ordem, P=P0e−Mgz/RTP = P_0\eu^{-Mgz/RT}. ∎

Exemplo 21.6 (Ar rarefeito)

Com T=260 KT = 260\,\mathrm{K} (uma média sobre a baixa atmosfera), H=7.6 kmH = 7.6\,\mathrm{km}: P=0.52P0P = 0.52P_0 a 5000 m5000\,\mathrm{m} e 0.31P00.31P_0 no cume do Everest — perto dos valores medidos, 0.540.54 e 0.330.33; a atmosfera real esfria com a altitude, o que o volume do segundo ano leva em conta. O modelo também diz por que o mar é diferente: a água é oitocentas vezes mais densa e quase incompressível, de modo que a sua pressão cresce linearmente, um bar a cada dez metros, sem altura de escala.

A atmosfera isotérmica: a pressão (e a densidade) cai exponencialmente com a altitude, dividindo-se por dois a cada 5.5\, km. Nove décimos do ar estão abaixo de 17\, km.
A atmosfera isotérmica: a pressão (e a densidade) cai exponencialmente com a altitude, dividindo-se por dois a cada 5.5 km5.5\,\mathrm{km}. Nove décimos do ar estão abaixo de 17 km17\,\mathrm{km}.

21.3 Forças sobre paredes

Proposição 21.7 (Força sobre uma parede vertical)

Um líquido de profundidade hh contra uma parede vertical retangular de largura LL (a pressão atmosférica agindo nas duas faces e se cancelando) exerce a força horizontal

F=12ρgh2L,F = \tfrac12\rho gh^2L ,

equivalente a uma única força aplicada no centro de pressão, à profundidade 2h/32h/3 — a resultante age embaixo, onde a pressão é maior.

Demonstração. À profundidade xx a pressão manométrica vale ρgx\rho gx; sobre a faixa de altura  ⁣dx\dd x a força vale ρgxL  ⁣dx\rho gxL\,\dd x; integre de 00 a hh. O seu momento em relação à linha da superfície é ∫0hρgx2L  ⁣dx=13ρgh3L\int_0^h\rho gx^2L\,\dd x = \tfrac13\rho gh^3L; dividindo por FF obtém-se o braço de alavanca 2h/32h/3. ∎

A pressão sobre uma barragem cresce linearmente com a profundidade (setas), de modo que a resultante age a dois terços da profundidade: a parede tem de ser mais grossa embaixo. A força depende de h e de L, e não de quanta água há atrás.
A pressão sobre uma barragem cresce linearmente com a profundidade (setas), de modo que a resultante age a dois terços da profundidade: a parede tem de ser mais grossa embaixo. A força depende de hh e de LL, e não de quanta água há atrás.

Exemplo 21.8 (Uma barragem)

h=20 mh = 20\,\mathrm{m}, L=100 mL = 100\,\mathrm{m}: F=12×1000×9.81×400×100=2.0×108 NF = \tfrac12 \times 1000 \times 9.81 \times 400 \times 100 = 2.0 \times 10^{8}\,\mathrm{N} — vinte mil toneladas, aplicadas 13 m13\,\mathrm{m} abaixo da superfície, o mesmo quer o lago atrás seja um açude ou um fiorde: é o paradoxo hidrostático.

21.4 O teorema de Arquimedes

Teorema 21.9 (Arquimedes)

Um corpo imerso num fluido em repouso recebe das forças de pressão uma resultante — o empuxo — igual e oposta ao peso do fluido que ele desloca,

Π→=−ρfluidoVimerso g→,\vect\Pi = -\rho_{\text{fluido}}V_{\text{imerso}}\,\vect g ,

aplicada no centro de massa do fluido deslocado (o centro de empuxo).

Demonstração. As forças de pressão sobre a superfície do corpo dependem apenas da forma dessa superfície e do fluido de fora. Substitua o corpo, em pensamento, por fluido em repouso ocupando o mesmo volume: esse fluido está em equilíbrio sob o seu peso e sob as mesmas forças de pressão, de modo que as forças de pressão equilibram o seu peso — a soma delas vale −ρVg→-\rho V\vect g, aplicada no seu centro de massa. Desfaça a experiência de pensamento; as forças de pressão não mudaram. ∎

Corolário 21.10 (Flutuação)

Um corpo de densidade ρb\rho_b flutua num fluido de densidade ρf>ρb\rho_f > \rho_b com a fração ρb/ρf\rho_b/\rho_f do seu volume imersa; se ρb>ρf\rho_b > \rho_f ele afunda, com um peso aparente (ρb−ρf)Vg(\rho_b - \rho_f)Vg.

Demonstração. O peso ρbVg\rho_bVg é igual ao empuxo ρfVimg\rho_fV_{\text{im}}g. ∎

Um corpo que flutua: o seu peso, aplicado no seu centro de massa G, equilibra o empuxo, aplicado no centro de empuxo C (o centro do volume imerso). Gelo (= 917\, kg/ m3) em água do mar (1025\, kg/ m3): 89\% abaixo da superfície.
Um corpo que flutua: o seu peso, aplicado no seu centro de massa GG, equilibra o empuxo, aplicado no centro de empuxo CC (o centro do volume imerso). Gelo (ρ=917 kg/m3\rho = 917\,\mathrm{kg}/\mathrm{m}^{3}) em água do mar (1025 kg/m31025\,\mathrm{kg}/\mathrm{m}^{3}): 89%89\% abaixo da superfície.

Exemplo 21.11 (Três empuxos)

Um densímetro é um tubo lastreado que afunda até deslocar o seu próprio peso: quanto mais denso o líquido, menos ele afunda — um medidor de densidade que se lê na haste. Um balão de 2800 m32800\,\mathrm{m}^{3} de ar quente a 373 K373\,\mathrm{K} desloca 3.4 t3.4\,\mathrm{t} de ar frio e pesa 2.6 t2.6\,\mathrm{t} de ar quente: 0.7 t0.7\,\mathrm{t} de sustentação (Problema 20.1). Um navio de 100 000 t100\,000\,\mathrm{t} desloca 97 600 m397\,600\,\mathrm{m}^{3} de água do mar; em água doce (1000 kg/m31000\,\mathrm{kg}/\mathrm{m}^{3}) ele precisa deslocar 2.5%2.5\% a mais e afunda mais — daí as marcas de Plimsoll no seu casco.

Observação 21.12 (Estabilidade)

Um corpo que flutua, inclinado de um pequeno ângulo, é restaurado se o empuxo, agora aplicado no centro deslocado do novo volume imerso, produz um momento de endireitamento — o que acontece quando o metacentro (o ponto em que a linha de ação do empuxo encontra o eixo do corpo) fica acima de GG. Lastro no fundo do casco baixa GG e estabiliza o navio; um barco pesado em cima emborca.

21.5 Exercícios

Exercício 21.1 ★

Pressão absoluta a 10 m10\,\mathrm{m}, 100 m100\,\mathrm{m} e 1 km1\,\mathrm{km} sob o mar (ρ=1025 kg/m3\rho = 1025\,\mathrm{kg}/\mathrm{m}^{3}); força sobre uma vigia de 1.0 m21.0\,\mathrm{m}^{2} a 300 m300\,\mathrm{m}.

Solução

Solução de Exercício 21.1.

P=P0+ρghP = P_0 + \rho gh: 2.0×105 Pa2.0 \times 10^{5}\,\mathrm{Pa} (2.0 bar2.0\,\mathrm{bar}), 1.1×106 Pa1.1 \times 10^{6}\,\mathrm{Pa} (11 bar11\,\mathrm{bar}), 1.0×107 Pa1.0 \times 10^{7}\,\mathrm{Pa} (101 bar101\,\mathrm{bar}). A 300 m300\,\mathrm{m}: P=3.1×106 PaP = 3.1 \times 10^{6}\,\mathrm{Pa}, força 3.1 MN3.1\,\mathrm{MN} sobre 1 m21\,\mathrm{m}^{2} (resultante, contra 1 atm1\,\mathrm{atm} do lado de dentro: 3.0 MN3.0\,\mathrm{MN}).

Exercício 21.2 ★

Altura de uma coluna de mercúrio que equilibra 1.013×105 Pa1.013 \times 10^{5}\,\mathrm{Pa}; e de uma coluna de água. Por que uma bomba de sucção não consegue elevar a água mais do que uns 10 m10\,\mathrm{m}?

Solução

Solução de Exercício 21.2.

h=P/ρgh = P/\rho g: mercúrio 0.760 m0.760\,\mathrm{m}; água 10.3 m10.3\,\mathrm{m}. Uma bomba pode, no melhor dos casos, fazer vácuo acima da água: a atmosfera então empurra a coluna para cima de 10.3 m10.3\,\mathrm{m}, e não mais.

Exercício 21.3 ★

Um macaco hidráulico: 100 N100\,\mathrm{N} sobre um pistão de 2.0 cm22.0\,\mathrm{cm}^{2}, carga sobre um pistão de 200 cm2200\,\mathrm{cm}^{2}; distâncias percorridas por cada um se o pistão pequeno anda 20 cm20\,\mathrm{cm}.

Solução

Solução de Exercício 21.3.

F2=F1S2/S1=10 kNF_2 = F_1S_2/S_1 = 10\,\mathrm{kN} (uma tonelada); d2=d1S1/S2=2.0 mmd_2 = d_1S_1/S_2 = 2.0\,\mathrm{mm} (mesmo volume deslocado, mesmo trabalho).

Exercício 21.4 ★

Um tubo em U contém água; despeja-se óleo (ρ=850 kg/m3\rho = 850\,\mathrm{kg}/\mathrm{m}^{3}) num dos ramos, formando uma coluna de 12 cm12\,\mathrm{cm}. Diferença de altura entre as duas superfícies livres.

Solução

Solução de Exercício 21.4.

Mesma pressão no nível da interface óleo–água nos dois ramos: ρogho=ρwghw\rho_og h_o = \rho_wgh_w, hw=0.85×12=10.2 cmh_w = 0.85 \times 12 = 10.2\,\mathrm{cm} de água acima desse nível no outro ramo; a superfície do óleo fica 12−10.2=1.8 cm12 - 10.2 = 1.8\,\mathrm{cm} mais alta.

Exercício 21.5 ★★

Altura de escala da atmosfera a 273 K273\,\mathrm{K}; pressão a 5000 m5000\,\mathrm{m} e a 8848 m8848\,\mathrm{m}; altitude em que P=P0/2P = P_0/2. Compare com os valores citados no Capítulo 20.

Solução

Solução de Exercício 21.5.

H=RT/Mg=8.314×273/(0.029×9.81)=8.0 kmH = RT/Mg = 8.314 \times 273/(0.029 \times 9.81) = 8.0\,\mathrm{km}; P/P0=e−z/HP/P_0 = \eu^{-z/H}: 0.540.54 a 5 km5\,\mathrm{km}, 0.330.33 a 8848 m8848\,\mathrm{m}; metade em Hln⁡2=5.5 kmH\ln2 = 5.5\,\mathrm{km} — os números usados no Capítulo 20.

Exercício 21.6 ★★

Uma barragem retangular de 100 m100\,\mathrm{m} de largura segura 20 m20\,\mathrm{m} de água. Força total, profundidade do centro de pressão e momento da água em relação à base da barragem. Por que uma barragem é curvada na direção da água?

Solução

Solução de Exercício 21.6.

F=12ρgh2L=1.96×108 NF = \tfrac12\rho gh^2L = 1.96 \times 10^{8}\,\mathrm{N}; centro de pressão à profundidade de 13.3 m13.3\,\mathrm{m}, isto é, 6.7 m6.7\,\mathrm{m} acima da base; momento em relação à base F×6.7=1.3×109 N mF \times 6.7 = 1.3 \times 10^{9}\,\mathrm{N}\,\mathrm{m}. Curvar a barragem na direção da água transforma o empurrão em compressão do arco, levada às encostas do vale.

Exercício 21.7 ★★

Fração de um iceberg abaixo da superfície (gelo 917 kg/m3917\,\mathrm{kg}/\mathrm{m}^{3}, água do mar 1025 kg/m31025\,\mathrm{kg}/\mathrm{m}^{3}); de um tronco de densidade 600 kg/m3600\,\mathrm{kg}/\mathrm{m}^{3} em água doce; uma balsa de 2.0 m32.0\,\mathrm{m}^{3} dessa madeira consegue levar quantas pessoas de 75 kg75\,\mathrm{kg} antes que o seu convés fique alagado?

Solução

Solução de Exercício 21.7.

917/1025=89%917/1025 = 89\%; tronco 60%60\%. Balsa: empuxo com imersão total 1000×2.0×9.81=19.6 kN1000 \times 2.0 \times 9.81 = 19.6\,\mathrm{kN}, peso próprio 11.8 kN11.8\,\mathrm{kN}: 7.8 kN7.8\,\mathrm{kN} de sobra, dez pessoas… a décima com os pés molhados: nove para ficar seco (800 kg800\,\mathrm{kg}).

Exercício 21.8 ★★

Um densímetro de massa 20 g20\,\mathrm{g}, com uma haste de seção 0.50 cm20.50\,\mathrm{cm}^{2}, flutua em água com 4.0 cm4.0\,\mathrm{cm} de haste emersa. Quanta haste emerge numa salmoura de densidade 1100 kg/m31100\,\mathrm{kg}/\mathrm{m}^{3}? Sensibilidade (cm por unidade de densidade relativa)?

Solução

Solução de Exercício 21.8.

Volume imerso m/ρm/\rho: em água 20 cm320\,\mathrm{cm}^{3}; em salmoura 20/1.1=18.2 cm320/1.1 = 18.2\,\mathrm{cm}^{3}, 1.8 cm31.8\,\mathrm{cm}^{3} a menos, isto é, 1.8/0.50=3.6 cm1.8/0.50 = 3.6\,\mathrm{cm} a mais de haste: 7.6 cm7.6\,\mathrm{cm} emersos. Sensibilidade ≈m/(ρ2S)≈40 cm\approx m/(\rho^2S) \approx 40\,\mathrm{cm} por unidade de densidade relativa (3.6 cm3.6\,\mathrm{cm} por 0.10.1).

Exercício 21.9 ★★

Um submarino de volume 3000 m33000\,\mathrm{m}^{3} tem massa de 2800 t2800\,\mathrm{t} com os tanques de lastro vazios. Fração emersa na superfície (água do mar); massa de água a admitir para ficar em equilíbrio indiferente; e se ele entrar depois num estuário de água doce?

Solução

Solução de Exercício 21.9.

Volume deslocado 2800/1.025=2732 m32800/1.025 = 2732\,\mathrm{m}^{3}: 268 m3268\,\mathrm{m}^{3} (9%9\%) emergem. Equilíbrio indiferente: massa 1025×3000=3075 t1025 \times 3000 = 3075\,\mathrm{t}: admitir 275 t275\,\mathrm{t}. Água doce: o empuxo cai para 3000 t3000\,\mathrm{t}: 75 t75\,\mathrm{t} pesado demais — ele afunda a menos que 75 t75\,\mathrm{t} sejam bombeadas para fora.

Exercício 21.10 ★★★

Um balão de criança contém 10 L10\,\mathrm{L} de hélio (M=4 g/molM = 4\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}) a 1 bar1\,\mathrm{bar} e 293 K293\,\mathrm{K}; a borracha pesa 3.0 g3.0\,\mathrm{g}. Sustentação líquida; massa de barbante que ele consegue carregar.

Solução

Solução de Exercício 21.10.

Ar deslocado: 10−2×1.20=12.0 g10^{-2} \times 1.20 = 12.0\,\mathrm{g}; hélio dentro 12.0×4/29=1.7 g12.0 \times 4/29 = 1.7\,\mathrm{g}; borracha 3.0 g3.0\,\mathrm{g}: sustentação líquida 7.3 g7.3\,\mathrm{g} — sete metros de barbante leve.

Exercício 21.11 ★★★

Prove que o centro de pressão sobre uma parede vertical retangular fica a 2h/32h/3 calculando o momento das forças de pressão em relação à linha da superfície. Onde ele fica para uma parede só parcialmente submersa, digamos da profundidade h1h_1 à h2h_2?

Solução

Solução de Exercício 21.11.

Momento ∫0hρgx⋅xL  ⁣dx=ρgLh3/3\int_0^h\rho gx\cdot xL\,\dd x = \rho gLh^3/3, força ρgLh2/2\rho gLh^2/2: braço 2h/32h/3. De h1h_1 a h2h_2: momento ρgL(h23−h13)/3\rho gL(h_2^3 - h_1^3)/3, força ρgL(h22−h12)/2\rho gL(h_2^2 - h_1^2)/2: profundidade 23(h23−h13)/(h22−h12)\frac23(h_2^3 - h_1^3)/(h_2^2 - h_1^2).

Exercício 21.12 ★★★

Um densímetro cilíndrico (massa mm, seção SS) que flutua num líquido de densidade ρ\rho é empurrado para baixo de xx e solto. Mostre que ele oscila harmonicamente e dê o período; calcule-o para m=20 gm = 20\,\mathrm{g}, S=0.50 cm2S = 0.50\,\mathrm{cm}^{2}, em água. (Exemplo 14.3 revisitado.)

Solução

Solução de Exercício 21.12.

Uma imersão suplementar xx acrescenta o empuxo ρgSx\rho gSx para cima: mx¨=−ρgSxm\ddot x = -\rho gSx, ω02=ρgS/m\omega_0^2 = \rho gS/m, T=2πm/ρgS=2π0.020/(1000×9.81×5×10−5)=1.3 sT = 2\pi\sqrt{m/\rho gS} = 2\pi\sqrt{0.020/(1000 \times 9.81 \times 5\times10^{-5})} = 1.3\,\mathrm{s}.

Enchendo um balão de ar quente: o ar aquecido é menos denso do que o ar frio em volta, e o empuxo de Arquimedes sobre o envelope supera o seu peso.
Enchendo um balão de ar quente: o ar aquecido é menos denso do que o ar frio em volta, e o empuxo de Arquimedes sobre o envelope supera o seu peso.

21.6 Problema: o submarino

Problema 21.1

Problema de fim de semana — um casco de aço a trezentos metros de profundidade: a pressão sobre as suas chapas, a água que ele tem de engolir para descer e cuspir para subir, a mergulhadora que sai dele e o petroleiro que passa lá em cima

Água do mar: ρ=1025 kg/m3\rho = 1025\,\mathrm{kg}/\mathrm{m}^{3}; água doce 1000 kg/m31000\,\mathrm{kg}/\mathrm{m}^{3}; P0=1.013×105 PaP_0 = 1.013 \times 10^{5}\,\mathrm{Pa}; g=9.81 m/s2g = 9.81\,\mathrm{m}/\mathrm{s}^{2}. O casco do submarino encerra V=3000 m3V = 3000\,\mathrm{m}^{3}; com os tanques de lastro vazios a sua massa é m0=2800 tm_0 = 2800\,\mathrm{t}.

Parte I — A pressão sobre o casco.

  1. Pressão absoluta a 300 m300\,\mathrm{m}, em pascals e em bars.
  2. Força sobre uma escotilha circular de 0.80 m0.80\,\mathrm{m} de diâmetro nessa profundidade; compare com o peso de um caminhão.
  3. Força sobre um metro quadrado de casco na quilha, se o casco tem 10 m10\,\mathrm{m} de altura e o topo está a 300 m300\,\mathrm{m}: quão diferente do topo?
  4. A água é ligeiramente compressível (χT=4.6×10−10 Pa−1\chi_T = 4.6 \times 10^{-10}\,\mathrm{Pa}^{-1}): de que fração a água do mar é mais densa a 300 m300\,\mathrm{m} do que na superfície? Isso importa para a pressão calculada acima?
  5. A tripulação lá dentro respira ar a 1 atm1\,\mathrm{atm}: por que o casco precisa ser um cilindro espesso, e por que um cilindro resiste melhor do que uma caixa de faces planas?
  6. Uma casca cilíndrica fina de raio RR e espessura de parede ee sob uma sobrepressão externa ΔP\Delta P suporta na parede uma tensão de compressão ΔP R/e\Delta P\,R/e. Para R=5.0 mR = 5.0\,\mathrm{m} e e=3.0 cme = 3.0\,\mathrm{cm} a 300 m300\,\mathrm{m}, calcule-a e compare com o limite de escoamento do aço, cerca de 600 MPa600\,\mathrm{MPa}.

Parte II — Afundar e flutuar.

  1. Na superfície, com os tanques vazios, que volume do casco emerge?
  2. Que massa de água do mar os tanques de lastro precisam admitir para o submarino ficar em equilíbrio indiferente?
  3. Uma vez em equilíbrio indiferente a 300 m300\,\mathrm{m}, o casco é comprimido de 0.1%0.1\% pela pressão. Calcule a força resultante e diga se o equilíbrio é estável em relação à profundidade.
  4. O barco navega em equilíbrio indiferente do mar para um estuário de água doce. Força resultante? Para que lado ele vai, e o que a tripulação tem de fazer?
  5. Um torpedo de 20 t20\,\mathrm{t} é disparado. O que o sistema de lastro tem de fazer imediatamente, e de quanto?
  6. Por que um submarino usa ar comprimido para esvaziar os seus tanques, e por que a pressão desse ar é o limite da profundidade em que ele pode esvaziá-los?
  7. Estime o volume de ar a 1 atm1\,\mathrm{atm} necessário para esvaziar 275 m3275\,\mathrm{m}^{3} de tanques a 300 m300\,\mathrm{m} (lei de Boyle, PVPV constante).

Parte III — A mergulhadora. Uma mergulhadora deixa a superfície com 6.0 L6.0\,\mathrm{L} de ar nos pulmões.

  1. Pressão absoluta a 10 m10\,\mathrm{m} e a 30 m30\,\mathrm{m}.
  2. Se ela desce prendendo a respiração, qual é o volume dos seus pulmões a 30 m30\,\mathrm{m}?
  3. Uma mergulhadora com cilindro respira ar à pressão ambiente a 30 m30\,\mathrm{m} e sobe prendendo a respiração: volume que os seus pulmões precisariam ter na superfície, e a lição.
  4. Um snorkel de 1.0 m1.0\,\mathrm{m}: diferença de pressão entre a água sobre o peito da mergulhadora e o ar dos seus pulmões; força sobre um peito de 0.05 m20.05\,\mathrm{m}^{2}; ela consegue inspirar?
  5. O cilindro contém 12 L12\,\mathrm{L} a 200 bar200\,\mathrm{bar}: quantos litros de ar a 30 m30\,\mathrm{m} isso dá, e por quanto tempo a 20 L20\,\mathrm{L} por minuto?

Parte IV — O petroleiro lá em cima.

  1. Um petroleiro de 100 000 t100\,000\,\mathrm{t} flutua em água do mar: volume de água deslocado.
  2. A sua área de flutuação é 8000 m28000\,\mathrm{m}^{2}: de quanto ele sobe ou desce ao entrar em água doce?
  3. Carregando 10 000 t10\,000\,\mathrm{t} de petróleo: variação do calado.
  4. O petroleiro vazio tem o centro de massa alto e leva água do mar como lastro quando está vazio. Por quê, em termos do metacentro?
  5. O casco do petroleiro na quilha (calado de 20 m20\,\mathrm{m}): pressão e força por metro quadrado, comparadas com as do submarino a 300 m300\,\mathrm{m}.
  6. O petroleiro passa exatamente por cima do submarino. O submarino sente as suas 100 000 t100\,000\,\mathrm{t}? Explique com o campo de pressão.
  7. Resuma: a única relação que fixou todos os números deste problema, e o teorema que dela decorreu.
Solução

Solução de Problema 21.1.

1. P=1.013×105+1025×9.81×300=3.12×106 Pa=31 barP = 1.013\times10^5 + 1025 \times 9.81 \times 300 = 3.12 \times 10^{6}\,\mathrm{Pa} = 31\,\mathrm{bar}.

2. S=π(0.40)2=0.503 m2S = \pi(0.40)^2 = 0.503\,\mathrm{m}^{2}: força resultante (P−P0)S=1.52×106 N(P - P_0)S = 1.52 \times 10^{6}\,\mathrm{N} — 155 toneladas, um caminhão carregado sobre uma escotilha.

3. Quilha 10 m10\,\mathrm{m} mais fundo: +ρg×10=1.0×105 Pa+\rho g \times 10 = 1.0 \times 10^{5}\,\mathrm{Pa} a mais, 3%3\%: o casco é carregado quase uniformemente.

4. Δρ/ρ=χTΔP=4.6×10−10×3.0×106=0.14%\Delta\rho/\rho = \chi_T\Delta P = 4.6\times10^{-10} \times 3.0\times10^6 = 0.14\%: desprezível para a pressão (alguns quilopascals em três milhões).

5. Trinta bars do lado de fora, um do lado de dentro: o casco é um vaso de pressão carregado para dentro; um cilindro (ou uma esfera) transforma a pressão em compressão ao longo da parede, coisa que o aço resiste bem, ao passo que uma chapa plana se dobraria.

6. ΔP R/e=3.0×106×5.0/0.030=5.0×108 Pa=500 MPa\Delta P\,R/e = 3.0\times10^6 \times 5.0/0.030 = 5.0 \times 10^{8}\,\mathrm{Pa} = 500\,\mathrm{MPa}: perto do limite de escoamento — 300 m300\,\mathrm{m} está no limite para este casco, e barcos mais profundos exigem aço mais espesso ou mais resistente (ou titânio).

7. Volume deslocado m0/ρ=2800/1.025=2732 m3m_0/\rho = 2800/1.025 = 2732\,\mathrm{m}^{3}: 268 m3268\,\mathrm{m}^{3} emergem (9%9\%).

8. Equilíbrio indiferente: m=ρV=3075 tm = \rho V = 3075\,\mathrm{t}: admitir 275 t275\,\mathrm{t}.

9. O empuxo cai de 0.1%0.1\% de ρVg\rho Vg: 0.001×3075×9.81×103=30 kN0.001 \times 3075 \times 9.81 \times10^3 = 30\,\mathrm{kN} para baixo (três toneladas). Mais fundo ⇒\Rightarrow mais compressão ⇒\Rightarrow mais pesado: instável — um submarino tem de corrigir o lastro continuamente (e um casco de aço se comprime menos do que a água, o que ajuda; um casco flexível demais afundaria sem volta).

10. Empuxo 1000×3000×9.81=29.4 MN1000 \times 3000 \times 9.81 = 29.4\,\mathrm{MN} contra o peso 3075×9.81×103=30.2 MN3075 \times 9.81 \times 10^3 = 30.2\,\mathrm{MN}: 0.74 MN0.74\,\mathrm{MN} para baixo (75 t75\,\mathrm{t}); bombear 75 t75\,\mathrm{t} para fora.

11. Imediatamente 20 t20\,\mathrm{t} mais leve: admitir 20 t20\,\mathrm{t} de água (19.5 m319.5\,\mathrm{m}^{3}) nos tanques de compensação.

12. A água só pode ser expulsa por algo a pressão mais alta do que a do mar do lado de fora; o ar comprimido dos cilindros a empurra para fora — mas só enquanto a pressão dos cilindros exceder a pressão ambiente naquela profundidade.

13. PVPV constante: 275 m3275\,\mathrm{m}^{3} a 31 bar31\,\mathrm{bar} exigem 275×31=8500 m3275 \times 31 = 8500\,\mathrm{m}^{3} de ar a 1 atm1\,\mathrm{atm} — guardados a 200 bar200\,\mathrm{bar} em 43 m343\,\mathrm{m}^{3} de cilindros.

14. 2.0 bar2.0\,\mathrm{bar} a 10 m10\,\mathrm{m}; 4.0 bar4.0\,\mathrm{bar} a 30 m30\,\mathrm{m}.

15. PVPV constante: 6.0/4.0=1.5 L6.0/4.0 = 1.5\,\mathrm{L} — a caixa torácica é esmagada para dentro; os apneístas sentem isso.

16. O ar tomado a 4 bar4\,\mathrm{bar} se expande quatro vezes: 24 L24\,\mathrm{L} em pulmões que comportam 6 L6\,\mathrm{L}: ruptura. Nunca prenda a respiração na subida; expire continuamente.

17. ΔP=ρg×1.0=1.0×104 Pa\Delta P = \rho g \times 1.0 = 1.0 \times 10^{4}\,\mathrm{Pa}; força 1.0×104 Pa×0.05=500 N1.0 \times 10^{4}\,\mathrm{Pa} \times 0.05 = 500\,\mathrm{N} sobre o peito: os músculos respiratórios não levantam cinquenta quilos — um snorkel só funciona nos primeiros decímetros.

18. 12×200=2400 L12 \times 200 = 2400\,\mathrm{L} a 1 bar1\,\mathrm{bar}, isto é, 600 L600\,\mathrm{L} a 4 bar4\,\mathrm{bar}: 30 min30\,\mathrm{min}.

19. V=108/1025=97 600 m3V = 10^8/1025 = 97\,600\,\mathrm{m}^{3}.

20. Em água doce ele precisa deslocar 105 m310^5\ \mathrm{m}^{3}: 2400 m32400\,\mathrm{m}^{3} a mais, isto é, 2400/8000=0.30 m2400/8000 = 0.30\,\mathrm{m} mais fundo.

21. 104/1.025=9756 m310^4/1.025 = 9756\,\mathrm{m}^{3} a mais: 1.2 m1.2\,\mathrm{m} mais fundo.

22. Vazio, o GG do navio fica alto e pouco casco está imerso: o metacentro pode cair abaixo de GG e o navio emborcar numa onda. Água do mar no fundo do casco baixa GG e aumenta o calado.

23. ρgh=2.0×105 Pa\rho gh = 2.0 \times 10^{5}\,\mathrm{Pa}, 0.2 MN/m20.2\,\mathrm{MN}/\mathrm{m}^{2}: quinze vezes menos do que os 3 MN/m23\,\mathrm{MN}/\mathrm{m}^{2} do submarino.

24. Não: a pressão à profundidade do submarino vale P0+ρghP_0 + \rho gh, fixada só pela profundidade. O peso do petroleiro é sustentado pela água que ele desloca, o que eleva o nível do mar em toda parte de uma quantidade imensurável; nenhuma carga suplementar chega ao submarino.

25.  ⁣dP/ ⁣dz=−ρg\dd P/\dd z = -\rho g — donde P=P0+ρghP = P_0 + \rho gh para toda profundidade, força e volume pulmonar aqui — e o teorema de Arquimedes, que é essa relação integrada sobre uma superfície fechada.