Já vimos em alguma parte do
passado recente que a Hidrostática é parte da Física que estuda os fluídos (líquido e
gás) em repouso (que não estejam em escoamento (=movimento)).
1. Massa Específica
É a relação entre massa e
volume ocupado por esta massa. E essa relação é definida para corpos
homogêneos.
Sendo:
ρ = massa específica
m = massa de corpo homogêneo
V = volume ocupado pela
massa
2. Densidade
A relação, também, é entre a
massa e volume, porém, corpos não homogêneos.
Sendo:
d = densidade
m’ = massa de corpo não homogêneo
V’ = volume ocupado por este
corpo
3. Pressão
A pressão é definida como a
aplicação de uma determinada força distribuída sobre uma área.
Nota: A unidade de medida da
pressão é Newton por metro quadrado (N/m²). No caso de fluídos o Newton por metro quadrado
é, também, denominado de pascal (Pa).
4. Princípio de Stevin
O
princípio de Stevin nos permite calcular a pressão em um líquido em repouso,
estando com sua superfície livre em contato com a atmosfera.
Sendo:
PA = pressão num
certo ponto A do líquido
Patm = pressão
atmosférica
ρ = massa específica do
liquido
g = aceleração da gravidade
h = profundidade do ponto A
(h + h’) = profundidade do
ponto B
5. Princípio de Pascal
Um acréscimo
de pressão exercido em qualquer ponto de um fluido é transmitido para todo o
fluido.
Como
a pressão é igual em todos os pontos do fluído, podemos escrever a seguinte
equação:
Portanto, se a área A1
é 4 vezes maior que a área A2, temos um amplificador de força F1
= 4*F2
6. Princípio de Arquimedes
Todo corpo mergulhado em um
fluido (liquido, ou gás) sofre, devido a este (ao fluido), uma ação de força
vertical para cima (Empuxo), cuja intensidade é igual ao peso do fluido
deslocado pelo corpo.
AS EQUAÇÕES:
Seja
VF o volume do fluido
deslocado pelo corpo. Então a massa do fluido deslocado (mF) é calculada pela seguinte relação:
Sendo:
mF = massa do
fluido deslocado (Kg)
ρF =
densidade do fluido (Kg/m³)
VF = Volume do
fluido deslocado (m³)
A intensidade do empuxo é
igual à do peso dessa massa deslocada:
Sendo,
g = aceleração da gravidade
(m/s²)
As equações a seguir valem
para corpos totalmente imersos. Portanto, o volume do fluido deslocado é igual
ao próprio volume do corpo.
Sendo:
P = peso do corpo (N)
ρC =
densidade do corpo (Kg/m³)
VC = Volume do
corpo (m³)
g = aceleração da gravidade
(m/s²)
E = empuxo (N)
ρF =
densidade do fluido (Kg/m³)
VF = Volume do
fluido deslocado (m³)
Se o empuxo for maior que a
força peso, a tendência do corpo é de subir com aceleração. Caso peso seja
maior que o empuxo, a tendência é de o corpo descer com aceleração. Tanto no
primeiro caso, ou no segundo a força resultante é diferente de zero (vale a 2ª
Lei de Newton, Princípio Fundamental da Dinâmica). Quando o empuxo for igual à
força peso, a tendência do corpo é permanecer parado.
7. Curiosidade:
O submarino funciona de acordo com o Princípio
de Arquimedes.
Um submarino ou qualquer
tipo de navio pode flutuar porque o peso da água deslocada é igual ao peso da
embarcação. Esse deslocamento de água cria uma força que puxa para cima,
chamada força de flutuação (Empuxo),
e age em oposição à gravidade que puxa a embarcação para baixo. Diferente do
navio, o submarino pode controlar a sua flutuação, podendo assim submergir e
emergir conforme a necessidade.
Para controlar a flutuação,
o submarino possui tanques de lastro
e auxiliares, ou tanques de
balanceamento, que podem, alternadamente, serem enchidos com água ou ar.
Salvo em situações de emergência,
um submarino ao tentar submergir, (ou emergir) não inunda, (ou não solta) subitamente
toda a água em seus tanques de lastro. Essa ação súbita provocaria uma descida,
(ou subida) acelerada difícil de ser controlada. A inundação, ou liberação de água dos tanques
de lastro é feita de forma controlada, de modo a manter a força de empuxo igual
à força peso e desta maneira conseguir afundar ou subir gradualmente com
velocidade constante. O controle de descida, ou subida gradual é feito pela hélice
de propulsão em conjunto com as aletas controladoras de movimento vertical (hidroplanos)
que se localizam na popa (parte de trás).
Quando o submarino está na
superfície, os tanques de lastro estão cheios de ar, portanto, a densidade do
submarino é menor que a da água circundante. Para mergulhar o submarino enche
os seus tanques de lastro de água até que a densidade seja maior do que da água.
Como conseqüência o submarino entra na condição de flutuação negativa e começa a afundar. Os hidroplanos juntamente
com a hélice de propulsão, na popa, são utilizados para controlar o ângulo de
mergulho. (Os hidroplanos são
posicionados de forma a permitir que a água se mova debaixo da popa, fazendo-a
mover-se para cima, como resultado, o submarino desloca-se para baixo).
Para que o submarino mantenha
o nivelamento a certa profundidade, mantém o equilíbrio entre água e ar nos seus
tanques de lastro, para que a densidade seja igual à da água circundante
(condição de flutuação neutra).
Em flutuação neutra os
hidroplanos são ajustados de forma que o submarino se mantenha a profundidade e
movimentados para executar pequenas correções no nível. A água é injetada nos
tanques auxiliares de popa e proa para manter o submarino nivelado na
horizontal. O submarino pode de movimentar na água usando as hélices de propulsão
e leme da cauda para virar a estibordo (direita), a bombordo (esquerda); e os
hidroplanos para controlar o ângulo de proa a popa.
Para
emergir o ar comprimido flui dos tanques de ar para os tanques de lastro e a água
é forçada a sair, até que atinja a condição de flutuação positiva, isto é, a densidade do submarino seja inferior
que a da água em sua volta. Os hidroplanos são posicionados de forma que a água
se mova sobre a popa, forçando a parte traseira do submarino para baixo, assim
o submarino é apontado para cima.
