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Prof.Dr.Fuad Daher Saad coordenador
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Autores:
Prof. Dr. Fuad Daher Saad ( coordenador )
Instituto de Física da Universidade de São Paulo - IFUSP Prof. Paulo Yamamura
Universidade Estadual de São Paulo - UNESP Prof. Dr. José Henrique Vuolo – IFUSP
Prof. Dr. Jorge Roberto Pimentel - UNESP
Prof. Cláudio H. Furukawa - IFUSP Profa. Denise Gomes dos Reis - IFUSP
Colaboradores: Maria Aparecida de Oliveira Marques Paulo Roberto Santos Flores Cidemar Devanir Forcemo
Carlos Roberto Marques
Os equipamentos aqui apresentados foram elaborados na Oficina do Laboratório de
Demonstrações do Instituto de Física da USP.
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ÍNDICE EXPLORANDO FENÔMENOS DA PRESSÃO DO AR E DOS LÍQUIDOS 1 . Apresentação ..........................................................................................................07
Aprisionando o ar ......................................................................................................15 Desafiando a gravidade.............................................................................................16 Como funciona um canudo de refresco?...................................................................19 Uma pipeta simples....................................................................................................21 Desentupidor de pia....................................................................................................23 Placas de Pressão......................................................................................................24 A pressão atmosférica sobre um jornal aberto...........................................................26 Bebedouro de passarinho...........................................................................................28 A pressão e o escoamento da água...........................................................................30 Escoamento da água em duas situações...................................................................31 A pressão exercida pelos líquidos..............................................................................33 Estreitamento d um filete de água..............................................................................34 Explorando a pressão no interior dos líquidos............................................................36 Esmagando uma garrafa de plástico..........................................................................39 Inflando um balão de borracha sem assoprar............................................................41 Expansão dos gases..................................................................................................43 O frasco que engole uma bexiga................................................................................44 O colapso de uma latinha de refrigerante...................................................................46
Ludião.........................................................................................................................48
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ÍNDICE EXPLORANDO FENÔMENOS DA PRESSÃO DO AR E DOS LÍQUIDOS
Ovo mágico.................................................................................................................49 Massa de Modelar.......................................................................................................51 Azeitonas mergulhadoras...........................................................................................52
Equilibrando a gota no interior de um líquido.............................................................54 Sifão............................................................................................................................56 Vasos comunicantes...................................................................................................57 O funcionamento de um bule......................................................................................59 Chafariz simples..........................................................................................................60 Tornado.......................................................................................................................62 Medindo a pressão atmosférica..................................................................................63 Elevador hidráulico......................................................................................................65 Tensão superficial.......................................................................................................67 Placa revestida de parafina.........................................................................................68 Lâminas de barbear....................................................................................................69 Transbordando um copo d’água.................................................................................69 Formação de gota de óleo..........................................................................................70
Películas e bolhas de sabão.......................................................................................71 Diminuindo a tensão superficial da água....................................................................72 Os barquinhos que se movem sem combustível........................................................73 Confinando talco.........................................................................................................74 Assoprando-se uma bandeirola..................................................................................75
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ÍNDICE EXPLORANDO FENÔMENOS DA PRESSÃO DO AR E DOS LÍQUIDOS
O carretel e o cartão...................................................................................................76 Garrafas teimosas.......................................................................................................78 Borrifador caseiro........................................................................................................80 As esferas flutuantes...................................................................................................82 A ervilha equilibrista....................................................................................................84 Curiosidades para serem exploradas.........................................................................85 Bibliografia..................................................................................................................93
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APRESENTAÇÃO
REPENSANDO A AÇÃO DOCENTE. A educação formal, nos últimos séculos, perseguiu e ainda persegue, o chamado conhecimento – racional, axiomático e quantificável – de cada área do saber científico. Pouca atenção tem sido dedicada aos comportamentos tradicionalmente atribuídos às áreas afetivas dos estudantes. Observa-se que a “dimensão emocional” não tem merecido a atenção que muitos pesquisadores reconhecem como fundamental para a construção do conhecimento por parte do estudante. O desconhecimento por parcela considerável de nossos educadores da chamada inteligência emocional, como elemento integrante do comportamento inteligente, pode estar prejudicando o desempenho escolar criando, nos estudantes, uma verdadeira rejeição pelo conhecimento científico e aplicado. Focalizando, basicamente, os conteúdos e as metodologias subjacentes ao processo de planejamento/desenvolvimento de aulas, a ação docente tem deixado em segundo plano, os aspectos emocionais de cada estudante. Assim, o planejamento/execução das aulas tem voltado, basicamente, para os aspectos mensuráveis obviamente exigidos nas avaliações. Torna-se necessário aprofundar as investigações no campo do conhecimento afetivo, visando criar novos cenários capazes de interagir mais intimamente com o domínio emocional dos estudantes. Parece imperioso que estes novos cenários educacionais criem condições à transformação e transposição dos limites frios e áridos do ensino formal para se estimular o imaginário, o interesse e a procura dos significados, potencializando o estudante para aprender os conceitos formais das estruturas subjacentes das Ciências. Neste contexto, coloca-se o desafio da transformação da sala de aula, que na maioria das escolas ainda reproduzem os paradigmas que exigiam a
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formação em massa e em série, como numa linha de montagem de veículos, para ambientes mais favoráveis para o processo da “criação e desenvolvimento do conhecimento “, base de um paradigma educacional emergente. O desenvolvimento das chamadas potencialidades dos estudantes implica também, em levá-los da dimensão de espectadores passivos e armazenadores de informações –verdadeiros bancos de dados computacionais – para o de reconstrutor de parcela relevante do saber, com um novo papel no contexto educacional. Assim, ao lado das preocupações com o desenvolvimento cognitivo, urge privilegiar a dimensão emocional no ato educativo nas salas de aulas. CONHECIMENTO E INFORMAÇÃO Para muitos educadores, constitui um elemento útil, para o planejamento das ações docentes, refazer as leituras críticas sobre/e ou aprofundar os conceitos de CONHECIMENTO e de INFORMAÇÃO, conceitos estes, muitas vezes, considerados como sinônimos. “Conhecimento”, num sentido amplo, pode ser entendido como atributo geral que os seres vivos possuem no sentido de reagir ativamente ao mundo circundante, na medida da sua organização biológica e no sentido da sua sobrevivência. Também pode ser a apropriação do objeto pelo pensamento, como quer que se conceba esta apropriação: como definição, como percepção clara, apreensão completa, análise, etc. O “conhecimento” está intrinsecamente ligado à vida humana: é idéia, prática de vida, ou seja, um patrimônio de cada ser humano. “Informação” é constituída por elementos, dados, símbolos, coleção de fatos nos mais variados campos da criação humana, teorias, descrições, notícias, relatos escritos ou orais, etc e que se encontram disponíveis sob as mais variadas formas : na escrita ( livros, revistas, jornais, etc ),nos filmes, nos discos, nos disquetes, nos CD, na memória do computador, na Internet, etc.
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Um estudante que vive num mundo que se transforma continuamente não
pode ser considerado como “ um banco de dados “, mas sim como um indivíduo único, com uma característica impar: ser portador da capacidade de compreender e absorver “informações” para recriá-las como um novo “conhecimento”, embora não necessariamente inédito, mas que lhe permita melhor compreender e interagir com o mundo da Ciência e suas aplicações.
FUNÇÕES DA EDUCAÇÃO FORMAL Uma das funções da Educação Formal consiste na transformação em conhecimento, através das ações docentes planejadas, de parte das informações disponíveis em determinadas áreas do saber. Neste contexto é importante refletir sobre estas ações:
• Como situar, neste contexto, as informações/conteúdos - considerados relevantes - numa determinada disciplina e o estudante?
• Apenas os aspectos cognitivos e mensuráveis devem ser
enfocados? E os aspectos emocionais?
• Como organizar e disponibilizar os conteúdos para melhor atingir as importantes áreas afetivas visando potencializar o interesse dos estudantes?
• Como motivar os estudantes?
• Como ativar a “inteligência emocional” visando a
transformação de informações em conhecimentos?
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AULAS COM DEMONSTRAÇÕES A utilização de AULAS COM DEMONSTRAÇÕES em Ciências, com
ampla participação coletiva, tem-se mostrado constituir em importante ferramenta para despertar o interesse dos estudantes pelos fenômenos exibidos e pelos desafios em conhecer os respectivos “porquês”.
Investigações têm reforçado as já conhecidas constatações de que
“Demonstrações em Ciências”, isoladas ou articuladas, podem se constituir em cenários que priorizam aspectos emocionais dos estudantes, diferencialmente, potencializando-os para apreender conceitos formais/racionais ou axiomáticos das estruturas sofisticadas das Ciências.
As “Demonstrações em Ciências “ são um meio/ferramenta que
merece novas investigações e reflexões acerca de seu papel dentro do atual contexto educacional, em particular no do Ensino de Ciências e de Física, em suas múltiplas dimensões: professor -aluno- material instrucional demonstrativo – que constituem o cenário de ensino.
As “aulas com demonstrações” objetivam a transposição dos limites frios
atualmente delineados para o ensino formal, descritivo e axiomático, em direção a um novo cenário, rico em estímulo e fortemente interativo, capaz de atingir o emocional de cada estudante, dentro de um contexto coletivo/social. As observações iniciais têm indicado que os estudantes participantes deste cenário de ensino apresentam maiores interesses na busca de explicações e dos significados subjacentes aos fenômenos demonstrados. É importante destacar que uma “aula com demonstração” pode ter lugar na própria sala onde o professor ministra suas aulas normais. O professor deve ser capaz de intermediar os fenômenos, socialmente com os estudantes, e convidá-los à participação, explorando os aspectos inesperados e de magia , inerentes em muitas das demonstrações .
Vários são os cenários desejáveis no desenrolar de uma “aula com
demonstração”:
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• A participação e a interação social;
• A informação correta subjacente à “demonstração’;
• Os desafios/questionamentos inerentes;
• Os interesses despertados;
• A curiosidade aguçada
• Outros aspectos que a sensibilidade de cada professor possa agregar.
Estas expectativas poderão ou não ser satisfeitas, dependendo de alguns fatores básicos, tais como:
• A qualidade do apresentador – seu conhecimento do assunto, colocação e impostação da voz, familiaridade no manuseio experimental, postura simpática, vontade, etc.
• A escolha adequada dos aparatos de demonstração
• A preparação adequada da platéia para a “demonstração”;
• O ambiente;
• Outros detalhes, que cada docente, com o tempo, passará a prever em seus planejamentos.
Os principais elementos presentes nas “demonstrações” costumam ser, entre outros, os seguintes:
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• O inesperado;
• O curioso;
• O desafio a ser vencido;
• A quebra e/ou substituição de paradigmas;
• O artístico/estético;
• O inacreditável;
• O mágico/lúdico;
• O previsível.
Uma “aula com demonstrações” assim concebida e desenvolvida, visa superar a concepção atual do estudante como um banco de dados e o professor como um provedor de informações ( estas aliás, existem à disposição nas mais variadas fontes). Assim, além de ensinar Ciências a aula visa “preparar o emocional de cada estudante para o aprender”, ajustando o aluno para um novo paradigma da educação: a educação e a aprendizagem continuas.
O CATÁLOGO DE DEMONSTRAÇÕES. A nossa experiência acumulada no campo do Ensino de Ciências nos animou a projetar esta obra. Trata-se de uma proposta, mas fundamentada na experiência. Ela não esgota o assunto, mas apenas propõe algumas
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alternativas. Por isso, pretende-se dar continuidade à proposta, com novas publicações que necessariamente refletirão as críticas recolhidas e as necessárias ampliações, após a presente publicação. Esta versão apresenta um conjunto de demonstrações com as seguintes características:
• Facilidade de reprodução;
• Material de confecção de fácil obtenção;
• Descrição, explicação e maneiras de explorar a demonstração;
• Não necessidade de ambientes especiais para execução.
• Abrangência de fenômenos de Ciências Físicas;
• Apropriadas para interação direta dos estudantes;
• Possibilidades dos próprios alunos desenvolverem os equipamentos;
Investigações indicam que a realização de atividades experimentais se torna mais motivadoras/emocionantes quando os próprios estudantes participam da construção de seus equipamentos para poderem explorar fenômenos estudados. A realização de experimentos geralmente desperta nos estudantes um maior interesse pelo estudo de Ciências. É importante associar o “saber fazer” com o “explorar/compreender” os fenômenos ou princípios científicos que cercam nossos estudantes.
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O despertar de nossos estudantes para o maravilhoso mundo da Ciência e suas aplicações é uma emocionante aventura que pode principiar-se com o envolvimento dos estudantes em singelas atividades manipulativas as quais poderão despertar seus interesses para melhor compreender o “porquê” das coisas; abrir seus horizontes e levá-las a observar, questionar, criticar, entender, enfim, conduzi-las para a criação de hábitos sadios de estudos, disciplina, além de, respeito pela preservação do nosso meio ambiente, por intermédio de uma postura crítica e participativa.
Você está convidado, para enfrentar os desafios que representam o
enriquecimento das áridas aulas de Ciências baseadas, na maioria das vezes, apenas nas aulas expositivas, introduzindo interessantes atividades experimentais. Dê condições para que seus estudantes possam auxiliá-lo na construção de um pequeno laboratório em sua Escola. Um laboratório que seja uma autêntica Sala de Atividades de Ciências, trazendo para a mesma, materiais descartáveis que poderão ser transformados em ricos equipamentos experimentais.
Você verá como é importante poder criar condições que permitam o
despertar de nossa juventude para o alargamento de seus horizontes, por meio de atividades exploratórias de parte dos fenômenos que nos cercam. Você descobrirá que estamos imersos num imenso Laboratório, sem paredes e sem fronteiras, e que vale a pena explorá-lo. Não estaremos apenas construindo aparelhos ou explorando fenômenos. Muito mais que isso. Estaremos, criando condições para que nossas crianças possam desenvolver suas potencialidades, tornando-se num futuro cidadão/profissional, bem formado e motivado, qualidades profissionais que a Nação tanto necessita.
Prof. Dr. Fuad Daher Saad
Coodenador
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APRISIONANDO O AR
Emborca-se totalmente um copo vazio dentro de uma vasilha contendo água.
A água ocupará toda a parte interna do copo?
O QUE ACONTECE ?
A água tende a ocupar todo o espaço interno do copo. Como o ar também é matéria (apesar de invisível), ele não permite que isto ocorra (dois corpos não podem ocupar o mesmo espaço ao mesmo tempo!). No processo, o ar é comprimido e as moléculas dos gases que o compõem, ocupam um volume menor. O ar dentro do copo fica
numa pressão maior do que a do ar atmosférico e com volume menor do que o inicial. Com a diminuição do volume interno, o empuxo exercido pela água sobre o copo diminui.
Emborcando-se o copo totalmente na água, tomando-se cuidado para que o ar não escape, observa-se que a água não ocupa totalmente a parte interna do copo.
Se o copo for solto, verifica-se
que ele será lançado para cima.
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Soltando o copo (a mão deixa de exercer força sobre o copo), o ar internamente aprisionado se expande. O aumento de volume do ar provoca aumento no empuxo exercido pela água e o copo sobe. O copo é empurrado para cima pela força de empuxo exercida pelo líquido. O QUE EXPLORAR ? • Forças de pressão e empuxo
• A pressão do ar dentro de um recipiente fechado
• A pressão do ar atmosférico
DESAFIANDO A GRAVIDADE
Material: copo contendo água, preferencialmente colorida (para melhor visualização) e um pedaço de papel sulfite .
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Procedimento: pressiona-se com a palma da mão o papel em cima da boca do copo; mantendo o papel pressionado vira-se o copo de boca para baixo. Em seguida, cuidadosamente, retira-se a mão, soltando o papel.
Diminua a quantidade de água no interior do copo e refaça a experiência. O QUE OCORRE ?
O papel fica “preso” à boca do copo”, não deixando a água cair, desafiando a
gravidade !
O QUE ACONTECE ?
1- Uma vez que o copo não está completamente cheio de água, deve-se notar que
seu volume é igual ao volume de água + volume de ar existente do nível da água até a boca do copo.
2- Quando o papel é pressionado pela palma da mão contra a boca do copo, um
pouco desse ar é expulso. Isto faz com que o volume efetivo do ar entre o nível da água e a folha de papel diminua.
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3- Quando o copo é virado, o ar sobe , passando a ocupar todo o volume existente entre o nível da água e o fundo do copo. Nesse processo, o ar sofre uma expansão e a sua pressão diminui, porque um pouco de água sempre escapa e o papel desce um pouco. Dentro do copo a pressão fica menor do que a pressão exterior.
4- Se apenas 1% do ar for expulso pelo papel no início da operação, a pressão final do
ar (após o copo ser virado) será diminuída de cerca de 100 mmH2O ( cerca de 0,01Patm). 5- No equilíbrio, a pressão da coluna de água dentro do copo mais a pressão do ar no
topo do copo emborcado será igual a pressão do ar fora do copo e que atua na parte externa do papel, ou seja,:
Patm = Par no topo do copo + Pcoluna de água dentro do copo
O QUE EXPLORAR ? • A pressão atmosférica
• Diferença de pressão e forças
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COMO FUNCIONA O CANUDO DE REFRESCO ?
Um canudo de refresco permite tomar com comodidade, um
refrigerante.
Porque o líquido sobe no interior do canudinho ? O QUE ACONTECE?
Um fluido – líquido ou gás – movimenta-se sob “diferença de pressão” ou sob ação gravitacional.
Quando se toma refrigerante usando um canudinho, o líquido sobe –
deslocando-se, em sentido oposto ao da ação gravitacional. Dessa forma, é necessário que exista uma “diferença de pressão” de baixo para cima, suficiente para empurrar o líquido canudo acima.
Mais exatamente, a pressão no ponto C indicado na figura, deve ser
maior que a pressão no ponto A mais a pressão devido à coluna H de líquido no canudo.
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Se a coluna H estiver em equilíbrio a pressão em C será a soma da pressão em A mais a pressão devida à coluna de líquido isto é::
PC = PA + Pliq Diminuindo-se a pressão PA ocorre um desequilíbrio na equação acima. Para
compensá-lo, a pressão do líquido tende a aumentar, fazendo com que o líquido se desloque canudinho acima.
A pressão PA é diminuída quando se succiona o ar que fica no topo do canudinho: o
ar fica rarefeito e a respectiva pressão diminui. A pressão em C é constituída da pressão atmosférica Patm em B mais
a pressão devida à coluna H de líquido na garrafa considerada desde a superfície B até a ponta C do canudinho.
Se a garrafa estiver cheia, a pressão da coluna H do líquido dentro do
vasilhame será maior e a sucção do líquido fica mais fácil.
O QUE EXPLORAR ? • Diferença de pressão e movimento de fluído
• Vácuo ou diminuição de pressão: retirada do ar de um recipiente.
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PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DE UMA PIPETA
Um canudo de refresco permite ilustrar o princípio de funcionamento de uma pipeta: tubo de vidro ou de plástico graduado usado como um medidor de pequenos volumes de líquidos.
Mergulha-se o canudo no interior da água contida num recipiente. Tapa-se
com o dedo a extremidade do canudo.
Uma coluna de água é retida dentro do canudo.
Abrindo-se e fechando-se, repetidamente, a extremidade
superior do canudo, pode-se controlar a vazão da água.
Este é o princípio de funcionamento de uma pipeta.
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O QUE ACONTECE ?
A pressão externa é a pressão atmosférica Patm. Com a parte superior do tubo fechada, o equilíbrio das pressões é:
Par + Plíq = Patm
onde Par é a pressão do ar aprisionado, e a Plíq é a pressão da coluna de água.
Ao se abrir a parte superior do canudo, o ar do ambiente penetra aumentando a pressão do ar aprisionado (Par ) e tornando-a igual à pressão atmosférica. Dessa maneira, o equilíbrio da equação é desfeito e o líquido começa a escoar devido à pressão da coluna líquida.
O QUE EXPLORAR ? • Equilíbrio de pressões
• Pressão de coluna de líquido.
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DESENTUPIDOR DE PIA
Um objeto comum em algumas casas é o desentupidor de pia.
Pode-se mantê-lo grudado, conforme o esquema, após tê-lo forçado contra uma parede lisa.
O QUE ACONTECE ?
Pressionando-se o desentupidor contra uma parede lisa, uma parcela considerável do ar existente entre a parede e o interior do desentupidor é expelida.
Impelido pela força elástica restauradora, o desentupidor tende a voltar para a sua forma normal. Isto provoca a expansão do ar aprisionado pela deformação do desentupidor. A expansão diminui a pressão interna do desentupidor tornando-a menor que a pressão atmosférica.
Desta forma, cria-se uma diferença de pressão, ∆P = Patm - Par que atua no sentido de impedir a restauração da forma original do desentupidor. Devido a esta diferença de pressão surge uma força que pressiona o desentupidor contra a parede.
O desentupidor é usado para desobstruir eventuais entupimentos, por exemplo, nos ralos e pias. Empurrando e puxando seu cabo provocam-se sucessivos aumentos e
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diminuições da pressão no encanamento. Essas variações de pressão transmitidas integralmente, ao longo do líquido contido no encanamento – Princípio de Pascal – o que permite mover eventuais detritos que estejam obstruindo o cano. O QUE EXPLORAR ? • Pressão atmosférica
• Força e diferença de pressão
• Princípio de Pascal
PLACAS DE PRESSÃO
A s placas são construídas de plástico bem liso e plano com cerca de 2mm de espessura, na forma de disco (30 cm de diâmetro ) ou quadrado ( 20 cm de lado).
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Um puxador de plástico ou madeira de 3 cm de diâmetro e 2 cm de altura é colado bem no centro das placas usando cola epóxi rápida. Para fixar bem os puxadores, as regiões que levam cola devem ser riscadas profundamente com muitos riscos cruzados. Opcionalmente pode-se acrescentar um cordão forte aos puxadores.
Para utilizá-las comprime-se uma placa contra uma mesa lisa tal como (vidro ou fórmica ) e, em seguida, tenta-se levantar a placa pelo puxador. Tendo duas placas pode-se comprimi-las uma contra a outra e, em seguida tentar separá-las pelos puxadores.
O QUE ACONTECE ? Se as superfícies em contacto são bem lisas e planas, fica praticamente impossível separá-las puxando uma placa pelo puxador.
O QUE OCORRE? Basicamente é a pressão atmosférica Patm que segura a placa. Quando se puxa a placa com uma força Fext , por ser flexível ela se deforma um pouco ( a figura mostra,
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de forma exagerada, este efeito ) criando uma região de baixa pressão entre as superfícies de contato. A diferença de pressão (Patm – Par ) dá origem a uma força de pressão Fp que mantém a placa presa. Quanto maior a força externa Fext , menor a pressão devido ao ar aprisionado e maior a força Fp , até certo limite. A pressão atmosférica é da ordem de 10 N / cm2 . Portanto, a força atmosférica sobre uma placa de 20 cm x 20 cm = 400 cm2 é da ordem de 4000 N.
Como 10 N corresponde aproximadamente ao peso de uma massa de 1 kg, vê-se que a força atmosférica sobre a placa equivale ao peso de uma massa de 400 kg!
Isto significa que se as superfícies estivessem perfeitamente unidas, a força
necessária para separá-las seria equivalente ao peso de uma massa com 400 kg. O QUE EXPLORAR?
• Força da pressão atmosférica.
o Gases a baixa pressão
Escoamento do ar entre superfícies lisas
A PRESSÃO ATMOSFÉRICA SOBRE UM JORNAL
Colocam-se cerca de 5 folhas de jornal em cima do tampo de uma mesa, fazendo coincidir a beirada do tampo com as das folhas do jornal.
Entre as folhas e o tampo da mesa, coloca-se uma ripa fina de madeira (semelhante a
uma régua), deixando para fora aproximadamente, metade do comprimento de ripa.
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Aplicando-se um golpe seco na ripa de madeira, verifica-se que ela se romperá.
O QUE ACONTECE ?
Inicialmente tanto o ar aprisionado em baixo do jornal quanto o ar na parte de cima estão à pressão atmosférica.
Quando se bate na ripa de madeira, o jornal e a ripa levantam um pouco da mesa e a
pressão do ar debaixo do jornal diminui criando uma diferença de pressão. Essa diferença de pressão atuando no jornal, aplica uma força dirigida para baixo, sobre a ripa, prendendo-a sobre a mesa.
Como a espessura da ripa é fina, parte da força externa aplicada é suficiente para
romper suas ligações moleculares na região que está em contato com a borda da mesa e a ripa se parte.
O QUE EXPLORAR ? • Pressão como concentração de força numa área : P = F/A
• Determinação da força a partir da pressão e da área.
• Determinação da força devido à pressão atmosférica
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BEBEDOURO DE PASSARINHO Uma aplicação interessante da ação da pressão atmosférica pode ser feita construindo-se um bebedouro de passarinho. Uma garrafa de plástico cheia de água é emborcada num recipiente com água. A linha d’água no interior da garrafa desce e para, estabelecendo um desnível entre as duas superfícies da água: a do interior da garrafa e a do recipiente. Conforme o nível externo abaixa e chega na altura da boca da garrafa, uma bolha de ar penetra na garrafa e o nível interno abaixa, aumentando o nível externo.
Num bebedouro de água para pássaros, tem-se a mesma situação do exemplo anterior.
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O QUE ACONTECE ?
A pressão Par da massa de ar aprisionada dentro da garrafa, acrescida da pressão da coluna H de água (PH ) equilibra a pressão atmosférica (Patm ) exercida na superfície externa do líquido:
Par + PH = Patm
Quando um pouco de água é consumido, a coluna H aumenta e a pressão do ar
diminui. Mas se o nível externo estiver na altura do orifício, um pouco de ar penetra na garrafa (bolhas) aumentando o volume de ar e conseqüentemente, sua pressão. Portanto, conforme a água vai sendo consumida PH diminui e Par aumenta de forma a manter o equilíbrio na equação.
O QUE EXPLORAR ?
• Equilíbrio de pressões
• Pressão de uma massa de ar aprisionada num volume
• Pressão atmosférica
• Pressão de uma coluna de água.
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A PRESSÃO E O ESCOAMENTO DA ÁGUA
A garrafa de plástico fechada e cheia de água, tem um buraco B.
A água não escoa. A tampa é retirada. A água jorra pelo orifício.
O QUE ACONTECE ? Com a garrafa destapada, o ar no seu interior está em contato com o ambiente. Assim, a pressão que atua na superfície interna da água é a pressão atmosférica ( Patm )
No orifício, por onde a água jorra, a pressão também é a pressão atmosférica.
Uma vez que não há
diferença de pressão do ar entre o orifício e a linha d’água, a água jorra sob a pressão da coluna H da água.
Tampando-se firmemente a garrafa, a vazão da água vai diminuindo até não jorrar mais líquido pelo orifício B.
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A pressão do ar aprisionado (Par )dentro da garrafa vai diminuindo porque seu volume aumenta enquanto o nível da água desce até que:
Par + PH = Patm onde PH é a pressão devido à coluna de líquido. Havendo equilíbrio a água deixa de escoar. O QUE EXPLORAR ? • Pressão de uma coluna de líquido
• Equilíbrio de pressões
• Controle de fluxo de água
• Pressão e escoamento de líquidos.
ESCOAMENTO DE AGUA : DUAS SITUAÇÕES
CURIOSAS.
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Na garrafa são feitos dois orifícios no mesmo nível.
Com a boca da garrafa totalmente tampada, a água não escoa pelos orifícios. Retirando-se a tampa, a água começa a jorrar pelos 2 orifícios.
Uma outra situação curiosa é aquela em que os dois orifícios estão desnivelados. Tampando-se a boca da garrafa , a água jorra apenas pelo orifício inferior O QUE ACONTECE?
1. No orifício superior a pressão atmosférica equilibra a pressão exercida pelo ar existente na parte superior da garrafa mais a exercida pela coluna do líquido até o orifício (exemplo anterior) e a água não escoa.
2. No orifício inferior a pressão atmosférica nele exercida é superada pela pressão
atmosférica exercida no orifício superior mais a pressão exercida pela coluna do líquido existente entre os dois orifícios.
3. Conforme o líquido escoa, bolhas de ar penetram pelo orifício superior porque
a diminuição da coluna de líquido deve ser compensada com aumento da pressão do ar.
O QUE EXPLORAR ? • Pressão de líquidos
• Pressão atmosférica
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• Equilíbrio de pressões. A
PRESSÃO EXERCIDA PELOS LÍQUIDOS.
Uma maneira de observar a pressão exercida por uma “coluna de líquido” é efetuar orifícios numa garrafa plástica de 2 litros ( como as de refrigerante) e enchê-la de água. No orifício superior a água jorra com menos velocidade do que no orifício inferior, com a garrafa estando aberta.
O QUE ACONTECE ? Um líquido exerce pressão devido à gravidade, isto é, devido ao seu próprio peso. Para se determinar a pressão de um líquido, basta dividir o peso da coluna de líquido pela área da base do recipiente: Pressão da coluna de líquido = (peso)/(área) = d.g.H.S/S = dgH. onde dgHS = peso da coluna de líquido de densidade d e S a área da base da coluna. A pressão exercida por uma coluna de líquido depende: da altura de sua “coluna H “ , da aceleração da gravidade g e da sua densidade do líquido d. Então a água jorra com maior velocidade do furo inferior porque neste a coluna H é maior que no furo superior, e portanto, a pressão exercida pelo líquido é maior.
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O QUE EXPLORAR ? • Pressão de uma coluna de líquido
• Pressão e densidade
• Pressão e movimento de líquido
Obs. Quando o orifício superior estiver, à uma altura que corresponda a metade da altura H,
o alcance da água que jorra será máximo.
EXTREITAMENTO DE UM FILETE DE ÁGUA
Um pedaço de cerca de 5 cm de canudo grosso de refrigerante
é firmemente adaptado no fundo de uma garrafa de plástico.
Enchendo-se a garrafa, a vazão de água pelo canudo pode ser controlada por meio da tampa da garrafa de forma a obter um filete de água bem definido, escoando suavemente.
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O QUE ACONTECE ?
O filete de água logo ao sair do canudo tem o diâmetro igual ao diâmetro interno do canudo que é cerca de 6mm. Logo abaixo, o filete vai se estreitando mais e mais até se desmanchar em gotículas e turbulência.
Por que o filete de água se afina nos pontos mais baixos?
O QUE OCORRE? Como qualquer corpo em queda livre, a velocidade da água aumenta durante a queda, após sair com velocidade muito baixa do canudo. No filete de água, a velocidade VB num ponto B é maior que a velocidade VA num ponto A que esteja acima. Devido aa conservação da massa a vazão de água (medida por exemplo em cm3/s) é sempre a mesma ao longo do filete. Uma vez que a vazão é o produto da velocidade V pela área transversal S do filete a conservação da massa em dois pontos A e B exige que:
VA SA = VBSB Portanto, se a velocidade num ponto for maior do que em outro ( por exemplo, VB >VA ), sua área transversal deverá ser menor (SB < SA ). É por isso que o filete de água se estreita durante a queda.
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O QUE EXPLORAR ?
• Controle de fluxo de água
• Velocidade na queda livre
• Variação da velocidade da água de um rio, conforme se estreita ou se alarga.
EXPLORANDO A PRESSÃO NO INTERIOR DE LÍQUIDOS
Utilizando-se um, dispositivo de fácil construção, é possível explorar a pressão existente no interior de um líquido. Uma bexiga é presa num funil de modo a se ter uma membrana na boca do funil.
Um tubo ou mangueira fina transparente de plástico em forma de um “U” é montada num suporte de madeira. Coloca-se água colorida no interior do tubo, conforme a ilustração. Uma outra mangueira fina é adaptada na extremidade do tubo em U e ao funil. Como geralmente acontece um desnível entre as colunas de água, deixe entrar ar
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pelo funil, retirando, momentaneamente a bexiga.
Alternadamente, pressione e puxe levemente a película da bexiga colocada na boca do funil.
Observe o que ocorre com a coluna de água. Em que direção se dá o
desnível de água?
Encha um recipiente com água e explore a pressão no seu interior, deslocando o dispositivo em diversas profundidades e ao longo de uma mesma linha horizontal. Observe o que ocorre com o desnível entre as colunas de água colorida.
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O QUE ACONTECE ?
O funcionamento desse dispositivo que é um medidor de pressão rudimentar, se fundamenta no Princípio de Pascal o qual estabelece :
“Todo o acréscimo de pressão aplicado a um líquido ou gás é
transmitido igualmente a todos os pontos desse líquido ou gás”. Assim os acréscimos de pressão imprimidos à película de borracha são transmitidos
pelo ar no interior do tubo de plástico e deste para as colunas de água, até que ocorra o desnível entre as superfícies da água nas duas colunas.
A pressão no interior de um líquido depende, além da profundidade ou “altura da
coluna” de líquido, também e da pressão externa aplicada à superfície do líquido. Num ponto A, a pressão existente é a pressão devida a coluna mais a pressão externa, isto é:
Ptotal = Pcoluna + Pext
Onde a pressão da coluna de líquido ou pressão manométrica é dada por: Pcoluna= dgh
• d= densidade do líquido • g = aceleração da gravidade • h = altura/ profundidade da coluna de líquido
Se o tubo está aberto para a atmosfera, a pressão externa é a pressão atmosférica e a pressão total é:
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Ptotal = Patm + dgh
Patm = pressão atmosférica no local.
ESMAGANDO UMA GARRAFA DE PLÁSTICO
Água Quente Coloca-se um pouco de água bem quente dentro de uma garrafa de plástico, com cerca de 1,5 litros de volume. Aguarda-se alguns instantes e em seguida, joga-se a água, e imediatamente, fecha-se bem a garrafa.
Despeje sobre a garrafa um copo de água da torneira e observe o que ocorre....
A garrafa é esmagada por “forças” que parecem agir, de fora para dentro, em todos os seus pontos!
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O QUE ACONTECE ? Ao se fechar a garrafa, aprisiona-se dentro dela um pouco de ar e bastante vapor d’água à uma temperatura maior que aquela do ar atmosférico.
Em contato com o plástico que está sendo resfriado por água da torneira, quase todo
vapor de água se condensa ( isto é, se liquefaz no plástico frio). Além disso, a temperatura da mistura ar e vapor de água remanescente diminuem.
Ambos os efeitos, condensação do vapor e diminuição da temperatura contribuem para uma grande diminuição de pressão no interior da garrafa, que se torna bem menor que a da atmosfera.
Surge, então uma diferença de pressão: a pressão atmosférica (de fora para dentro)
se torna bem maior que a pressão da massa gasosa, que atua de dentro para fora, sobre as superfícies de plástico.
São as forças associadas à “diferença de pressão” – de fora para dentro – que esmagam a garrafa ! O QUE EXPLORAR ?
• Pressão e temperatura de uma massa gasosa a volume constante
• Condensação de vapor de água
• Aumento da Pressão com a temperatura: aquecer a garrafa esmagada.
• Forças e Diferença de pressão
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INFLANDO UM BALÃO DE BORRACHA SEM ASSOPRAR
Uma bexiga vazia pode vedar uma garrafa de plástico? Coloca-se um pouco de água bem quente numa garrafa de vidro. Em seguida, joga-se fora água utilizada.
CUIDADO: Jogando água fervendo diretamente na garrafa ela pode quebrar. Para evitar que isto aconteça, deve-se antes, jogar um pouco de água não tão quente para fazer preaquecimento e, somente após isto, colocar água bem quente.
Imediatamente, adapta-se uma bexiga na boca da garrafa de modo a vedar perfeitamente o interior da garrafa. Observa-se o balão inflar sem que se assopre pelo tubo!
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O QUE ACONTECE ? A bexiga aprisiona dentro da garrafa, uma massa gasosa ( ar/vapor) cuja temperatura é bem superior à do ar ambiente. No momento do aprisionamento, a pressão da massa gasosa é praticamente igual ao da atmosfera, com a qual estava em contato. O sistema – garrafa e massa gasosa – vai perdendo calor para o meio ambiente e a sua temperatura diminui. Ocorre condensação do vapor de água existente no interior da garrafa e diminuição do volume, do gás remanescente devido à diminuição da temperatura. Ambos os efeitos contribuem para uma grande redução na pressão interna. A pressão da massa gasosa aprisionada, torna-se bem menor que a atmosférica. Como o ar da atmosfera está em contato com o interior do balão de borracha, a pressão do ar na parte de dentro do balão é igual a atmosférica e na parte de fora, é igual à pressão da massa gasosa existente na garrafa ( que é menor que a atmosférica). Desta forma, cria-se, uma diferença de pressão que faz com que o balão se infle. O QUE EXPLORAR ?
• Pressão atmosférica e pressão de uma massa gasosa aprisionada.
• Diferença de pressão e as forças associadas.
• Condensação do vapor de água e diminuição do número de moléculas na mistura gasosa.
• Diminuição da pressão com diminuição do número molar n ( pV = nRT ).
• Diminuição da pressão com temperatura, a volume constante (pV =
nRT ).
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EXPANSÃO DOS GASES
Coloca-se uma bexiga vedando uma garrafa de plástico ou vidro. Colocando-se a garrafa, em equilíbrio térmico com água quente, a bexiga infla.
O QUE ACONTECE ?
A garrafa em contato com a água quente se aquece e transfere calor para seu interior, aquecendo o ar aprisionado. A temperatura do ar aumenta e ele, se expande, inflando a bexiga.
O QUE EXPLORAR ?
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• Transferência de calor
• Variação de pressão no interior de recipientes fechados.
O FRASCO QUE ENGOLE UMA BEXIGA INFLADA.
Despeja-se um pouco de água quente no interior de um frasco de vidro que possua boca larga como os usados em embalagens de palmito ou maionese.
Em seguida, SEM FECHAR O VIDRO, balance a água no interior do vidro, para aquecê-lo. (Cuidado: agitar o vidro fechado com água muito quente é perigoso). Esvazia-se o recipiente e coloca-se a bexiga vedando bem a boca. Após instantes parte da bexiga é sugada para dentro do frasco!
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O QUE OCORRE? Dentro do vidro fica uma mistura aquecida de ar e vapor de água. Quando a bexiga cheia veda o frasco e ele se resfria, o ar em seu interior também diminui de temperatura, contraindo de volume e diminuindo a pressão. Além disso, boa parte do vapor de água se condensa, sendo essa a principal causa da diminuição da pressão interna. Esses dois fenômenos contribuem para a diminuição da pressão no interior do vidro. Uma pressão menor dentro do vidro , faz com que a pressão, na parte externa da bexiga que veda o frasco, seja maior que na parte interior e “força” esta parte para dentro do frasco, até que as pressões se igualem. O QUE EXPLORAR ?
• Variação de pressão com temperatura ( pV = nRT ) o Expansão e contração de massa gasosa
Condensação de vapor d’água e diminuição do nº de moléculas na
mistura gasosa.
• Diminuição da pressão p com a diminuição do número molar n (pV = nRT).
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O COLAPSO DE UMA LATINHA DE REFRIGERANTE.
Uma demonstração muito interessante, pode ser feita facilmente para ilustrar a ação da pressão atmosférica sobre um corpo.
Põem-se um pouco de água numa latinha de refrigerante e leva-se coloca-a ao fogo, até a água ferver. Após praticamente toda a água evaporar, pegue a latinha, com luva própria (destas usadas na cozinha) e afunde-a rapidamente, num recipiente contendo água, com a “boca”, voltada para baixo. Observe o resultado. O QUE ACONTECE ?
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Com o aquecimento e a fervura da água cria-se bastante vapor d’água, de forma que, no interior da latinha, tem-se vapor d’água e muito pouco ar. Ao se emborcar a latinha, ela , em contato com água, terá a sua temperatura diminuída e ocorrerá o seguinte:
• o vapor d’água se condensa na lata esfriada ( formando gotículas de água ), diminuindo
a pressão no interior da latinha; ( cada molécula de água na forma de vapor ocupa um volume cerca de mil vezes maior do que na forma líquida).
• o ar existente no interior da latinha esfria, causando também, uma diminuição da
pressão interna.
• Cria-se, então, uma enorme diferença de pressão
: no interior a pressão fica bem menor que no exterior da latinha onde atua pressão atmosférica local.
• A abertura da latinha, sendo pequena, não permite que a água entre muito rápido. Isto é, o esmagamento devido à diferença de pressão ocorre mais rápido, que a entrada de quantidade significativa de água.
Essa diferença de pressão gera uma força na superfície da latinha que a amassa quase que instantaneamente. Mesmo assim, uma boa quantidade de água penetra na latinha.
É importante salientar que se a boca da latinha estivesse mais obstruída ( por
exemplo, colocando um toquinho de madeira ou um chumaço feito com saquinho plástico), entraria menos água e o esmagamento da latinha seria mais rápido e violento.
( Cuidado: nunca obstrua completamente a boca da latinha ao colocá-la no
fogo). O QUE EXPLORAR?
• A expansão ou contração dos gases em função do aumento ou diminuição da temperatura.
• O efeito da diferença de pressão sobre os corpos.
• Forças oriundas da diferença de pressão.
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• Condensação do vapor de água e diminuição do número de moléculas na mistura gasosa.
• Diminuição da pressão com diminuição do número molar n ( pV = nRT)
L U
D I Ã O
Encha uma garrafa de plástico (como as de refrigerantes) com água. Coloque um pouco de água numa ampola (destas de injeção) até que ela flutue, na posição vertical, num copo com água, mas quase no ponto de afundar. Tire a ampola do copo e emborque-a na garrafa. Vede firmemente a garrafa com sua tampa original, aperte e solte sucessivamente o corpo da garrafa, e veja o que acontece.
O QUE ACONTECE ? Ao se apertar a garrafa plástica sua parede deforma-se e produz-se um acréscimo de pressão que se transmite –
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integralmente – para todos os pontos da água ( Princípio de Pascal).
Este acréscimo de pressão se transmite para a “boca” da ampola e como ela é aberta, a água da garrafa penetra no seu interior, misturando-se à água que já está dentro da ampola e comprimindo o ar lá existente. Assim, a massa da ampola + água + ar aumenta e sua densidade média torna-se maior que a da água. Em conseqüência, o empuxo sobre a ampola diminui e ela afunda.
Desapertando a garrafa, a parede retorna ao formato original, a pressão na ampola diminui e o ar interior expande-se. Ao fazê-lo, expulsa o excesso de água do interior da ampola. Nesse processo, pode acontecer que, a densidade da ampola diminua tornando-se menor que a da água. Ocorrendo isto, o empuxo sobre a ampola aumenta e, ela sobe até a superfície. Se a densidade da ampola ficar igual à da água, o empuxo será nulo e ela permanecerá parada em qualquer ponto da garrafa.
Portanto a ampola afunda, pára ou sobe, conforme a pressão
aplicada. O QUE EXPLORAR ?
• O empuxo.
• A Lei de Arquimedes da flutuação de corpos em líquidos.
• O princípio de funcionamento de submarino.
DENSIDADE : O OVO MÁGICO.
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Um ovo é colocado num copo contendo água comum e afunda .
A medida que se coloca sal na água, o ovo começa a emergir até boiar
O QUE ACONTECE ? O ovo afunda em água comum da torneira. Assim a sua densidade é maior que a da água que é, aproximadamente, 1 g/cm3 . Ao se colocar sal na água, a solução salina torna-se cada vez mais densa e pode atingir um valor maior que a do ovo. Quando isto ocorrer, o ovo sobe – pois o empuxo da água sobre o ovo torna-se maior que o peso próprio do ovo. A densidade da água do mar é maior que a da água doce. Corpos de densidade um pouco maior que 1 g/cm3, que afundam em água doce, podem flutuar em água do mar. O mar que possui água salgada de maior densidade é o Mar Morto existente no Oriente Médio. No Mar Morto, uma pessoa não afunda, pois a densidade de sua água é maior que a densidade do corpo humano.
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O QUE EXPLORAR?
• Densidade dos corpos
• Empuxo dos líquidos sobre os corpos imersos
• Lei de Arquimedes
• Princípio das viagens com balões de ar quente
• A flutuação dos navios.
DENSIDADE : MASSA DE MODELAR. Coloque uma esfera de massa de modelar no interior de um recipiente contendo água. Observe que a massa afunda.
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Em seguida, mude o formato da esfera, fazendo um pequeno barco. Observe que ele passa a flutuar na água. O QUE ACONTECE ?
• A massa de modelar no formato de esfera afunda porque tem densidade (d = m/v ) maior do que a da água.
• Quando a massa de modelar toma o formato de um barco, seu volume é maior do
que a esfera. Em conseqüência, a densidade do barco de massa de modelar ( d=m/V) fica menor do que a água e o barco flutua.
O QUE EXPLORAR?
• A flutuação dos corpos.
AZEITONAS “MERGULHADORAS”
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Coloque algumas “azeitonas” e solte-as num copo com refrigerante
Você verá que elas afundam e, em seguida, sobem e mergulham novamente.
E repetem o fenômeno por diversas vezes. O QUE ACONTECE ?
Os refrigerantes contém apreciável quantidade de gás carbônico ( CO2 ) dissolvido no líquido sob pressão.
Algumas bolhas de CO2 que se formam aderem à superfície da azeitona fazendo
com que a densidade do conjunto ( azeitona + bolhas de CO2 ) se torne menor do que a do refrigerante. Em conseqüência, a azeitona sobe.
Enquanto o conjunto está subindo, a pressão hidrostática diminui e as bolhas de CO2
expandem-se. Quando a azeitona atinge a superfície do refrigerante, parte das bolhas podem estourar ou mesmo desprender-se da azeitona.
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Em conseqüência, a densidade da azeitona, torna-se maior que a do refrigerante e ela afunda. O processo se repete até que, a quantidade de CO2 do refrigerante diminua de forma que a quantidade de bolhas formadas não seja suficiente para fazer a azeitona subir.
O QUE EXPLORAR ?
• Densidade de um corpo homogêneo
• Densidade de um corpo heterogêneo
• Diferença entre densidade de uma substância pura e de um corpo.
• Lei de Arquimedes e a flutuação dos corpos.
EQUILIBRANDO UMA GOTA DE ÓLEO ENTRE ÁGUA E ÁLCOOL.
Coloca-se água num copo de vidro bem transparente até a metade do mesmo. Com a maior delicadeza possível acrescenta-se álcool ao copo até quase enchê-lo.
Usando um canudo de refresco como uma pipeta, introduz-se uma gota de óleo comestível no interior da mistura.
Observa-se a formação de uma linda esfera de óleo; que fica equilibrada no meio do copo.
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O QUE ACONTECE ? Os valores aproximados das densidades dos líquidos envolvidos são :
• Água : 1 g/cm3
• Álcool : 0,8 g/cm3
• Óleo : 0,9 g/cm3
Quando se coloca álcool delicadamente no copo, o álcool de menor densidade fica na
parte superior do copo. Somente na região intermediária forma-se uma mistura de álcool e água. A gota de óleo afunda no álcool porque tem menor densidade que ele, mas flutua na água porque sua densidade é maior que a da água. Assim, a gota fica em equilíbrio na região intermediária.
A gota de óleo toma a forma esférica devido às forças de sua tensão superficial atuantes e ao fato do óleo não ser miscível nem em água nem no álcool. Posteriormente pode-se misturar bem o álcool com a água e investigar o que ocorre. Se a gota flutuar pode-se acrescentar álcool à mistura para ver a gota afundar. O QUE EXPLORAR ? • Densidade de misturas homogêneas
• Lei da flutuação
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• Formação de gotas.
SIFÃO
A água contida no recipiente A é escoada, através de um tubo, para um outro B,
situado abaixo de A.
O que há de inusitado? O inusitado é que a água sobe até uma certa altura acima da superfície da água em A, para depois cair para recipiente B. Este efeito é denominado “efeito SIFÃO”. O “efeito sifão” necessita de um “início’. Colocando-se um tubo vazio, a água por si só, não sobe pelo tubo e cai no recipiente mais abaixo. Para iniciar o escoamento por “efeito sifão” é necessário:
• Colocar uma das extremidades do tubo dentro da água em A; • Sugar o ar pela outra extremidade do tubo até que a água inicie o processo de escoamento e o efeito sifão seja implantado. Uma outra maneira de iniciar o “efeito sifão”é colocar o tubo previamente cheio de água e deixar começar o escoamento pela extremidade B.
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O QUE ACONTECE ?
Inicialmente, todo o conjunto está submetido à pressão atmosférica. Aspirando-se o ar do tubo pela extremidade B, a pressão interna do tubo diminui e a
pressão atmosférica sobre a superfície da água em A faz o líquido ocupar todo o interior do tubo iniciando o processo de escoamento.
Estando o tubo previamente cheio de água, o peso da coluna de líquido no ramo do tubo sobre o recipiente B é maior que o da coluna sobre o recipiente A . Além disso, com o escoamento cria-se no ponto mais alto do tubo uma região de baixa pressão que assegura o escoamento da água, para cima desde A até o topo do tubo. O QUE EXPLORAR ? • A retirada de combustível do tanque de um carro usando uma mangueira.
VASOS COMUNICANTES
1. A Figura 1 representa uma mangueira transparente utilizada para verificar o
nivelamento de superfícies. Fig.1
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2. Utilizando-se duas garrafas de refrigerante pode-se explorar o fenômeno dos vasos
comunicantes. Numa das garrafas que inicialmente contém água, coloca-se uma das extremidades de uma mangueira cheia de água Fig.2 (a) . A outra extremidade dessa mangueira é colocada no fundo da outra garrafa que inicialmente está vazia Fig.2 (b). A Fig.2 (c) indica a situação de equilíbrio. Colocando mais água num dos recipientes, parte dela escoa para o outra garrafa.
Fig.2 O QUE ACONTECE ?
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Quando a pressão num dos recipientes é maior que a no outro o liquido é deslocado do local de pressão maior, para o de menor até que as pressões se igualem. A Fig.3 ilustra o fenômeno. Fig.3 O QUE EXPLORAR ?
O funcionamento das redes de distribuição de água ( caixas d’água por exemplo) O funcionamento de um Bule.
O FUNCIONAMENTO DE UM BULE
O princípio de vasos comunicantes permite compreender o funcionamento de um bule de café. Analise as figuras abaixo:
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É possível?
1. encher completamente o bule da figura acima? 2. encher uma xícara de café situada acima do bico do bule?
CHAFARIZ SIMPLES
Um chafariz simples pode ser construído
utilizando-se: • duas garrafas de refrigerante (2 litros); • três rolhas de plástico com 2 furos em cada; • tubos flexíveis de plásticos ( tubos M e N ) com diâmetro de 5 mm (aproximadamente); • um tubo não flexível ( de plástico duro ou vidro) com diâmetro 5 mm (aproximadamente). Na figura é o tubo O que liga o recipiente B com a bandeja A . • uma bandeja para recolher a água escoada.
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COMO FUNCIONA ? A água colocada na bandeja A começa a escoar através do tubo M até a garrafa C.
À medida que o volume de água cresce em C, um volume de ar corresponde é forçado, através do tubo N, para a garrafa B que inicialmente está cheia de água.
A transferência de ar da garrafa C para a B se faz com um acréscimo de pressão em B. Devido a este acréscimo, a água existente em B é comprimida, penetra pela parte inferior do tubo que liga o recipiente B à bandeja A e jorra pela extremidade desse tubo.
O funcionamento do chafariz cessa quando a garrafa B se esvaziar e a garrafa C ficar cheia de água. Para recomeçar basta retirar as tampas e trocar as posições das duas garrafas. O QUE EXPLORAR ?
• Efeitos interessantes resultantes de acréscimo de pressão produzidos sobre líquidos e gases.
Se houver vazamento de ar o chafariz não funcionará. Por isso, a perfeita vedação de todas as conexões é de grande importância.
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TORNADO DE ÁGUA
Duas garrafas de refrigerante de 2 litros – são unidas por uma luva de PVC ou um tubo de PVC, estrangulado em sua parte central. As peças podem ser coladas com massa epóxi.
A garrafa de baixo é cheia d’água. Se o sistema for simplesmente invertido, a água
escoará para a garrafa vazia não de forma contínua, mas aos poucos, em “golpes” de água.
Entretanto, se as garrafas forem giradas rapidamente, durante o escoamento a massa de água também adquire, um movimento de rotação.
Inicia-se então algo parecido com um “tornado de água”.
Uma vez iniciado. o “tornado de água” continua até que
toda a água passe para a garrafa que inicialmente estava vazia.
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O “tornado” permite que, pela sua região central, o ar passe de uma garrafa para outra. Assim, o escoamento torna-se contínuo, não ocorrendo os “golpes” de água. COMO FUNCIONA ? Quando se faz o sistema girar rapidamente, a água que deve estar na garrafa de cima, escoa formando a configuração de um tornado: o líquido gira e forma-se um canal na parte central que permite a passagem contínua de ar para a parte superior. A energia potencial da água transforma-se em energia cinética, e as moléculas de água aumentam gradativamente sua velocidade enquanto se aproximam do orifício. O QUE EXPLORAR ?
• A forma de escoamento da água numa pia.
• A formação de tornados.
MEDINDO A PRESSÃO ATMOSFÉRICA
Um barômetro – medidor de pressão atmosférica – foi construído pela primeira vez por TORRICELLI. O barômetro consta de um tubo com, aproximadamente, 120 cm de comprimento e, 1 cm de diâmetro interno, que contém mercúrio ( Hg). Uma
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das extremidades do tubo é completamente selada, permitindo a existência de uma região onde a pressão P = 0 ( vácuo). Enchendo completamente o tubo com Hg e invertendo-o, o mercúrio, desce, deixando uma região sem pressão ( vácuo) e em seguida, estaciona deixando uma coluna de altura H próxima de 76 cm, quando se está ao nível do mar. Obs: Na verdade, a pressão na parte superior do barômetro não é exatamente nula, mas é uma pressão muito baixa que é a pressão de vapor do mercúrio.
O QUE ACONTECE ?
Em ambos casos, a pressão atmosférica que atua na superfície externa do mercúrio ou da água, equilibra a pressão da coluna. Então, medindo-se a altura da
BARÔMETRO DE ÁGUA. Pode-se construir um barômetro de água procedendo-se da seguinte forma: enche-se com água uma mangueira – 12 metros de comprimento - tendo uma das extremidades bem selada com uma rolha de borracha. Mantendo ambas as extremidades fechadas, eleva-se a mangueira até uma altura de 11 metros, conforme ilustra a figura. Abre-se a extremidade inferior e observa-se que a água começa a descer dentro do tubo, mas pára quando o desnível H for igual a 10,3 metros ao nível do mar.
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coluna H do líquido barométrico, é possível medir a Pressão Atmosférica do local em que o barômetro está instalado.
O QUE EXPLORAR ?
• Unidades de pressão atmosférica.
• Variação da pressão atmosférica com altitude.
ELEVADOR HIDRÁULICO Duas seringas, com êmbolos de seções transversais (áreas) diferentes, são
conectadas mediante um tubo flexível contendo água, conforme esquema . O êmbolo de área maior representa a carga do elevador e o outro, de área menor, o local onde se aplica a força que irá mover o sistema.
Para elevar uma carga de peso P, é necessário aplicar-se uma força F menor que o peso.
F < P
Se a área A1 for o dobro da área A2, então a
força F necessária para erguer a carga será a metade do peso P.
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Quanto maior a relação (A1/A2) menor será a força F. O QUE ACONTECE?
O Princípio de Pascal estabelece que todo o acréscimo de pressão que se exerce num fluído ( líquido ou gás) é transmitido igualmente através dele. A força F aplicada produz um acréscimo de pressão (F/A2 ) que é transmitido ao êmbolo A1 o qual se equilibra com o acréscimo de pressão devido ao peso P ( P/A1). No equilíbrio, tem-se:
Este sistema nada mais é do que uma máquina simples cuja vantagem mecânica –
multiplicação da ação da força – será tanto maior quanto maior for a área A2 em relação à área A1.
O QUE EXPLORAR?
• Aplicação do Princípio de Pascal
• Pressões : força/área
• Máquinas Simples
Logo, no equilíbrio: (F/A2 ) = ( P/A1)
F = (A2/A1) P
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• Freio hidráulico, direção hidráulica, macaco hidráulico.
TENSÃO SUPERFICIAL
Tome um pedaço de fio de cobre e limpe bem sua superfície com palhinha de aço ( para remover óxidos ou gordura). Dobre-o em forma de U e pendure-o na extremidade de uma mola sensível. Em seguida, introduza o fio de cobre em U invertido dentro de uma mistura de água com detergente.
Ao erguer delicadamente a mola , quando o fio começa a sair do líquido observa-se a formação de uma película que “puxa”o fio para baixo.
As superfícies dessa película exercem forças que se opõem à tendência ao seu esticamento. São forças de contração.
Isto pode ser observado quando se retira um pincel – de barba ou de pintura – de dentro d’água: a película que permeia os fios se contrai e atrai os fios do pincel, concentrando-os como mostra a figura.
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Derretendo-se a parafina em cima de uma placa metálica quente, tem-se uma superfície onde a adesão da água é quase inexistente. A água não molha a parafina, material de que é constituída a vela.
As moléculas que se encontram na superfície da película do líquido exercem, entre si, forças de atração molecular que são de contração.
Estas forças moleculares superficiais constituem o que se denomina de TENSÃO SUPERFICIAL.
O fenômeno da Tensão Superficial aparece somente nas moléculas da superfície de separação entre o líquido e o ar.
Isto porque cada molécula que se encontra no interior do líquido é atraída em todas as
direções pelas moléculas vizinhas. Assim, a força molecular tem resultante nula, de modo que a molécula pode se movimentar para todos os lados, mais ou menos livremente.
Uma molécula da superfície não pode se movimentar tão livremente.
Ela não interage com moléculas iguais a ela acima da película de líquido, pois o que existem são moléculas diferentes: as moléculas de ar.
Observa-se que as moléculas superficiais possuem a tendência de serem puxadas
para o interior do líquido. É por isso que a superfície onde elas se encontram tende a se contrair.
PLACA REVESTIDA DE PARAFINA
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Um pingo d’água nesta placa adquire a forma ovalada ( quase esférica), devido à
tensão superficial que atua no sentido de contrair a superfície. É dessa forma que se formam as gotas de chuva, um pingo de água que cai de uma torneira, ou uma gota de óleo que se forma dentro da água.
Quando um líquido “molha” uma superfície, não há formação de gotas devido à
aderência entre o líquido e a superfície. Neste caso o líquido se espalha “molhando” a superfície.
LÂMINA DE BARBEAR FLUTUANDO NA ÁGUA
Pode-se colocar uma lâmina de barbear em cima da superfície
da água sem que ela afunde, apesar da lâmina ser mais densa que a água.
Para que a lâmina flutue, é necessário que ela não seja “molhada” pela água, isto é, que haja repulsão e não adesão da água na superfície da lâmina que está em contato com a água. Se a água “molhar” a lâmina, as moléculas que ficam aderidas serão incorporadas à lâmina, sendo atraídas para baixo pelas demais moléculas de água e a lâmina afunda
TRANSBORDANDO UM COPO COM ÁGUA
Encha um copo ou cálice com água e em seguida, com um conta-gotas, continue
colocando, cuidadosamente, gotas de água no recipiente, até derramar a água.
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Você ficará admirado com a quantidade adicional de água que é possível colocar no
recipiente!!!
A FORMAÇÃO DE GOTAS DE ÓLEO
Coloque 2/3 de água num copo. Complete-o com álcool, do modo mais delicado possível. Por sucção, encha um canudo grosso de refrigerante com óleo comestível. Usando-o como uma pipeta, deixe escoar o óleo dentro do copo.
Observar-se- a formação de uma grande gota de óleo, quase esférica e bem estável. Pode-se tocar a gota com os dedos observando o que ocorre. O QUE ACONTECE?
A tensão superficial do óleo éa responsável pela formação da gota. A densidade do óleo é menor que da água e maior que do álcool, por isso a gota fica
na região intermediária entre o álcool e a água.
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Mesmo quando tocada ou empurrada, a gota não se desfaz facilmente devido à tensão superficial, que forma uma espécie de película rígida na superfície da gota.
PELÍCULAS E BOLHAS DE SABÃO
Pode-se construir com arame ou fio rígido de cobre diversas formas geométricas. Os esquemas abaixo ilustram algumas dentre as muitas possibilidades. Mergulhando-
as em uma mistura de água com detergente, e retirando-se pode-se obter películas de diversos formatos.
Assoprando-se estas películas, pode-se obter as famosas “BOLHAS DE SABÃO”. O QUE ACONTECE?
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A formação de bolhas de sabão e películas das mais variadas e interessantes formas, ilustra o fenômeno da tensão superficial (força de atração entre as moléculas do líquido). O sabão ou detergente diminuem a tensão superficial da água, o que permite a formação de películas de acordo com a forma geométrica utilizada.
DIMINUINDO A TENSÃO SUPERFICIAL DA ÁGUA
Coloca-se um palito de dente de modo que ele flutue na superfície da água contida num recipiente, uma taça ou um copo de boca grande para facilitar o experimento. Em seguida, coloca-se outro
palito na superfície, de forma que os dois palitos fiquem paralelos na superfície da água. Cuidadosamente coloca-se uma gotinha de detergente entre os dois palitos. Observa-se que eles se afastam rapidamente. O QUE ACONTECE? A função do detergente ( ou do sabão) é diminuir a tensão superficial da água. Com a tensão superficial diminuída, a água pode “molhar” as superfícies nela colocadas e assim exercer a sua função de lavar e limpar.
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A tensão superficial na região entre os palitos diminui na presença do detergente. Isto é, a força de atração entre as moléculas da película de água entre os palitos diminue, e a força atrativa das moléculas constituintes da película de água da região de fora “puxa” o palito. Tem-se a impressão, equivocada, que o detergente empurra os palitos.
OS BARQUINHOS QUE SE MOVEM SEM COMBUSTÍVEL
Pequenos barcos feitos de papel alumínio são colocados na água de uma bacia. Nos barcos são feitas pequenas reentrâncias, conforme a ilustração.
Faz-se os barcos flutuarem e coloca-se umas gotinhas de álcool ou detergente perto
das reentrâncias, o álcool ou detergente, escoa para a água. Observa-se uma curiosa “corrida” dos barcos na superfície da água.
O QUE ACONTECE? O álcool ou o detergente provoca a diminuição da tensão superficial da água.
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Assim, a tensão superficial na parte traseira dos barcos diminui e a tensão da película de água da parte dianteira “puxa-os” para frente.
CONFINANDO TALCO Coloca-se água num prato e aguarda-se até que ela não se movimente.Em seguida espalha-se um pouco de talco sobre a superfície. Pingam-se gotas de um líquido que diminua a tensão superficial da água: detergente, álcool, ou água de sabão.
Observa-se o “confinamento” do talco na região oposta àquela onde o líquido foi gotejado.
O QUE ACONTECE? Diminuindo a tensão superficial num local da superfície do líquido, as demais moléculas serão atraídas mais fortemente e a região oposta da superfície do líquido se contrai. Como as partículas de talco são muito mais leves e não se misturam com a água ( ficam em suspensão), a contração da superfície da água carrega o talco consigo.
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... se eleva, rapidamente, assim que a corrente de ar passa pela parte superior da folha de papel!
ASSOPRANDO-SE UMA BANDEIROLA.
Com uma vareta e uma folha de papel, constrói-se uma bandeirola.
Coloca - se a bandeirola conforme ilustra a figura. Assopra-se de modo que se produza uma “corrente de ar” . Observa-se que a folha de papel...
O QUE ACONTECE ?
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A pressão do ar é uma medida do “grau de compressão” de suas moléculas. O ar, entrando em movimento, tem o seu grau de compressão diminuído. Assim, a
pressão na parte superior da bandeirola torna-se menor que na da parte inferior (onde o ar está praticamente parado).
Estabelece-se, então, uma “diferença de pressão” entre os dois lados da bandeirola
que “empurra” a folha de papel para cima. Sem movimento do ar, a pressão nos dois lados do papel é igual e não há “diferença
de pressão” Por isso, o papel permanece imóvel.
O QUE EXPLORAR ?
• Pressão do ar em movimento
• A diferença de pressão nas asas de um avião em vôo e a força de sustentação.
• A aerodinâmica dos vôos de pássaros e aviões.
O CARRETEL E O CARTÃO.
Arruma-se um carretel – desses usados para enrolar linha de costura – de preferência, de tamanho grande.
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Será que o cartão será arremessado para
longe ?
Recorta-se um quadrado, um pouco maior
que o círculo do carretel, colocando-se um alfinete no seu centro.
Coloca-se o alfinete dentro do pequeno túnel do carretel e, assopra-se do outro lado do orifício, conforme a figura.
Quando a corrente de ar passa pela boca do orifício, o cartão é bruscamente “puxado” para o carretel.
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O QUE ACONTECE ?
O movimento das moléculas de ar (corrente), cria uma região de baixa pressão defronte à boca do orifício, sobre o qual o ar passa com grande velocidade.
Assim, dentro do orifício tem-se baixa pressão e no lado externo do cartão, o ar encontra-se em repouso e a pressão nesta região é a pressão atmosférica.
Logo, entre as duas bocas do orifício, surge uma diferença de pressão: a pressão
atmosférica (maior) do lado do cartão e a pressão do ar em movimento (menor) do outro lado. Esta diferença de pressão força ou “empurra” o cartão contra o carretel. O QUE EXPLORAR ? • Pressão do ar em movimento.
• Diferença de pressão e força
GARRAFAS TEIMOSAS
Dependura-se duas garrafas de plástico vazias. Deixa-se,
entre elas, uma distancia de 5 cm, aproximadamente.
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Assoprando-se ou fazendo-se passar uma forte corrente de ar entre as
garrafas, usando um secador de cabelo, o que se observa ?.
Elas se aproximam!
Porque não se afastam?
Assoprando-se entre elas, pode-se
separá-las, ainda mais ?
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O QUE ACONTECE?
A moléculas do ar em movimento apresentam “grau de compressão” menor que as
moléculas do ar em repouso. Então, onde o ar estiver em movimento a “pressão é menor” que na região onde o ar estiver em repouso. Quanto maior velocidade do ar, menor será sua pressão.
Portanto, entre as faces internas das garrafas a pressão é menor do que
nas faces externas, onde a pressão exercida pelo ar é igual à pressão atmosférica local. Assim, a pressão atmosférica que atua nas faces externas de cada garrafa, empurra-as uma contra a outra.
O QUE EXPLORAR ?
• Pressão como medida do grau de compressão das moléculas.
• Forças e Pressão
• Pressão e velocidade do ar.
BORRIFADOR CASEIRO
Um canudo de refresco é cortado em 2 partes ( uma maior que a outra, dependendo do copo com água disponível).
A de menor comprimento é colocado dentro do copo. A outra, é utilizada para provocar uma corrente de ar em cima do orifício do canudo
que está imerso n’água.
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O canudo que irá conduzir a corrente de ar deve estar posicionado de modo que,
praticamente, apenas um “filete” da corrente passe por cima do orifício.
Assoprando-se adequadamente pode-se, então, borrifar água
O QUE ACONTECE ? A corrente de ar produz uma região de pressão menor do que a do ar parado. Logo, no orifício em B, tem-se uma região de baixa pressão. Por outro lado, na superfície da água atua a pressão atmosférica que se transmite até o orifício A do canudo dentro d’água. Então, estabelece-se uma “diferença de pressão” entre A e B ( maior em A ) que “empurra” a água canudo acima, até que em B, a água em pequenas gotas, se mistura com a corrente de ar. O QUE EXPLORAR ?
• Pressão do ar em repouso e a do ar em movimento
• Funcionamento de um “revolver” de pintura
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AS ESFERAS FLUTUANTES
Pode-se usar um secador de cabelo como um “gerador de vento” frio. Basta ligá-lo na tomada !
Colocando-se a esfera de isopor na boca do secador e fazendo-a funcionar observa-se que ela permanece flutuando dentro da corrente de ar. Mesmo inclinando o secador, a bolinha permanece “flutuando” dentro da corrente de ar. Porque a bolinha fica presa no fluxo de ar ?
O QUE ACONTECE ?
Porque a bolinha flutua ? A bolinha sobe rapidamente e permanece girando próximo à boca do secador graças aos choques produzidos pelas moléculas de ar expelido contra a bolinha. O fenômeno é
Será que é possível fazer um “canhão de vento” com
esferas de isopor ou bolinhas de ping-pong, usando o secador de
cabelo?
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análogo ao produzido por correntes de ar que: fecham ou abrem as portas; fazem os chapéus voarem; etc.
Porque a bolinha não é lançada longe pela corrente do ar ?
Na corrente de ar – vento – a pressão é menor do que no ar parado. Tem-se então uma “diferença de pressão “ entre o ar em movimento e o ar em repouso. Quando a bolinha começa a se afastar da corrente, a pressão do ar parado, que é maior, “empurra-a” novamente para dentro do tubo de corrente. O QUE OCORRE?
A corrente de ar exerce sobre a bolinha dois efeitos: tende a empurrar a bolinha na direção do fluxo de ar e tende a confinar a bolinha na corrente de ar.
O efeito de empurrar a bolinha é bastante óbvio, resultando do impacto das moléculas de ar sobre ela, exercendo uma força F. Essa força pode equilibrar o peso P da bolinha se ela não for muito pesada. O fato que F = P por si só não garante equilíbrio uma vez que a bolinha poderia sair de lado e escapar da corrente de ar.
O segundo efeito que prende a bolinha na corrente é mais complicado. Ocorre que numa corrente de ar as velocidades são maiores no centro que na borda como mostra a figura.
O mesmo efeito ocorre, por exemplo, com a
água escoando num cano ou num rio. Portanto, a pressão na parte de fora da corrente é maior do que dentro e a bolinha é empurrada para dentro da corrente.
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O QUE EXPLORAR?
• Distribuição de velocidades e pressão num rio ou num cano.
A ERVILHA EQUILIBRISTA
Utilizam-se: • Um canudo de refresco dobrável. Na extremidade próxima à parte
dobrável, o canudo é cortado conforme esquema ampliado.
• Uma ervilha ou uma esfera pequena de plástico ou uma esfera de isopor pequena ou até uma bola de ping-pong.
Soprando-se pelo canudo, com a ervilha colocada no “cestinho”, pode-se equilibrá-la de diversas formas e observar os efeitos dinâmicos de rotação da ervilha.
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O QUE ACONTECE ? A corrente de ar que sai da extremidade do canudo com grande velocidade cria uma região onde a pressão é menor do que a pressão do ar parado que a envolve. A ervilha flutua porque o ar, colidindo com ela, exerce uma força que equilibra o seu peso e, por outro lado, ela fica “presa” no tubo de corrente de ar porque, a pressão do ar parado, sendo maior que da corrente, garante que sempre que a ervilha se afastar do tubo, será novamente empurrada para o interior da corrente de ar. O QUE EXPLORAR ? • A diferença de pressão entre o ar em movimento e o ar parado.
• Forças que surgem com a diferença de pressão
CURIOSIDADES PARA SEREM EXPLORADAS FURANDO UMA BALÃO DE LÁTEX SEM ESTOURAR É possível espetar um balão de látex, cheio de ar, com uma agulha e sem explodi-lo?
Espetando um balão de látex sem explodi-lo:
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O espeto é introduzido no balão cheio, na região onde a borracha é mais grossa. Surpreendentemente o balão não estoura e se o espeto for bem liso, o ar não escapa e ele se esvazia lentamente. O QUE OCORRE? Na região fina e bem esticada, a força elástica exercida pela borracha é menor do que quando está pouco inflada. A introdução do espeto rompe com facilidade as forças de ligação molecular dessa região da parede, rasgando-a e permitindo que o ar escape violentamente. O balão então explode. Na região onde a parede é mais grossa, a elasticidade é muito maior. Quando o espeto é introduzido, inicialmente a parede cede, comprimindo-se para dentro da bexiga e depois rompe-se onde está a ponta do espeto, permitindo que ele penetre. Em seguida, devido à pressão do ar que existe no interior do balão, a borracha da parte interna do balão é comprimida, vedando o furo que foi feito. Se o espeto é bem liso, essa vedação é bem eficiente e o balão demora um tempo razoável para esvaziar. PRENDENDO UM COPINHO PLÁSTICO NUMA BEXIGA Como prender um copinho plástico numa bexiga?
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Assoprando-se a bexiga encostada no copinho, ela expele parte do ar do interior do copinho. Assim, a pressão interna do mesmo diminui e a pressão atmosférica, momentaneamente maior, pressiona –o contra a bexiga, prendendo-o.
CONECTANDO BALÕES DE LÁTEX DE DIFERENTES VOLUMES. Um balão de látex bem cheio é ligado a um mais vazio. O QUE OCORRE? Surpreendentemente o que está bem cheio enche mais ainda e aquele mais vazio, diminui de tamanho, ao contrário do que se poderia esperar.
O QUE ACONTECE? A pressão do ar no interior do balão ( Par) é igual à pressão atmosférica ( Patm ) mais a pressão exercida pela película de borracha ( Pelast ). Isto é, Par = Patm + Pelast . Quando os balões são conectados o ar daquele menos inflado passa para o mais inflado, por que a PRESSÃO DO AR NO BALÃO MENOS INFLADO É MAIOR QUE O DO MAIS INFLADO. Isto é um fato experimental. Qual sua razão? A equação seguinte vale para os
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dois balões: Par = Patm + Pelast . Se numa delas, Par for maior isto se deve ao fato de que Pelast é maior, uma vez que, a pressão atmosférica Patm é comum aos dois. Qual a razão de Pelast ser maior no balão menos inflado? Isto ocorre porque a borracha usada em sua confecção, apresenta, comportamento elástico muito reduzido. Ou seja, conforme o balão, vai sendo inflado a película de borracha se estica e até certo ponto a sua deformação é elástica. Isto significa que deixando-se o ar escapar, o balão readquire a sua forma original. A partir de uma certa deformação, porém, ele não se comporta mais elasticamente, passando a exercer força restauradora de menor intensidade. Isto implica em exercer menor pressão para inflá-lo. Por isso, a parte mais difícil de encher um balão de látex é no início. Depois que ele adquire um certo volume, se torna mais fácil inflá-lo. Um balão bem inflado, apesar de mais volumoso, tem pressão menor do que um mais vazio. O QUE EXPLORAR? Peça para uma criança inflar uma bexiga. Se ela não conseguir, você que é uma pessoa adulta, pode iniciar o processo e depois pedir para ela terminar o serviço. Muitas vezes a criança é capaz de encher a bexiga, após alguém iniciar o processo. Isto ocorre devido ao fato de no início a força elástica da borracha ser muito grande.
CANHÃO DE AR
O EQUIPAMENTO
Um “balde de plástico” tendo uma tira de borracha latex de 1,5 mm de espessura fechando a sua boca e com um furo
centralizado no seu fundo (diâmetro cerca de 1/3 do diâmetro do balde).
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Apagando uma vela distante mais de 5 metros!
• Mire o canhão para uma vela acesa, distante até 5 metros.
o Dê um“tapa” rápido com a mão aberta na borracha que veda a boca do balde
e.… pum, a chama se extingue! O QUE OCORRE?
O fenômeno pode ser melhor entendido se colocarmos fumaça dentro do balde. A fumaça pode ser obtido pela queima de uma porção de gaze umedecida com glicerina ou usar um gerador de fumaça destes usado em bailes. O que se observa? Que o ar sai do buraco em forma de um “vórtice ou redemoinho de fumaça” que se apresenta em forma de um anel ou um pneu.
O “tapa” produz um acréscimo instantâneo de pressão. Isto provoca movimentação
de ar (fumaça) que, ao sair pelo buraco, a porção de ar colide com a quina do orifício torna-se menos veloz que o ar que sai pelo centro, fazendo o ar gire ao redor do aro do anel em forma de redemoinho. O anel se propaga, aumentando o seu diâmetro, até a sua extinção.
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O QUE EXPLORAR.
Os vórtices são excitações a que estão sujeitos os gases e os líquidos, ou seja, os fluidos em geral.
Se apresenta sob diversas formas.
Exemplos: tornados, furacões, anéis de fumaça, redemoinhos de poeira e de água.
Em aviões a jato é possível visualizar vórtices devido à condensação de vapor d’água.
DISCO FLUTUANTE (COLCHÃO DE AR)
Uma seringa de 5 ml ( sem o êmbolo ) é colocada no centro de um disco compacto ( CD ), com o bico para cima. O furo do CD deve coincidir com o tubo da seringa.
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Pode-se usar cola epóxi tipo 10 minutos e com um estilete fazer pequenos riscos no CD na região a ser colada. A parte da seringa a ser colada pode ser lixada com a lixa bem grossa e pode-se também fazer um furo em cada aleta de apoio da seringa, enchendo de cola também os furos. Enche-se bem uma bexiga, acoplando-a no corpo da seringa. A seguir solta-se o disco numa mesa bem lisa tal como vidro ou fórmica. O QUE OCORRE? O disco pode deslizar de um lado a outro da mesa com movimento praticamente sem atrito. O QUE ACONTECE? O disco praticamente flutua sobre um colchão de ar. O ar confinado na bexiga fica numa pressão P maior que a pressão atmosférica Patm . A
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pressão P é a soma de Patm e da pressão PB exercida pela membrana de borracha da bexiga. A força F exercida pelo gás sobre a mesa ( que é igual à força exercida pela mesa sobre o gás ) é F = PS, onde S é a área do orifício. A força de reação tende a manter o disco suspenso. Além disso, o ar tende a escapar pelo estreito espaço entre o disco e a mesa, formando uma camada de ar. Como resultado, o disco fica flutuando na camada de ar e pode se mover praticamente sem atrito. Na verdade, existe atrito entre o disco e a camada de ar que é muito pequeno e chamado atrito viscoso. Uma aplicação interessante do princípio é o chamado “overcraft” que é um barco de fundo chato que se move flutuando sobre um colchão de ar ( injetado pelo próprio barco sobre a água). O QUE EXPLORAR?
• Forças de pressão
o Atrito no movimento e atrito viscoso
Movimento de um overcraft e de um puck.
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