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Por que o navio não afunda????
O navio nao afunda pois existe uma força chamada empuxo, a qual faz com que a embarcação flutue.
Mas que força é essa?
Ao mergulhar um objeto na água, a gente nota que ele sofre a ação de uma força no sentido vertical que o empurra para cima, ou que pareça que o peso do objeto diminui.
Então , se a pressão na parte superior do navio fosse igual a da parte inferior, essas forças se igualariam, a pressão seria nula e o empuxo não teria seu efeito sobre esta embarcação.
Pelo princípio de Arquimedes, sabemos que:
Empuxo = peso do liquido deslocado
É isso o que acontece com as embarcações.
O peso do barco desloca um certo volume de água e provoca uma reação em sentido contrário.
Ou seja: quando um navio está em equilibrio sobre as águas é porque a força dessa pressão ( empuxo ) é igual ao seu peso. Isso significa que o peso do navio está sendo equilibrado pela força de pressão que ele recebe da água.
Esta força é o empuxo.
O casco do navio também é projetado de modo a facilitar seu equilíbrio.
Um navio vazio flutua com uma grande parte do casco fora da água. A medida que vai sendo carregado ele imerge mais e mais.
O peso que o navio transporta também deve ser cuidadosamente organizado para que o navio possa navegar com estabilidade. Então para obter-se maior estabilidade possível, a distribuição de cargas no interior do navio é feita de tal modo que o centro de gravidade se situa o mais próximo possível do fundo do navio.
Além do empuxo, existe a questão da densidade da água. Quando mais densa a água, maior a flutuabilidade. A água salgada é mais densa que a água doce. Isto deve-se ao fato de que na água salgada contém sais dissolvidos. Portanto, a flutuabilidade é maior na água salgada.
A densidade da água doce é 1 x 1 x 103 kg/m3 e a densidade da água do mar é em média 1,03 x 103 kg/m3. Deste modo, uma embarcação utiliza 3% a mais de água em seu lastro (espaço lateral em navios em forma de tanques com divisórias para reserva de água para fornecer equilíbrio e estabilidade ao navio).Portanto essa água de lastro varia entre tipos de embarcações, sistemas portuários e com condições de carga e de mar.
A água de lastro é utilizada em navios de carga como contra-peso para que as embarcações mantenham a estabilidade e a integridade estrutural.
Foto de uma tampa do tanque de lastro, tirada na visita ao estaleiro de Itajaí.
Existem várias destas tampas ao longo do navio.
Navegação segura
Para navegar com segurança são necessários alguns cuidados. Um deles diz respito ao calado.
Calado é a designação dada à profundidade a que se encontra o ponto mais baixo da quilha de uma embarcação. O calado mede-se verticalmente a partir de um ponto na superfície externa da quilha.
O conhecimento do calado do navio em cada condição de carga e de densidade da água (em função da salinidade e temperatura) é fundamental para determinar a sua navegabilidade sobre zonas pouco profundas, em especial nos portos e em canais.
O calado, acrescido de um valor de segurança (o pé de piloto), determina os portos onde o navio pode entrar e as barras e canais que pode atravessar em cada condição de maré.
Em alguns casos é obrigatório inscrever no costado das embarcações um conjunto de marcas e de informações sobre calado por forma a que as autoridades portuárias possam controlar a segurança da operação dos navios e o estado de carga (a marca de carga - por vezes designada linha Plimsoll - determina a linha de água segura para cada carga e densidade esperada da água).
Curiosidades:
* Navios mercantes transportam mais que 80% das commodities mundiais e são essenciais para a economia mundial
* Um cargueiro com capacidade de 200.000 toneladas pode carregar mais de 60.000 toneladas de água de lastro
* Todos os navios cargueiros necessitam da água de lastro e não existem produtos substitutos para o lastreamento
* A IMO estima que 12 bilhões de toneladas de água de lastro são transportadas anualmente ao redor do mundo
* A IMO estima que cerca de 4.500 espécies são transportadas pela água de lastro pela frota mundial a qualquer momento
* O transporte de bens por navios tem aumentado constantemente, e novos destinos tem sido alcançados
* A cada 9 semanas uma espécie marinha invade um novo ambiente em algum lugar do globo através da água de lastro dos navios .
A FÍSICA NAS EMBARCAÇÕES
Angelisa Benetti Clebsch
Por que o navio flutua?
1) Porque é oco e sua densidade média (considerando a parte de aço e a parte cheia de ar) é menor que a densidade da água.
2) Porque ele encontra-se em equilíbrio, parcialmente imerso e sujeito a ação de duas forças de mesmo módulo e contrárias, o peso P e o empuxo E, exercido pela água.
Mas a estabilidade do navio não depende só disso. Depende também do ponto de aplicação dessas forças. A força peso é aplicada no centro de gravidade (CG), que é fixo e o empuxo é aplicado no centro de empuxo (CE), que é variável.
O centro de gravidade do corpo localiza-se no centro de aplicação do seu peso. Quando a distribuição de massa de um objeto é homogênea, o seu centro de gravidade coincide com o seu centro de massa. Se o corpo não é homogêneo ou tem forma irregular, seu centro de gravidade não coincide com o seu centro de massa. É possível localizar o CG do corpo pendurando-o livremente. O CG do corpo fica no ponto de cruzamento das verticais que passam pelo ponto de sustentação.
Já o centro de empuxo CE está localizado no centro de gravidade do líquido deslocado pelo corpo.
A posição do centro de gravidade CG, então não se altera em relação ao corpo. Já o centro de empuxo do navio CE muda de acordo com a forma do volume do
líquido deslocado, já que está localizado no centro de gravidade do líquido deslocado.
O navio é projetado para em caso de oscilações laterais, retornar a posição inicial. Para isso, seu centro de gravidade CG fica abaixo do centro de empuxo CE, como mostra a figura ao lado, de modo que temos uma situação de equilíbrio estável. O momento
das forças e
é que faz com que o navio volte à posição inicial.
O CG no caso de uma embarcação, não pode coincidir com o CE, pois quando o CG coincide com o CE, o corpo imerso fica em equilíbrio indiferente, ou seja, se qualquer perturbação fizer o corpo se mover lateralmente, ele não retorna a posição de equilíbrio.
Veja na figura ao lado que o CE muda de posição quando o barco se movimenta, o que altera a situação de equilíbrio. Essa mudança depende da forma do casco, já que o CE está localizado no centro de gravidade do líquido deslocado.
Para obter-se maior estabilidade possível, a distribuição de
cargas no interior do navio é feita de tal modo que o centro de gravidade se situa o mais próximo possível do fundo do navio.
Saiba mais:
Como a água do mar tem densidade maior, o empuxo exercido sobre um navio é maior quando ele está no mar, já que o empuxo exercido depende da densidade do líquido.
Para ter uma idéia, a densidade da água doce é 1 x 103 kg/m3 e a densidade da água do mar é em média 1,03 x 103 kg/m3. Assim, uma embarcação utiliza 3% a mais de lastro em água salgada.
O lastro está relacionado ao CG que deve ficar abaixo do CE. Para aumentar o lastro em um barco à vela, são adicionados pesos no barco.
Veja a experiência da casca de ovo.
A FÍSICA NAS EMBARCAÇÕES
Angelisa Benetti Clebsch
Alguns experimentos para você fazer
Para ver como a localização do centro de gravidade interfere na estabilidade do navio, faça as seguintes experiências:
1. Pegue uma casca de ovo, quebrada da forma como mostra a figura abaixo. Tente colocá-la em pé em uma bacia com água. Você certamente não conseguirá.
Coloque uma pequena esfera de aço dentro da casca de ovo e tente novamente. Vá acrescentando esferas de aço e colocando na água. Quando ela ficar em pé, dê um empurrão nela e tente fazê-la ficar deitada.
Com essa simples experiência é possível verificar que quanto mais bolinhas de aço colocamos na casca, mais ela afunda e, depois de um certo número de bolinhas, mesmo que se tente fazer a casca ficar deitada na água não conseguimos. Ela sempre retorna a posição inicial. Ou seja, ela adquire um equilíbrio estável, porque o centro de gravidade fica abaixo do centro de empuxo. Quando acrescentamos bolinhas, estamos aumentando o lastro.
2.Construa um barquinho de papel e vá acrescentando pequenos pesos para que seu centro de gravidade fique abaixo do centro de empuxo e observe como esse barquinho se comporta quando colocado na água.
Veja uma experiência simples sobre pressão exercida nos líquidos
Monte você mesmo uma experiência e verifique o funcionamento do submarino
Verifique experimentalmente o Princípio de Arquimedes
Pressão exercida por líquidos
Prof. Luiz Ferraz [email protected]
ApresentaçãoO experimento a seguir, um clássico, desperta bem o caráter escalar da grandeza física 'pressão'. Ele evidencia dois aspectos importantes:
a) líquidos só podem aplicar e receber forças 'normais' (eles não resistem a esforços tangenciais); ou seja, líquido aplica e recebe forças perpendiculares às paredes que o contém.b) líquidos transmitem pressões segundo todas as direções e sentidos.
Material
Béquer grande (2 litros) ou balde plástico; tubo de acrílico ou plástico (diâmetro =~ 4 cm); disco de plástico (tampão, diâmetro =~ 6 cm); cordel e suporte.
Montagem
Procedimento(a) Com o tubo de acrílico vazio, como em (a), a pressão exercida pela água do béquer prende o tampão contra a borda inferior do tubo. A força resultante F, de intensidade |F|, que o líquido aplica nesse tampão é vertical para cima. A pressão exercida pelo líquido (água), ao nível inferior do tubo, será:
P = |F| / A ou |F| = P . A
onde A é a área da secção reta do tubo.
Atenção: Explique porque a área em questão, para o cálculo da intensidade dessa força, é a área da base do tubo e não a área do tampão!
(b) Colocando-se água dentro do tubo, como em (b), o tampão solta-se quando os níveis forem iguais dentro e fora do tubo. Isso significa que a intensidade da força F (equacionada em a) é igual ao peso da água colocada dentro do tubo. Na ilustração abaixo, mostramos as forças agentes no disco no instante em que (4) se iguala com (3) e o disco se desprende do tubo. A ilustração serve também para evidenciar porque a área do disco que interessa para o cálculo da pressão não é a área total do disco e sim a área contornada pelo tubo.
Se a área em questão fosse unitária, peso da coluna de água e pressão na base do tubo seriam numericamente iguais. É essa igualdade numérica que permite que uma 'pressão' seja medida em termos de 'altura' de uma coluna líquida (metros de água, milímetros de mercúrio etc.).
Ludião(Princípio do submarino)
Prof. Luiz Ferraz [email protected]
ApresentaçãoO 'ludião' ou 'mergulhador cartesiano' propriamente dito, consiste de um pequeno recipiente de vidro, parcialmente preenchido com água, que é colocado flutuando com a abertura para baixo, dentro de um recipiente maior.
Montagem
Nessa experimentação usamos, como ludião, uma ampola de injeção vazia e como recipiente maior o vidro de uma lâmpada fluorescente de 1,20 cm de comprimento.Os pinos de uma das extremidades da lâmpada foram cuidadosamente retirados e seu interior foi limpo mediante a técnica de agitar areia fina (coloca-se areia fina dentro do tubo e agita-se para destruir a camada fluorescente que recobre o interior do tubo --- tome cuidado nessa operação, luvas são recomendadas).Toda a superfície externa dessa lâmpada foi revestida com papel "contact" transparente (prevenção em caso de quebra do frágil vidro).Esse 'tubo' é fixado num suporte vertical (como se ilustra) e completamente cheio de água. Esse é o momento de introduzir o ludião (parcialmente preenchido com água) nesse 'tubo'.Um tubinho plástico sai pela parte superior do 'tubo', através de uma rolha perfurada, e é ligado externamente a uma seringa de injeção vazia.
FuncionamentoQuando se comprime o ar contido na seringa, apertando seu êmbolo, o acréscimo de pressão é transmitido pelo tubinho ao interior da 'lâmpada' e, através da água, ao ludião. Isso faz com que o ludião se encha um pouco mais com água (comprimindo o ar aprisionado em sua parte superior), tornando-o mais pesado, e desça (seu peso torna-se maior que o empuxo aplicado pela água da 'lâmpada'). Quando se descomprime o ar contido na seringa, puxando o êmbolo, a pressão da água diminui e o ar comprimido dentro do ludião empurra para fora parte da água nele contida; ele fica mais leve (empuxo devido à água torna-se maior que seu peso) e sobe.É uma situação análoga à do submarino que bombeia água para seu interior quando vai submergir e para o exterior quando vai emergir.
Esse experimento pode ser feito usando, no lugar de nosso 'ludião', palito de fósforo. As bolsas de ar aprisionadas nas irregularidades da madeira do palito funcionarão do mesmo modo que o ar aprisionado no interior de nosso 'ludião'.
Já vi, em Feiras de Ciências, várias versões desse experimento. Em várias delas, nosso tubo feito de lâmpada fluorescente foi substituído por um tubo de acrílico (ou plástico) transparente e a nossa seringa dotada de tubinho plástico foi substituída por uma membrana de borracha vedando a boca do tubo. Apertando-se essa membrana de borracha o ludião desce, soltando-a o ludião sobe. Detalhes mais completos você poderá ver na Sala 02 destinada aos alunos de 5a/8a séries, sob o título: O ludião .Entre outras versões, existe também aquela de substituir o tubo por uma simples garrafa plástica (PET). Nesse caso, nem a membrana nem a seringa serão necessários, basta apertar a lateral da garrafa para modificar a pressão da água em seu interior (a garrafa cheia de água é fechada com sua própria tampa).
O Princípio de Arquimedes
IntroduçãoVamos suspender um cilindro de ferro utilizando um dinamômetro. A mola alonga-se e indica o valor de seu peso, em gf (grama-força), em kgf (quilograma-força) ou em N (newton). Sem tocar no cilindro, vamos agora mergulhá-lo completamente em água.
¾ A leitura no dinamômetro irá variar?
Claro que sim: a agulha indicadora recua; dando uma impressão que o peso do nosso cilindro mergulhado em água diminuiu. Se fizermos esta experiência com um corpo de peso 1 kgf, a diminuição "aparente" do peso será cerca de 140 gf.
¾ O que é que se passou?
Nem a massa do corpo nem a sua atração pela Terra (seu peso) teriam possibilidade de variar. Só há uma causa possível: sobre o corpo mergulhado na água, 'apareceu' nele um força de 140 gf dirigida de baixo para cima.
¾ De onde vem esta impulsão que Arquimedes foi o primeiro a descobrir?
Antes de examinar o comportamento de um sólido (nosso cilindro) na água, vejamos primeiro o da "água na água". Isolemos em imaginação um dado volume de água, dentro de um recipiente contendo água, um cilindro, por exemplo. Esse volume de água possui um certo peso, no entanto não cai ao fundo.
¾ Por quê?
A resposta é clara: a pressão hidrostática da água do recipiente, através das forças nascidas, opõe-se a essa queda. Isso significa que a força resultante dessa pressão, para o volume em questão, é igual ao peso da água de nosso cilindro imaginário e é dirigido verticalmente de baixo para cima.
Se agora um sólido ocupar efetivamente o lugar de nosso cilindro imaginário de água, a pressão hidrostática sobre ele permanecerá a mesma.
Vê-se, portanto, que esta pressão hidrostática submete um corpo mergulhado num líquido a uma força ascendente vertical, de intensidade igual ao peso da água que ele deslocou. É este o princípio de Arquimedes.
Conta-se que Arquimedes tomava banho e refletia na maneira de determinar a presença de prata numa coroa de ouro. As pessoas ao tomarem banho sentem claramente a impulsão da água. Arquimedes teve uma súbita inspiração: o princípio apresentava-se em toda a sua simplicidade. Gritando Eureka (encontrei) saltou da banheira e, correndo, foi procurar a coroa para determinar imediatamente a perda de peso que ela experimentaria em sua imersão.
A perda de peso de um corpo imerso é igual ao peso da água que ele deslocou. Conhecendo o peso da água deslocada, determina-se o volume, que é igual ao da coroa. Conhecendo-se o peso da coroa, calcula-se imediatamente a densidade do material de que é feita e, finalmente, sabendo-se a densidade do ouro e da prata obtém-se facilmente a proporção da parte de prata adicionada.O princípio de Arquimedes aplica-se evidentemente a todos os líquidos. Se mergulharmos num líquido de densidade d um corpo de volume V, o peso do líquido deslocado (que é a impulsão) será igual a d gV. Indicando-se essa impulsão ou empuxo de Arquimedes, como atualmente é denominado, por E, seu cálculo será, portanto:
E = d gV
Os instrumentos muito simples que permitem analisar as propriedades dos líquidos são baseados neste princípio. Se diluirmos álcool ou leite com água, a sua densidade será alterada; sabe-se que a densidade permite fazer um juízo muito significativo sobre composição de um líquido. Esta medição da densidade faz-se rapidamente com um areômetro.
Mergulhado num líquido, o areômetro penetra mais ou menos, em função da densidade daquele. O equilíbrio estabelece-se quando o empuxo de Arquimedes iguala o peso do areômetro. O instrumento comporta uma escala e a densidade lê-se no traço que coincide com o nível do líquido.
Os areômetros destinados ao controle de soluções alcoólicas chamam-se alcoômetros. As escalas são graduadas em graus GL (Gay-Lussac) ou B (Beaume).
A densidade média do corpo humano é ligeiramente superior à unidade. Na água doce um homem que não saiba nadar afoga-se. A água salgada tem uma densidade superior à unidade mas na maioria dos mares a salinidade é fraca e a densidade da água, ainda que superior à unidade mantém-se abaixo da densidade média do corpo humano. No golfo de Kara-Bogaz-Gol (Mar Cáspio) a densidade da água atinge 1,18 g/cm3. Esta quantidade é, portanto, superior à densidade média do corpo humano e neste golfo é impossível que alguém se afogue. Podem flutuar de costas e ler um livro...
O gelo flutua sobre a água. A proposição não é inteiramente justa. A densidade do gelo é cerca de 10 % inferior à da água e em conseqüência do princípio de Arquimedes um bloco de gelo fica imerso em cerca de 90% do seu volume. Isso faz com que os icebergs sejam muito perigosos.
Se uma balança está em equilíbrio na atmosfera (situação corriqueira), isso não quer dizer que ela permanecerá em equilíbrio quanto se encontrar no vácuo.
Com efeito, o princípio de Arquimedes tanto é válido para o ar como o é para a água. Sobre um objeto rodeado de ar atua uma impulsão igual ao peso do ar deslocado. Portanto, na atmosfera ele "pesa" menos do que no vácuo. A perda de peso será tanto mais elevada quanto maior for o volume.
Uma tonelada de madeira (peso real) perderá mais peso (quando a pesagem ocorrer ao ar) que uma tonelada de chumbo. Pode-se, pois, responder a quem nos perguntar:
¾ Quem pesa mais, uma tonelada de chumbo ou uma tonelada de algodão?
Quem pesa mais é o chumbo, se ambas as pesagens forem efetuadas ao ar livre.
Esta perda de peso é fraca enquanto se trata de corpos de pequenas dimensões. Mas se pesarmos um bloco que tenha as dimensões de uma casa "perdemos" já várias dezenas de quilogramas-força. Qualquer pesagem feita com precisão deverá, portanto, ter em conta a perda de peso devida à impulsão do ar.
Se enchermos um balão com a capacidade de 1 m3 com hidrogênio do qual 1 m3 pesa 0,09 kgf, a força ascensional (diferença entre o empuxo de Arquimedes --- devido ao ar que envolve o balão --- e o peso do gás) será:
1,29 kgf - 0,09 kgf = 1,20 kgf
onde 1,29 kgf/m3 corresponde à densidade do ar.
Poderemos ainda prender ao nosso balão uma carga de 1 kgf sem que isso o impeça de subir.
Compreendemos assim, porque com capacidades relativamente pequenas de algumas centenas de metros cúbicos, os balões de hidrogênio podem transportar cargas consideráveis.
Os aeróstatos de hidrogênio apresentam no entanto um inconveniente que é a inflamabilidade deste gás.
Misturado com o ar, o hidrogênio forma com este uma mistura detonante e a história dos "menos pesados que o ar" assinala acidentes trágicos.
Com a descoberta do hélio, o hidrogênio foi totalmente suplantado. Sendo duas vezes mais pesado que o hidrogênio, a forca ascensional, com seu uso, é menor.
Mas será grande a diferença?
A força ascensional de um balão de 1 m3 de hélio é igual a
1,29 kgf - 0,18 kgf = 1,11 kgf.
Diminuiu, pois, de 8% se comparado ao equivalente balão de hidrogênio. Em compensação, as vantagens do hélio são evidentes.
O aeróstato foi o primeiro dispositivo que permitiu aos homens voar. Hoje ainda, engenhos deste tipo munidos de uma barquinha estanque servem para o estudo das camadas superiores da atmosfera.
Denominados balões estratosféricos, eles já ultrapassam os 20 quilômetros de altitude.
Utilizam-se hoje largamente balões munidos de instrumentos de medida ligados ao solo via ondas de rádio.
Estas rádiosondas levam um pequeno emissor de ondas eletromagnéticas alimentado por pilhas que, através de sinais convencionais, dão a conhecer a umidade, a temperatura e a pressão atmosféricas das diferentes altitudes.
Pode-se lançar um aeróstato abandonado a si mesmo durante um longo trajeto e determinar, todavia, de uma maneira bastante precisa o ponto de aterragem. Para isso, o aeróstato deve subir a uma altitude da ordem de 20 a 30 quilômetros. A estas altitudes as correntes aéreas são muito estáveis e pode-se calcular previamente o itinerário.
Se for preciso, pode-se modificar automaticamente a força ascensional deixando escapar gás ou largando lastro.
Outrora, utilizavam-se aeróstatos dotados de um motor com hélice. Denominados dirigíveis, tinham uma forma aerodinâmica. O dirigível, no entanto, foi incapaz de manter a concorrência com o avião. Mesmo em comparação com os aparelhos de há 30 anos, é embaraçoso, difícil de pilotar, dispõe de uma velocidade e de um raio de ação reduzidos.
