Hidrostática

A hidrostática é o ramo da Física que estuda os fluidos em repouso. Dentre seus fenômenos estão a densidade, a pressão hidrostática e o empuxo.

Hidrostática é o ramo da física que estuda os fluidos que estão em repouso. Dessa maneira, a hidrostática engloba conceitos como a densidade, a pressão, o empuxo e o peso aparente.

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O que é hidrostática

Hidrostática é a área da Física que estuda os fluidos que estão em repouso. Isso significa que esse ramo da Física se encarrega de estudar certas características dos líquidos e dos gases. Dentre essas características, as principais são: a densidade, a pressão e o empuxo.

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A pressão de vapor mede a capacidade de evaporação de um líquido. Ou seja, quanto maior ela for, mais fácil ele evaporará.
Teorema de Stevin
Todo corpo sofre uma pressão quando está imerso no ar, no caso pela pressão atmosférica. Assim, um líquido também pode exercer algum tipo de pressão sobre um corpo.
Independente da forma do recipiente, a pressão será igual. Wikimedia

Como o estudo da hidrostática envolve os fluídos, é importante delimitar o que é um fluido. Assim, um fluido é toda substância que adquire a forma do recipiente no qual se encontra. Além disso, um fluido pode mudar sua forma a partir de uma pressão externa.

Densidade

A densidade relaciona a massa e o volume ocupado pelo corpo. Todo corpo possui massa e volume. Dessa maneira, para corpos de mesma massa, quanto menor for o volume, mais denso o material será.

Os objetos que flutuam são menos densos que o fluido. O objeto submerso é mais denso. Fonte: Anton Paar

A densidade de um corpo é a razão de sua massa pelo volume que ele ocupa.

Fórmula da densidade

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  • d: densidade (kg/m3)
  • m: massa (kg)
  • V: volume (m3)

Note que o volume e a densidade são inversamente proporcionais. Além disso, a massa e a densidade são diretamente proporcionais. Com isso, se o volume aumenta, a densidade diminui. Logo, se a massa aumenta, a densidade também aumenta.

Caracterizar os corpos por meio de sua densidade é importante para nosso cotidiano. Por exemplo, a partir disso é possível entender o porquê alguns corpos flutuam na água, enquanto outros corpos afundam. Isso acontece devido à densidade.

Pressão hidrostática

A pressão hidrostática relaciona a força por unidade de área que atua sobre um corpo, o qual está imerso em um fluido. A pressão hidrostática depende da aceleração gravitacional, da densidade do fluido e da profundidade que o corpo se encontra.

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Pressão hidrostática. Fonte:Wikimedia

Quanto mais profundo o corpo estiver, maior será a pressão hidrostática exercida sobre ele. Por conta disso, os submarinos possuem formas cilíndricas e construções reforçadas.

Fórmula da pressão hidrostática

  • ΔP: variação da pressão (N/m2 ou Pa).
  • Δh: variação da profundidade (m)
  • d: densidade (kg/m3)
  • g: aceleração da gravidade (m/s2)

A partir dessa equação é possível tirar algumas conclusões. Dessa forma, dois pontos que estão à mesma altura, têm a mesma pressão. Além disso, a pressão aumenta com a profundidade. Por fim, um fluido em equilíbrio possui uma superfície horizontal.

Esse princípio da hidrostática também é aplicado na construção de edifícios. Os encanamentos são planejados para que a pressão nos andares mais baixos não seja muito grande.

Empuxo

Quando um corpo é inserido em um fluido, ele ocupará um espaço anteriormente preenchido pelo próprio fluido. Dessa forma, o fluido exerce uma força direcionada para superfície de módulo igual ao peso do fluido que foi deslocado.. Essa força é o empuxo.

Empuxo sobre um corpo. Fonte: Wikimedia

O empuxo exercido por um fluido não depende do peso do corpo nem de sua densidade. Porém, essa grandeza depende da densidade do próprio fluido, da aceleração da gravidade e do volume de fluido deslocado.

Fórmula do empuxo

  • E: empuxo (N)
  • d: densidade (kg/m3)
  • g: aceleração da gravidade (m/s2)
  • V: volume (m3)

Dessa equação podemos tirar certas conclusões. Isso implica que se o corpo for mais denso que o fluido, ele tenderá a flutuar. Além disso, se a densidade for próxima à densidade do fluido, a tendência é permanecer em equilíbrio. Se o corpo tiver densidade menor que o fluido, ele terá a tendência a flutuar.

Peso aparente

O peso aparente é a resultante das forças de empuxo e do peso do corpo. Quando estamos na piscina, há a sensação de que estamos mais leves. Isso acontece porque a força de empuxo está nos empurrando para cima. Enquanto isso, a força peso nos puxa para baixo.

  • PAP: peso aparente (N)
  • P: peso (N)
  • E: empuxo (N)

Note que há uma subtração entre o peso (P) e o empuxo (E). Isso acontece porque as forças estão orientadas em direções contrárias. Ou seja, o peso está orientado para baixo e o empuxo está orientado para cima.

Vídeos sobre hidrostática

Para aprofundar ainda mais seus conhecimentos, selecionamos alguns vídeos sobre hidrostática. Confira!

Como sentir o peso do ar

O ar atmosférico também é um fluido. Dessa forma, como estamos imersos nele desde que nascemos, não conseguimos sentir sua influência sobre o nosso corpo. Nesse vídeo você entenderá como é possível ver como a pressão atmosférica atua sobre nosso corpo.

Densidade e pressão

O professor Marcelo Boaro explica como a densidade e a pressão se relacionam com a hidrostática. Dessa maneira, Boaro explica a teoria por trás desses conceitos. Portanto, ao fim da aula, o professor resolve um exercício de aplicação.

Como é um submarino por dentro?

Submarinos são meios de transporte que estão sujeitos a enormes pressões. Assim, sua construção é toda pensada para suportar todo esse esforço. Nesse vídeo, Iberê Thenório, do Manual do Mundo, mostra como é um submarino da Marinha do Brasil.

A hidrostática é apenas um dos ramos da física. Portanto, é possível a interação do ar atmosférico sobre nossa vida. Por isso, veja nosso post sobre Pressão atmosférica..

Referências

YOUNG, H. D. Física I: Mecânica. São Paulo: Addison & Wesley. 2016

Hugo Shigueo Tanaka
Por Hugo Shigueo Tanaka

Divulgador Científico e co-fundador do canal do YouTube Ciência em Si. Historiador da Ciência. Professor de Física e Matemática. Licenciado em Física pela Universidade Estadual de Maringá (UEM). Mestre em Ensino de Ciências e Matemática (PCM-UEM). Doutorando em Ensino de Ciências e Matemática (PCM-UEM).

Como referenciar este conteúdo

Tanaka, Hugo Shigueo. Hidrostática. Todo Estudo. Disponível em: https://www.todoestudo.com.br/fisica/hidrostatica. Acesso em: 29 de March de 2024.

Exercícios resolvidos

1. [CPS-SP]

Um paralelepípedo homogêneo de madeira, de altura igual a 20 cm e área da base igual a 6,25 cm2, apresenta 100 g de massa.
Lembre-se da densidade da água: dágua = 1 g/cm3.

Podemos afirmar que o paralelepípedo, quando colocado na água, flutuará, pois sua densidade é:

a) menor que a da água e vale 0,4 g/cm3.
b) menor que a da água e vale 0,6 g/cm3.
c) menor que a da água e vale 0,8 g/cm3.
d) igual à da água e vale 1,0 g/cm3.
e) maior que a da água e vale 1,2 g/cm3

Alternativa correta: C
A densidade será dada pela razão entre a massa e o volume. Por sua vez, o volume é dado pelo produto da área pela altura.

Assim:
V = 6,25 x 20 = 125

A densidade então:

d = m/V
d = 100/125
d = 0,8

2. [PUC-RS]

No oceano a pressão hidrostática aumenta aproximadamente uma atmosfera a cada 10 m de profundidade. Um submarino encontra-se a 200 m de profundidade, e a pressão do ar no seu interior é de uma atmosfera. Nesse contexto, pode-se concluir que a diferença de pressão entre o interior e o exterior do submarino é, aproximadamente, de

a) 200 atm
b) 100 atm
c) 21 atm
d) 20 atm
e) 19 atm

Alternativa correta: D

A diferença de pressão é causada pela coluna de água de 200 m é encontrada dividindo a profundidade por 10.
Assim, a pressão é de 20 atm.

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