Relembrando Hidrostática

Já vimos em alguma parte do passado recente que a Hidrostática é parte da Física que estuda os fluídos (líquido e gás) em repouso (que não estejam em escoamento (=movimento)).

1. Massa Específica

É a relação entre massa e volume ocupado por esta massa. E essa relação é definida para corpos homogêneos.

Sendo:

ρ = massa específica

m = massa de corpo homogêneo

V = volume ocupado pela massa

2. Densidade

A relação, também, é entre a massa e volume, porém, corpos não homogêneos.

Sendo:

d = densidade

m’ = massa de corpo não homogêneo

V’ = volume ocupado por este corpo

3. Pressão

A pressão é definida como a aplicação de uma determinada força distribuída sobre uma área.

Nota: A unidade de medida da pressão é Newton por metro quadrado (N/m²).  No caso de fluídos o Newton por metro quadrado é, também, denominado de pascal (Pa).

4. Princípio de Stevin

O princípio de Stevin nos permite calcular a pressão em um líquido em repouso, estando com sua superfície livre em contato com a atmosfera.

Sendo:

P_A = pressão num certo ponto A do líquido

P_atm = pressão atmosférica

ρ = massa específica do liquido

g = aceleração da gravidade

h = profundidade do ponto A

(h + h’) = profundidade do ponto B

5. Princípio de Pascal

Um acréscimo de pressão exercido em qualquer ponto de um fluido é transmitido para todo o fluido.

Como a pressão é igual em todos os pontos do fluído, podemos escrever a seguinte equação:

Portanto, se a área A₁ é 4 vezes maior que a área A₂, temos um amplificador de força F₁ = 4_*F₂

6. Princípio de Arquimedes

Todo corpo mergulhado em um fluido (liquido, ou gás) sofre, devido a este (ao fluido), uma ação de força vertical para cima (Empuxo), cuja intensidade é igual ao peso do fluido deslocado pelo corpo.

AS EQUAÇÕES:

Seja V_F o volume do fluido deslocado pelo corpo. Então a massa do fluido deslocado (m_F) é calculada pela seguinte relação:

Sendo:

m_F = massa do fluido deslocado (Kg)

ρ_F = densidade do fluido (Kg/m³)

V_F = Volume do fluido deslocado (m³)

A intensidade do empuxo é igual à do peso dessa massa deslocada:

Sendo,

g = aceleração da gravidade (m/s²)

As equações a seguir valem para corpos totalmente imersos. Portanto, o volume do fluido deslocado é igual ao próprio volume do corpo.

Sendo:

P = peso do corpo (N)

ρ_C = densidade do corpo (Kg/m³)

V_C = Volume do corpo (m³)

g = aceleração da gravidade (m/s²)

E = empuxo (N)

ρ_F = densidade do fluido (Kg/m³)

V_F = Volume do fluido deslocado (m³)

Se o empuxo for maior que a força peso, a tendência do corpo é de subir com aceleração. Caso peso seja maior que o empuxo, a tendência é de o corpo descer com aceleração. Tanto no primeiro caso, ou no segundo a força resultante é diferente de zero (vale a 2ª Lei de Newton, Princípio Fundamental da Dinâmica). Quando o empuxo for igual à força peso, a tendência do corpo é permanecer parado.

7. Curiosidade:

O submarino funciona de acordo com o Princípio de Arquimedes.

Um submarino ou qualquer tipo de navio pode flutuar porque o peso da água deslocada é igual ao peso da embarcação. Esse deslocamento de água cria uma força que puxa para cima, chamada força de flutuação (Empuxo), e age em oposição à gravidade que puxa a embarcação para baixo. Diferente do navio, o submarino pode controlar a sua flutuação, podendo assim submergir e emergir conforme a necessidade.

Para controlar a flutuação, o submarino possui tanques de lastro e auxiliares, ou tanques de balanceamento, que podem, alternadamente, serem enchidos com água ou ar.

Salvo em situações de emergência, um submarino ao tentar submergir, (ou emergir) não inunda, (ou não solta) subitamente toda a água em seus tanques de lastro. Essa ação súbita provocaria uma descida, (ou subida) acelerada difícil de ser controlada.   A inundação, ou liberação de água dos tanques de lastro é feita de forma controlada, de modo a manter a força de empuxo igual à força peso e desta maneira conseguir afundar ou subir gradualmente com velocidade constante. O controle de descida, ou subida gradual é feito pela hélice de propulsão em conjunto com as aletas controladoras de movimento vertical (hidroplanos) que se localizam na popa (parte de trás).

Quando o submarino está na superfície, os tanques de lastro estão cheios de ar, portanto, a densidade do submarino é menor que a da água circundante. Para mergulhar o submarino enche os seus tanques de lastro de água até que a densidade seja maior do que da água. Como conseqüência o submarino entra na condição de flutuação negativa e começa a afundar. Os hidroplanos juntamente com a hélice de propulsão, na popa, são utilizados para controlar o ângulo de mergulho.  (Os hidroplanos são posicionados de forma a permitir que a água se mova debaixo da popa, fazendo-a mover-se para cima, como resultado, o submarino desloca-se para baixo).

Para que o submarino mantenha o nivelamento a certa profundidade, mantém o equilíbrio entre água e ar nos seus tanques de lastro, para que a densidade seja igual à da água circundante (condição de flutuação neutra).  

Em flutuação neutra os hidroplanos são ajustados de forma que o submarino se mantenha a profundidade e movimentados para executar pequenas correções no nível. A água é injetada nos tanques auxiliares de popa e proa para manter o submarino nivelado na horizontal. O submarino pode de movimentar na água usando as hélices de propulsão e leme da cauda para virar a estibordo (direita), a bombordo (esquerda); e os hidroplanos para controlar o ângulo de proa a popa.

Para emergir o ar comprimido flui dos tanques de ar para os tanques de lastro e a água é forçada a sair, até que atinja a condição de flutuação positiva, isto é, a densidade do submarino seja inferior que a da água em sua volta. Os hidroplanos são posicionados de forma que a água se mova sobre a popa, forçando a parte traseira do submarino para baixo, assim o submarino é apontado para cima.