Flutuadores e Afundadores

Objectivos

  • Demonstrar como a distribuição das moléculas numa substância determina a sua densidade.

  • Investigar as densidades relativas dos líquidos e as densidades relativas dos sólidos.

  • Prever, testar e explicar a densidade relativa investigando as interacções dos líquidos e dos sólidos.

  • Demonstruir a compreensão da relação entre densidade e flutuabilidade através da construção de um barco.

Materiais

    • p>ver actividades individuais para materiais.

    Contexto

    Densidade, Massa & Volume
    Simplesmente colocado, densidade é o quão apertado “material” é embalado num espaço definido.

    Por exemplo, uma mala cheia de roupa e lembranças tem uma alta densidade, enquanto a mesma mala contendo dois pares de roupa interior tem baixa densidade. Em termos de tamanho, ambas as malas têm o mesmo aspecto, mas a sua densidade depende da relação entre a sua massa e volume.
    Massa é a quantidade de matéria num objecto.
    Volume é a quantidade de espaço que um objecto ocupa em três dimensões.

    Densidade é calculada utilizando a seguinte equação: Densidade = massa/volume ou D = m/v.

    P> Vamos comparar três substâncias familiares para explorar o conceito de densidade. Se tomarmos o mesmo volume (um centímetro cúbico) de espuma, madeira e betão, podemos ver que cada um tem uma massa diferente.

    Less Dense, More Dense
    Se algo é pesado pelo seu tamanho, tem uma alta densidade. Se um objecto é leve pelo seu tamanho, tem uma baixa densidade.

    Um calhau é pesado pelo seu tamanho, em comparação com um pedaço de pipocas que é leve pelo seu tamanho. Imagine uma grande tigela de pipocas, em comparação com uma grande tigela de seixos, que se sentiria mais pesada?

    É fácil estimar as densidades relativas se se mantiver o volume ou a massa de dois objectos iguais.

    Se se encher um saco com um kg de penas e outro com um kg de chumbo, ver-se-á que as penas ocupam muito mais espaço, mesmo que ambos os sacos tenham a mesma massa. Isto porque as penas são menos densas, têm menos massa por volume. Se fizesse um cubo de cobre e um cubo de alumínio do mesmo volume e colocasse um em cada mão, poderia sentir que o cubo de cobre seria mais pesado. O cobre tem mais massa por volume do que o alumínio.

    Como pode uma substância ter mais massa por volume do que outra? Há algumas possibilidades:

  1. Atoms de uma substância pode ter um tamanho semelhante mas ter mais massa do que os átomos de outra substância.
  2. Atoms de uma substância pode ter uma massa semelhante mas ser mais pequena, por isso, mais deles cabem dentro do mesmo volume.
  3. Os átomos de uma substância podem estar dispostos de modo a permitir que mais deles caibam no mesmo volume.

Uma ou uma combinação destas explicações pode ser a razão pela qual uma substância tem uma densidade mais alta do que outra. No caso do cobre e do alumínio, os seus átomos estão dispostos de forma semelhante, mas os átomos de cobre são mais pequenos e têm mais massa do que os átomos de alumínio, dando-lhe uma maior densidade.

Densidade, Afundamento e Flutuação
Por que razão algumas coisas flutuam, enquanto outras se afundam? Pode-se esperar que objectos mais pesados se afundem e objectos mais leves flutuem, mas por vezes o oposto é verdadeiro. As densidades relativas de um objecto e o líquido em que é colocado determinam se esse objecto se vai afundar ou flutuar. Um objecto que tenha uma densidade mais elevada do que o líquido em que se afunda, irá afundar-se. Um objecto que tenha uma densidade inferior à do líquido em que se encontra flutuará.

É possível ver realmente densidades relativas em funcionamento quando se olha para um objecto pesado a flutuar e um mais leve a afundar-se. Por exemplo, imagine colocar um pequeno pedaço de barro e uma vela de cera grande e pesada numa banheira de água. Mesmo sendo mais leve, o pedaço de barro tem uma densidade superior à da água e, portanto, afunda-se. Mesmo sendo mais pesado, a cera tem uma densidade inferior à da água, pelo que a vela grande flutua.

p>Abeber e flutuar aplica-se também a líquidos. Por exemplo, se se adicionar óleo vegetal à água, o óleo flutua sobre a água porque o óleo tem uma densidade inferior à da água.

Buoyancy and Archimedes’ Principle
O antigo filósofo grego Arquimedes descobriu que quando um objecto é submerso na água, empurra para o lado (ou desloca) uma quantidade de água com a mesma massa que o objecto.

A água empurra para cima contra o objecto com uma força (flutuação) igual ao peso da água que é deslocada.

Vamos explorar o princípio de Arquimedes lançando uma bola de bowling numa banheira de água. Quando a bola é submersa na água, ela desloca o seu volume na água. De acordo com o princípio de Arquimedes, a água pode “empurrar para trás” com uma força igual ao peso da água que foi deslocada.

Um litro de água tem uma densidade de 1 quilograma por litro (1 kg/L), pelo que o valor da água de uma bola de bowling (4,5 L) pode empurrar para trás na bola de bowling com uma força igual a 45 newtons (N). Este é o peso de uma massa de 4,5 kg. No entanto, o peso da bola é mais como 55 N. É mais do que a força flutuante da água que deslocou, por isso afunda-se.

Uma bola de praia pode ter o mesmo volume que uma bola de bowling, mas tem uma massa muito menor. Quando uma bola de praia numa banheira de água, ela desloca a massa de água igual à sua própria massa – cerca de 0,01 kg. Se se tentasse empurrar a bola de praia para baixo e deslocar mais água, a água empurraria para trás com uma força superior ao peso da bola de praia. O empurrão da água mantém a bola de praia a flutuar.

Buoyancy é a força ascendente que precisamos da água para nos mantermos a flutuar. Forças de flutuação são a razão pela qual nos sentimos tão mais leves quando estamos numa piscina. Os nossos corpos são na sua maioria água, pelo que a nossa densidade é bastante próxima da da água. Devido a isto, uma pessoa comum necessita apenas de um pouco mais de flutuabilidade para flutuar. Um colete salva-vidas proporciona esta flutuação extra.

Densidade de flutuação
Pode alterar a densidade de uma substância aquecendo-a, arrefecendo-a, ou adicionando-lhe algo. Se um objecto se afunda na água, é porque o objecto tem uma densidade mais elevada do que a água. Há duas maneiras possíveis de fazer esse objecto flutuar, contudo:

  1. Incrementar a densidade da água de modo a que a água se torne mais densa do que o objecto. Por exemplo, um ovo afunda-se normalmente num copo de água, porque é mais denso do que a água. A adição de sal à água aumenta a densidade da água, permitindo que o ovo flutue. Esta experiência também funciona com pessoas, mas é preciso muito sal (tente o oceano, ou melhor ainda, o Mar Morto !)
  2. Incrementar o volume do objecto para que o objecto se torne menos denso do que a água. Um grande exemplo disto é o gelo a flutuar na água. O gelo é formado por água gelada. Quando congela, o seu volume aumenta à medida que as moléculas de água se afastam mais para acomodar a estrutura da grelha de gelo. Porque o gelo é agora menos denso do que a água, flutua. Este fenómeno também explica porque é que os navios flutuam, apesar de serem feitos de aço. Um navio é construído de tal forma que encerra grandes quantidades de espaço aberto. A nave ainda desloca o seu peso na água, mas devido à forma como a nave é construída, ocupa mais espaço do que o volume da água que desloca, pelo que flutua.

Vocabulário

Arquimedes: Matemático, físico, engenheiro, inventor e astrónomo grego (c. 287 BC-c. 212 BC).
Princípio de Archimedes: Qualquer objecto total ou parcialmente imerso num fluido é balizado por uma força igual ao peso do fluido que é deslocado pelo objecto. Por outras palavras, a flutuabilidade é igual ao peso do fluido deslocado.
flutuabilidade: A força ascendente que um fluido exerce sobre um objecto menos denso do que ele próprio; a capacidade de flutuar.
densidade: Quão próximas estão as moléculas de um objecto ou substância.
displace: Empurrar para fora do caminho. Por exemplo, quando um objecto vai para a água, ele desloca a água.
imiscíveis: Impossível de ser misturado, como o óleo e a água.
madeira de ferro: O nome de um grande número de madeiras que têm reputação de dureza e alta densidade.
massa: A quantidade de matéria num determinado espaço.
matéria: A substância que compõe todas as coisas físicas.
pedra de pedra-pomes: A espuma de lava conhecida pela sua pequena massa e baixa densidade, apesar de se parecer com uma rocha.
peso: Uma medida da força da gravidade sobre um objecto.
volume: A quantidade de espaço que uma substância ou objecto ocupa.

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