Objectivos
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Demonstrar como a distribuição das moléculas numa substância determina a sua densidade.
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Investigar as densidades relativas dos líquidos e as densidades relativas dos sólidos.
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Prever, testar e explicar a densidade relativa investigando as interacções dos líquidos e dos sólidos.
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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:
- Atoms de uma substância pode ter um tamanho semelhante mas ter mais massa do que os átomos de outra substância.
- Atoms de uma substância pode ter uma massa semelhante mas ser mais pequena, por isso, mais deles cabem dentro do mesmo volume.
- 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:
- 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 !)
- 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.