3ª Lei de Newton ou Lei da Ação-Reação Ciências Físico-químicas 9º ano de escolaridade
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- Paulo Antunes Martinho
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1 Ciências Físico-químicas - 9º ano de Unidade 1 EM TRÂNSITO O que magoa mais: A pisadela de um elefante? A pisadela de um sapato de salto alto? Pressão e Impulsão Qual a diferença? Por que razão quando caminhas na areia da praia deixas marcas na areia? Forças de pressão 2 Será que o efeito de uma força que atua sobre uma superfície depende também da área dessa superfície? Será que o efeito de uma força que atua sobre uma superfície depende também da área dessa superfície? A diferença está na superfície em que te apoias; a superfície de apoio dos esquis é bem maior do que a dos sapatos e a pressão que se exerce na neve é bem menor. A mesma força distribuída por superfícies de contato de áreas diferentes, produz pressões diferentes. O que é a pressão? É uma grandeza física escalar (P) que depende da intensidade da força (F) exercida e da área de superfície (A) onde essa força atua. 1N 1Pa 2 1m F P A Unidade SI: É o pascal, Pa, que corresponde ao newton por metro quadrado. A marca deixada na areia pelo tijolo é mais profunda, quando a área da superfície é menor. A pressão exercida pelo tijolo (peso do tijolo) na areia é tanto maior quanto menor for a área de superfície de contato. Apesar da área de superfície de apoio ser igual, a marca deixada na areia pelos dois tijolos sobrepostos é mais profunda, do que a marca deixada por um só tijolo. A pressão exercida na areia é tanto maior quanto maior for a força exercida nos tijolos. 3 4 Docente. Marília Silva Soares 1
2 Será que o efeito de uma força que atua sobre uma superfície depende também da área dessa superfície? O que magoa mais: A pisadela de um elefante? A pisadela de um sapato de salto alto? Qual a diferença? Por que razão quando caminhas na areia da praia deixas marcas na areia? Em suma A pressão é: - tanto maior quanto menor for a área de superfície de contato; - tanto maior quanto maior for a força exercida na superfície de contato. 5 6 Funcionamento dos cintos de segurança e dos capacetes dos motociclistas Ciências Físico-químicas - 9º ano de Unidade 1 EM TRÂNSITO Os cintos de segurança e os capacetes permitem distribuir a intensidade da força de colisão por uma superfície maior, fazendo com que o seu efeito seja menor e as consequências da colisão não sejam tão graves. O papel dos cintos de segurança e dos capacetes dos motociclistas é, diminuir a pressão exercida sobre o corpo do passageiro, através da distribuição da força de impato por uma área da superfície de contato maior Pressão e Impulsão Impulsão Os cintos de segurança e os capacetes dos motociclistas diminuem a pressão exercida pelas forças de impato sobre os passageiros. 7 Docente. Marília Silva Soares 2
3 Como se explica a flutuação de um corpo? Qualquer corpo dentro de água parece mais leve Porque é que uma pessoa flutua mais facilmente na água do mar do que na água doce de uma piscina? Por que é que um navio, que pesa muitas toneladas, flutua e uma pequena esfera metálica não flutua? Porque flutuam no ar, os balões de ar quente? Qualquer corpo mergulhado num fluído (líquido ou gás) fica sujeito a uma força vertical, de baixo para cima, exercida por esse fluído. Esta força designa-se por impulsão, ( I ). Impulsão: força que tem direção do peso mas sentido contrário a este, e que resulta da interação do corpo com um fluído onde este estiver contido. A impulsão nos líquidos é muito maior do que nos gases. Como funcionam os submarinos? Quando estamos dentro de água parecemos ser mais leves, havendo a sensação de que algo nos empurra para a superfície da água Qualquer corpo mergulhado num líquido tem um peso inferior ao seu peso real. Esse peso designa-se por peso aparente do corpo. O peso aparente é a resultante de duas forças com sentidos opostos o peso real e a impulsão, quando está mergulhado num líquido. Porque razão uns corpos flutuam na água e outros não? Conforme as intensidades das duas forças, peso do corpo e impulsão: O peso atua fazendo descer o 1) Se o peso do corpo for maior do 2) Se o peso do corpo for igual ao valor 3) Se o peso do corpo for menor do peso real peso aparente P P ap I corpo no interior do fluído, e a impulsão provoca a subida do corpo. que a impulsão do fluido (P > I), o corpo afunda-se da impulsão do fluido (P = I), o corpo fica em equilíbrio no interior do corpo que a impulsão do fluido (P < I), o corpo flutua I Peso aparente = peso real impulsão P ap = P r I O valor da impulsão é igual à diferença entre os valores do peso I = P r P ap real (P r) e do peso aparente (P ap) do corpo. 11 P > I P = I P < I A impulsão é uma força vertical e com sentido de baixo para cima, com intensidade igual ao valor do peso do volume de líquido deslocado pelo corpo. 12 Docente. Marília Silva Soares 3
4 Peso do fluido deslocado Peso do fluido deslocado A massa volúmica, ou densidade, ( ) é o quociente entre a massa (m) do corpo e o volume que este ocupa (V). Se considerarmos dois corpos com o mesmo volume, sabemos que o que é mais denso é o que tiver maior massa. m V Unidades SI Massa : quilograma (Kg) Volume: metros cúbicos (m 3 ) Se o corpo estiver completamente imerso no fluído, o volume de fluído deslocado será igual ao volume total do corpo. Se o corpo estiver apenas parcialmente imerso no fluído, então o volume de fluído deslocado será igual ao volume imerso do corpo, que será uma fração do volume total. Da definição de massa volúmica, temos que a massa do fluído deslocado é m fluído Volume O volume de fluído deslocado por um corpo mergulhado num fluído é igual ao volume imerso desse corpo. Então o peso deslocado será: P fluído Volume g * O cálculo do valor da impulsão pode ser feito se soubermos a massa volúmica do fluído e se conhecermos o volume de fluído deslocado O Mito de Arquimedes É a Arquimedes (287 a.c a.c.), físico e matemático grego, que viveu em Siracusa, Sicília, que se deve a descoberta da força de impulsão. Reza a lenda que, por volta do séc. III a.c.,o rei Hieron de Siracusa havia encomendado uma coroa de ouro, para homenagear uma divindade que supostamente o protegera nas suas conquistas. Entretanto, foi levantada a acusação de que o ourives o enganara, misturando o ouro maciço com prata na manufactura da coroa. A Lei De Arquimedes Sempre que um corpo se encontra mergulhado num fluido, este exerce sobre o corpo uma força a que chamamos impulsão, com direção vertical, sentido de baixo para cima e de intensidade igual ao valor do peso do volume de líquido deslocado (P volume de líquido deslocado ). I = P volume de líquido deslocado Para descobrir a verdade, Hieron pediu a ajuda de Arquimedes. A sua tarefa seria descobrir, sem danificar o objecto, se a coroa era 100% em ouro, ou se continha uma parte feita em prata Certo dia, Arquimedes terá descoberto a solução para o problema, enquanto tomava banho. Ora Arquimedes, de quem se diz que era muito distraído, ficou tão entusiasmado com a sua descoberta que saltou da banheira e saiu para a rua, completamente nu, gritando: A impulsão ocorre sempre que temos corpos total ou parcialmente imersos num fluído, seja ele líquido ou gasoso. «Eureka! Eureka!», que significa: Descobri! Descobri! A solução do seu problema levou-o a enunciar a Lei de Arquimedes Docente. Marília Silva Soares 4
5 A Lei De Arquimedes Qualquer corpo mergulhado num líquido recebe da parte deste uma impulsão vertical, de baixo para cima, de valor igual ao do peso do volume de líquido deslocado. A Lei De Arquimedes Podemos calcular também a massa do líquido deslocado, a partir do seu volume: Como água = 1,0 g/cm 3, a 4ºC m V 3 massa 1, 0g / cm 3 50cm mágua que saiu 50g I = P líquido deslocado I = P líquido deslocado e novamente Págua que saiu 0, 050 9, 8 Págua que saiu 0, 50N I = P r P ap Ao analisarmos os valores registados, pode-se concluir que o valor da impulsão, I, que o corpo recebe, e que foi calculado pela diferença entre os valores dos pesos real e aparente ( I = P real P aparente), é igual ao valor do peso do volume de água que foi deslocado pelo corpo De que depende a impulsão? De que depende a impulsão? Se colocarmos plasticina em forma de esfera, dentro da água, verificamos que ela vai ao fundo. Se a moldarmos em forma de cesto ela vai flutuar. Porquê? Quando está em forma de cesto, o volume imerso é maior. Se colocarmos um ovo num copo com água doce e outro ovo dentro de um copo com água salgada, o que acontecerá? É mais fácil flutuarmos em água doce ou em água salgada? Porquê? Água Água doce salgada Segundo a Lei de Arquimedes, se o volume do liquido deslocado é maior, também o valor do seu peso é maior, o que origina uma maior impulsão. O ovo flutua na água salgada porque a impulsão é maior. Quanto maior a densidade de um fluído, maior é a impulsão. No Mar Morto a densidade da água é muito grande devido à sua elevada salinidade Como a densidade dos líquidos é muito maior do que as dos gases, a sua impulsão também é muito maior do que a dos gases. Quanto maior for o volume imerso, maior é a impulsão Para que um corpo flutue, num determinado fluido, é necessário que a densidade desse corpo seja menor do que a do fluido Docente. Marília Silva Soares 5
6 De que depende a impulsão? Para um mesmo corpo, quanto mais denso for o fluído em que ele se encontra, maior será a impulsão que o corpo sofre. A impulsão será tanto maior quanto maior for o volume de fluído deslocado, sendo que este é Porque flutuam os barcos? Os barcos, apesar de serem feitos de materiais densos como o ferro e o aço, flutuam na água porque recebem desta uma impulsão suficiente para compensar o seu enorme peso. Como? igual ao volume imerso do corpo. A impulsão não depende do peso do corpo. Maior densidade do líquido Maior Impulsão Nos navios o volume da parte imersa é muito grande, para que seja também muito grande o volume da água deslocada, e consequentemente, a impulsão. A forma da parte inferior dos navios, está estudada para que a impulsão aumente ao aumentar o peso do navio devido à carga, de modo a que se P I tenha sempre: Maior o volume imerso Maior Impulsão I = - P ou I = P 21 vectorialmente em módulo dos vectores 22 Como funcionam os submarinos? P = I Os submarinos dispõem de tanques especiais no casco. Para submergir há válvulas que abrem, permitindo a entrada de água do mar para esses tanques. O peso do submarino aumenta, passando a ser P > I superior à impulsão: P > I I > P Porque flutuam os balões de ar quente? De acordo com o principio de Arquimedes, um balão elevar-se-á no ar, quando o valor do seu peso for inferior ao valor da impulsão que o ar exerce sobre ele. Para se conseguir esta condição os balões são normalmente cheios com um gás menos denso que o ar, como o hélio, ou, então com ar quente. Para vir à superfície, os tanques são esvaziados através de ar comprimido. Como o valor do peso diminui sem variar o volume do submarino, a impulsão torna-se maior do que o peso do submarino fazendo-o vir à superfície. I > P P = I O ar quente é menos denso que o ar frio, pois o aquecimento provoca um aumento de volume e consequentemente diminuição da densidade. O ar dentro do balão, torna-se assim menos denso, que o ar que o rodeia Docente. Marília Silva Soares 6
7 Conforme a relação entre o peso e a impulsão o corpo flutua, afunda ou permanece em equilibrio no interior do fluído. Se a massa volúmica for igual à do líquido, a impulsão é igual ao peso do corpo e este fica em equilíbrio, totalmente imerso. Se a massa volúmica do corpo for menor do que a do líquido, a impulsão é maior do que o peso, logo o corpo flutua. Se a massa volúmica do corpo for maior do que a do líquido, o corpo afunda-se. 25 Docente. Marília Silva Soares 7
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