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Empuxo – laboratório e formas

CiênciasForças e movimentoIdades 13–14

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Três telas de experimentos sobre o empuxo (princípio de Arquimedes). Laboratório permite ajustar continuamente a densidade do líquido e a gravidade e ler o empuxo num béquer que recolhe exatamente o volume de líquido deslocado; Formas compara um bloco, uma esfera, um cone, uma garrafa e um barco de mesmo volume, mostrando o volume submerso como a integral da área da seção transversal ao longo da altura; Explorar acrescenta uma balança sob todo o tanque e um sensor que mede a pressão em profundidade. Baseado na simulação "Buoyancy" da PhET Interactive Simulations, University of Colorado Boulder (CC BY 4.0); reescrito.

Aula: Empuxo e princípio de Arquimedes

O que mostra

O princípio de Arquimedes faz parte do tema densidade e pressão. Os alunos confirmam que o empuxo é igual ao peso do líquido deslocado pelo objeto, percebem que a posição de equilíbrio na flutuação não depende da gravidade e estendem a ideia de volume submerso a objetos de qualquer forma.

Como usar

A tela Laboratório permite ajustar continuamente a densidade do líquido (300–3000 kg/m³) e a gravidade (1–25 m/s², com botões rápidos Lua/Terra/Júpiter), além da massa e do volume de um bloco; um béquer ao lado do tanque mostra exatamente o volume de líquido deslocado pelo bloco, uma verificação direta da fórmula F_A = d·g·V_sub. A tela Formas permite escolher um bloco, uma esfera, um cone, uma garrafa ou um barco de mesmo volume e calcula o volume submerso integrando numericamente a área da seção transversal ao longo da altura — o gráfico de seção que a acompanha sombreia exatamente a parte "integrada" até a profundidade atual. A tela Explorar tem uma balança sob todo o tanque (ela indica a massa da água mais a do objeto enquanto o objeto ainda está na água) e um sensor de pressão que você pode arrastar para diferentes profundidades para medir p = d·g·h. Para um bloco de madeira de 5 litros e 800 kg/m³ na água, seja bloco ou esfera, o volume submerso ao flutuar é exatamente 4 litros, porque depende apenas da massa do objeto e da densidade do líquido — mudar a gravidade para a da Lua (1,6 m/s²) não altera esse volume submerso; só torna o empuxo e o peso menores na mesma proporção.

Parâmetros que você pode mudar

  • Tela inicial Laboratório, Formas, Explorar
  • Densidade do líquido (tela Laboratório) 300–3000 kg/m³
  • Gravidade g (tela Laboratório) 1–25 m/s²
  • Massa do bloco (tela Laboratório) 0,5–20 kg
  • Volume do bloco (tela Laboratório) 1–10 L
  • Forma (tela Formas) Bloco, Esfera, Cone, Garrafa, Barco
  • Material (telas Formas e Explorar) Isopor (150 kg/m³), Madeira (800 kg/m³), Gelo (920 kg/m³), PVC (1380 kg/m³), Tijolo (2000 kg/m³), Alumínio (2700 kg/m³), Ferro (7800 kg/m³), Personalizado
  • Densidade personalizada 100–12000 kg/m³
  • Volume (tela Formas) 1–10 L
  • Mostrar gráfico de seção (tela Formas)
  • Líquido (telas Formas e Explorar) Gasolina (700 kg/m³), Óleo de cozinha (920 kg/m³), Água (1000 kg/m³), Água do mar (1030 kg/m³), Mel (1420 kg/m³), Mercúrio (13600 kg/m³)
  • Volume (tela Explorar) 1–10 L

Perguntas para explorar

  1. Por que um bloco de madeira flutuando não afunda mais quando você muda da Terra para a Lua?
  2. Um bloco e uma esfera têm a mesma massa e ambos flutuam no mesmo líquido. Os volumes submersos são iguais? Por quê?
  3. Quando você tira completamente da água um bloco de ferro afundado, como muda a leitura da balança sob o tanque?

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