Empuxo
Área do conhecimento ligada ao experimento
Mecânica.
Princípios físicos ligados ao experimento
Empuxo;
Força centrípeta, força peso e tração;
Densidade.
Princípio correlato ao experimento
Equilíbrio hidrostático.
Descrição do experimento
O Empuxo é um experimento em que podemos observar o que ocorre quando uma mistura – composta por dois sólidos de diferentes densidades imersos num líquido –, comporta-se quando submetida a um processo de centrifugação.
Além disso, poderemos ainda observar o comportamento das forças (empuxo, peso e tensora) que atuam sobre duas esferas quando elas estiverem imersas num líquido homogêneo, como mostra a foto ao lado.
Conceitos importantes!
Empuxo: Segundo Arquimedes, quando um sólido é mergulhado total ou parcialmente em um fluido homogêneo, em equilíbrio e sob a ação da gravidade, ele fica sujeito a uma força, aplicada pelo fluido, denominada Empuxo. Essa força tem as seguintes características:
1) Intensidade: igual ao peso do fluido deslocado pela presença do sólido;
2) Direção: vertical;
3) Sentido: de baixo para cima.
Vale lembrar que a intensidade dessa força (Empuxo) pode ser calculada a partir da seguinte expressão:
Onde:
µ - densidade do fluido;
V - volume do fluido deslocado;
g - gravidade local.
Centrifugação: É um processo de separação de substâncias (líquidas ou sólidas) através de um mecanismo que fornece rotação. Na verdade, a rotação é um recurso que acelera o processo de sedimentação da substância mais densa que, com o giro, precipita-se para o fundo do tubo de teste. Note que a substância que possui menor densidade fica mais próxima da parte central (pivô) da centrífuga, como mostra a ilustração ao lado. Vale lembrar que, atualmente, esse processo é usado na indústria de grande escala e também em laboratórios científicos.
Como o sistema funciona
A ilustração ao lado mostra duas esferas (1 e 2), com densidades diferentes, que estão imersas num líquido homogêneo. O sistema está em equilíbrio hidrostático devido à atuação de várias forças sobre as esferas. Note que, na esfera 1, cuja densidade é menor em relação à densidade da água, as forças “P” e “T”, que atuam para baixo, são equilibradas pelo empuxo (E), que atua para cima. Já na esfera 2, mais densa que a água, as forças “E” e “T”, que atuam para cima, são equilibradas pela força peso (P).
Assim, devido à presença dessas forças, as bolas são mantidas em equilíbrio com relação à vertical. Porém, se o sistema for submetido a uma rotação, através de um dispositivo, as bolas sofrerão movimentações horizontais, segundo os seguintes critérios:
1) Parte de baixo (esfera 1 e líquido): Como a água é mais densa do que a esfera 1, com o giro, a água é “jogada” contra a parede do recipiente, fazendo com que a esfera seja defletida no sentido do pivô da centrífuga.
2) Parte de cima (esfera 2 e líquido): A esfera 2, mais densa do que a água, com o giro, agora é defletida para fora da trajetória circular.
Desse modo, analisando todo o sistema, é possível observar as diferentes deflexões laterais sofridas pelas bolas (1 e 2) quando o sistema é posto em rotação (centrifugação).
Outros sistemas onde esses princípios ocorrem
É importante ressaltar que o processo de centrifugação pode também ser usado na tecnologia do enriquecimento de urânio – processo de separação da substância hexafluoreto de urânio (UF6). A tecnologia de ultracentrifugação – método que se utiliza de uma ultracentrífuga capaz de criar um campo de forças centrífugas muito intenso – foi desenvolvida durante o período da Segunda Guerra Mundial e, posteriormente, aperfeiçoada pelos russos. Atualmente, menos de 10 países no mundo dominam essa tecnologia, sendo o Brasil um deles.
Além desse complexo uso (ultracentrifugação), podemos ainda citar: a máquina de lavar roupa, a centrífuga de laboratório, que pode separar o plasma do sangue dos glóbulos vermelhos, por exemplo, e a centrífuga industrial, que consegue separar a nata do leite.
Perguntas frequentes:
1) Qual é a importância do empuxo em nossas vidas?
Resposta: Alguns dos efeitos básicos do empuxo podem ser observados quando nadamos ou simplesmente flutuamos sobre as águas sem afundar, barcos e navios que deslizam sobre as águas ou, ainda, quando observamos balões subirem livremente para os céus.
2) Que efeito a densidade de um líquido exerce sobre o empuxo de um objeto?
Resposta: Quanto mais denso for o líquido, mais empuxo ele oferecerá para um objeto imerso nele. Por exemplo: você flutua mais alto quando nada em água salgada do que em água doce, pois a água salgada é mais densa.
3) Qual é a unidade de centrifugação?
Resposta: As unidades de centrifugação são dadas em “rpm” (rotações por minuto) ou, ainda, em “g” (força associada à gravidade).
Glossário
Densidade: É também conhecida como massa específica de um material ou substância. A densidade é dada por uma relação entre a massa (m) de um corpo e o seu volume (V) e pode ser assim representada:
