Impulsão e flutuação

Princípio de Arquimedes

O volume deslocado é a parte do objeto que fica abaixo da superfície do fluido. Para um objeto completamente submerso, é igual ao volume exterior do objeto. A fórmula não depende diretamente da densidade do próprio objeto.

Flutuação, afundamento e flutuabilidade neutra

Um objeto sem apoio acelera de acordo com a competição entre peso e impulsão. Se a sua densidade média for menor do que a densidade do fluido, pode subir e flutuar. Se for maior, tende a afundar. Densidades médias iguais permitem flutuabilidade neutra.

Porque pode flutuar um navio de aço

Um bloco maciço de aço é mais denso do que a água, mas um navio é em grande parte oco. Para flutuar, o que importa é a densidade média do navio inteiro, incluindo o volume preenchido por ar. O casco pode deslocar água suficiente para que o peso da água deslocada equilibre o peso do navio.

A mesma ideia aplica-se aos submarinos, que alteram a sua densidade média fazendo entrar ou sair água dos tanques de lastro. Um corpo flutuante estabiliza quando desloca exatamente fluido suficiente para F_B = mg; ao acrescentar carga, fica mais submerso porque tem de deslocar mais fluido.

Peso aparente

Quando um objeto é sustentado enquanto está submerso, a impulsão reduz a força de suporte. Se o objeto estiver totalmente submerso e em repouso, uma balança lê frequentemente T = mg − F_B. O verdadeiro peso gravitacional do objeto não mudou; o fluido fornece parte do suporte para cima.

O que muda com a profundidade?

Para um objeto rígido totalmente submerso num líquido incompressível de densidade constante, a impulsão é aproximadamente independente da profundidade: tanto a pressão superior como a inferior aumentam, mas a diferença entre elas continua ligada a ρg e à extensão vertical do objeto. Em fluidos compressíveis ou quando o objeto muda de volume, a profundidade pode ser relevante.

Os gases também produzem impulsão. Um balão de hélio sobe não porque o hélio tenha «peso negativo», mas porque o ar circundante deslocado pelo balão pesa mais do que o hélio mais o invólucro. A força resultante para cima é a impulsão menos o peso total.

Exemplos resolvidos

1. Bloco totalmente submerso

Um bloco de 0,020 m³ está totalmente submerso em água. Que força de impulsão atua sobre ele?

2. Fração submersa

Uma peça uniforme de madeira tem densidade 650 kg m⁻³ e flutua em água doce. Que fração do seu volume fica submersa?

3. Peso aparente

Um sólido de 10 kg e volume 0,0040 m³ está totalmente submerso em água e é sustentado por uma balança. Que valor indica a balança?