Hidrostática é a parte da Física que estuda os fluídos (líquidos e gases) em repouso sob a ação de um campo gravitacional constante. Veja no resumo Enem.
Os conceitos de Física estão presentes ao nosso redor o tempo todo. Acredito que você já saiba disso. Nessa aula, iremos mais a fundo nas profundezas dos líquidos, no estudo sobre Hidrostática.
Nessa área de estudo, você irá aprender como se comportam os líquidos. Além disso, verá como esse conhecimento pode te ajudar tanto no Enem! Isso porque ele é cobrado na maioria dos anos.
Por fim, você aprenderá a montar seu próprio sistema de abastecimento de água sozinho/a! Vamos nessa!
Imagem 1: Fotografia da represa da Usina de Itaipu, em Foz do Iguaçu, no Paraná.
Na imagem acima, vemos a represa de Foz do Iguaçu, Paraná, situada no oeste do estado. Nessa represa, temos uma das maiores usinas de energia elétrica do mundo: Itaipu. A água represada também é um objeto de estudo da Hidrostática.
Ela tem muito em comum com a instalação de um sistema hidrostático, como por exemplo o encanamento de água residenciais. Antes de aprofundarmos os estudos sobre hidrostática, precisamos rever alguns conceitos de física. Então, vamos lá!
Introdução à Hidrostática
A Hidrostática, também conhecida como estática dos fluidos, é a parte da Física que estuda os fluídos (líquidos e gases) em repouso sob a ação de um campo gravitacional constante.
Confira um resumo inicial com o professor Antônio Martins, o Tonho dos cursinhos e do canal do Curso Enem Gratuito. Veja Densidade e Pressão:
Como você viu, o nome Hidrostática se mantém por convenção histórica. Isso porque seus estudos tiveram início com a água e, em seguida, foram generalizados para os demais líquidos e gases.
As leis que regem esse ramo estão presentes, como já falamos, nas mais diversas situações que envolvam os mais diversos fluidos. Um exemplo é o que demos anteriormente: a instalação hidráulica de uma residência.
Pressão
Um conceito importante nos estudos de Hidrostática é o de Pressão. Ele está ligado à força exercida por unidade de área. Ou seja, sempre que for aplicada uma força sobre um objeto, há uma pressão que também está sendo aplicada.
Nesse sentido, podemos estabelecer uma relação entre área de contato e pressão. Para isso, o princípio da pressão diz que quanto maior a área de contato com uma força, menor será a pressão. Ou ainda, quanto menor for a área, maior é a pressão.
Imagem 2: Na imagem vemos um desenho em que temos um homem em pé com areia movediça até os joelhos e acima dele está escrito “este afunda rápido”. Ao lado, há um homem deitado sobre a areia movediça e acima dele está escrito “este não”. Através da imagem podemos perceber um princípio fundamental da pressão: quanto menor a área de contanto maior a pressão, e vice-versa.
Densidade
Quando calculamos uma força, devemos levar em conta a massa dos corpos e a aceleração associada. Nesse caso, já que consideramos o campo gravitacional constante, é possível utilizar a aceleração da gravidade. Todavia, como iremos mensurar a massa de um fluido? Por isso, é importante a definição do conceito de densidade dos fluidos.
Imagem 3: Esquema de uma balança demonstrando que um kg de chumbo e um kg de algodão possuem a mesma massa, mas não o mesmo volume, o que difere são suas densidades.
A densidade, sob valores constantes de temperatura e pressão, é definida pela razão entre a massa e o volume do fluido envolvido. Para aprofundar seus estudos sobre densidade, veja a aula abaixo, com a professora Lia, do canal do Curso Enem Gratuito:
Assim, definindo o conceito de pressão e densidade para os fluidos, podemos agora aprofundar um pouco mais nosso estudo sobre hidrostática.
Pressão hidrostática
Como o próprio nome já sugere, pressão hidrostática é a pressão exercida pelo um peso (P) de uma coluna de um fluido. Essa grandeza é diretamente proporcional à profundidade e à densidade do fluido. Para entender melhor, observe a figura a seguir:
Imagem 4: Nesse experimento simples, podemos observar a diferença de alcance dos jatos de um líquido em relação à altura que cada furo se localiza. Na imagem há o desenho esquemático de uma garrafa PET. Nela há três furos com diferentes alturas por onde vazam líquidos. Quanto mais para baixo está o furo, mais longe o jato de água vai.
Na imagem 4, observamos que o jato de líquido de maior alcance é aquele em que o furo está em maior profundidade em relação à superfície livre. Nesse caso, podemos dizer que o furo mais profundo sofre mais pressão do que os furos superiores. Além disso, quanto mais profundo maior é a pressão.
Assim, podemos aproximar este experimento simples à instalação de uma caixa d’água residencial. Mas como fazer isso?
O furo mais próximo da base da garrafa está sujeito a uma maior pressão. Logo, em uma instalação residencial, deve-se pensar em como distribuir as torneiras, chuveiros e vasos sanitários pela casa. Isso porque quanto mais baixos estiverem, em relação à caixa d’água, maior será a pressão à coluna de água. Assim, por vezes, é necessária a instalação de reguladores de pressão, para não haver problemas posteriores.
Agora você já sabe como proceder em uma instalação hidráulica, pelo menos com os princípios básicos envolvidos. Sendo assim, vamos voltar ao conceito de pressão hidrostática.
Equação fundamental da hidrostática
Como já comentado acima, a pressão hidrostática é diretamente proporcional à densidade (d) e à altura (h) da coluna do fluido. Além disso, para fins de equacionar essa pressão, temos uma constante de proporcionalidade, que neste caso é representada pela aceleração da gravidade (g).
Assim, temos que:
p hid = dgh
onde é denominada pressão hidrostática.
Todavia, de modo geral, a pressão total em um ponto a uma profundidade (h) sobre um líquido de densidade (d), numa região de pressão atmosférica (po) e aceleração da gravidade (g), é dada por:
p = po + dgh
Essa equação é conhecida como a equação fundamental da hidrostática.
Exercícios de hidrostática
Para terminar, resolva os exercícios de hidrostática que selecionei para você!
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Pergunta 1 de 10
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(ENEM MEC/2010)
Um brinquedo chamado ludião consiste em um pequeno frasco de vidro, parcialmente preenchido com água, que é emborcado (virado com a boca para baixo) dentro de uma garrafa PET cheia de água e tampada. Nessa situação, o frasco fica na parte superior da garrafa, conforme mostra a FIGURA 1.
Quando a garrafa é pressionada, o frasco se desloca para baixo, como mostrado na FIGURA 2.
Ao apertar a garrafa, o movimento de descida do frasco ocorre porque
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Pergunta 2 de 10
2. Pergunta
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(ENEM MEC/2011)
Um tipo de vaso sanitário que vem substituindo as válvulas de descarga está esquematizado na figura. Ao acionar a alavanca, toda a água do tanque é escoada e aumenta o nível no vaso, até cobrir o sifão. De acordo com o Teorema de Stevin, quanto maior a profundidade, maior a pressão. Assim, a água desce levando os rejeitos até o sistema de esgoto. A válvula da caixa de descarga se fecha e ocorre o seu enchimento. Em relação às válvulas de descarga, esse tipo de sistema proporciona maior economia de água.
A característica de funcionamento que garante essa economia é devida
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Pergunta 3 de 10
3. Pergunta
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(ENEM MEC/2013)
Para realizar um experimento com uma garrafa PET cheia d’agua, perfurou-se a lateral da garrafa em três posições a diferentes alturas. Com a garrafa tampada, a água não vazou por nenhum dos orifícios, e, com a garrafa destampada, observou-se o escoamento da água conforme ilustrado na figura.
Como a pressão atmosférica interfere no escoamento da água, nas situações com a garrafa tampada e destampada, respectivamente?
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Pergunta 4 de 10
4. Pergunta
1 pontos
(ENEM MEC/2013)
Para oferecer acessibilidade aos portadores de dificuldades de locomoção, é utilizado, em ônibus e automóveis, o elevador hidráulico. Nesse dispositivo é usada uma bomba elétrica, para forçar um fluido a passar de uma tubulação estreita para outra mais larga, e dessa forma acionar um pistão que movimenta a plataforma. Considere um elevador hidráulico cuja área da cabeça do pistão seja cinco vezes maior do que a área da tubulação que sai da bomba. Desprezando o atrito e considerando uma aceleração gravitacional de 10m/s², deseja-se elevar uma pessoa de 65 kg em uma cadeira de rodas de 15 kg sobre a plataforma de 20 kg.
Qual deve ser a força exercida pelo motor da bomba sobre o fluido, para que o cadeirante seja elevado com velocidade constante?
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Pergunta 5 de 10
5. Pergunta
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(ENEM MEC/2014)
Em um experimento, foram separados três recipientes A, B e C, contendo 200 mL de líquidos distintos: o recipiente A continha água, com densidade de 1,00 g/mL; o recipiente B, álcool etílico, com densidade de 0,79 g/mL; e o recipiente C, clorofórmio, com densidade de 1,48 g/mL. Em cada um desses recipientes foi adicionada uma pedra de gelo, com densidade próxima a 0,90 g/mL.
No experimento apresentado, observou-se que a pedra de gelo
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Pergunta 6 de 10
6. Pergunta
1 pontos
(ENEM MEC/2014)
Uma pessoa, lendo o manual de uma ducha que acabou de adquirir para a sua casa, observa o gráfico, que relaciona a vazão na ducha com a pressão, medida em metros de coluna de água (mca).
Nessa casa residem quatro pessoas. Cada uma delas toma um banho por dia, com duração média de 8 minutos, permanecendo o registro aberto com vazão máxima durante esse tempo. A ducha é instalada em um ponto seis metros abaixo do nível da lâmina de água, que se mantém constante dentro do reservatório.
Ao final de 30 dias, esses banhos consumirão um volume de água, em litros, igual a
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Pergunta 7 de 10
7. Pergunta
1 pontos
(ENEM MEC/2015)
No manual de uma torneira elétrica são fornecidas instruções básicas de instalação para que o produto funcione corretamente:
Se a torneira for conectada à caixa-d’água domiciliar, a pressão da água na entrada da torneira deve ser no mínimo 18 kPa e no máximo 38 kPa.
Para pressões da água entre 38 kPa e 75 kPa ou água proveniente diretamente da rede pública, é necessário utilizar o redutor de pressão que acompanha o produto.
Essa torneira elétrica pode ser instalada em um prédio ou em uma casa.
Considere a massa específica da água 1 000 kg/m³ e a aceleração da gravidade 10 m/s².
Para que a torneira funcione corretamente, sem o uso do redutor de pressão, quais deverão ser a mínima e a máxima altura entre a torneira e a caixa-d’água?
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Pergunta 8 de 10
8. Pergunta
1 pontos
(ENEM MEC/2015)
Sabe-se que nas proximidades dos polos do planeta Terra é comum a formação dos icebergs, que são grandes blocos de gelo, flutuando nas águas oceânicas. Estudos mostram que a parte de gelo que fica emersa durante a flutuação corresponde a aproximadamente 10% do seu volume total. Um estudante resolveu simular essa situação introduzindo um bloquinho de gelo no interior de um recipiente contendo água, observando a variação de seu nível desde o instante de introdução até o completo derretimento do bloquinho.
Com base nessa simulação, verifica-se que o nível da água no recipiente
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Pergunta 9 de 10
9. Pergunta
1 pontos
(ENEM MEC/2016)
Um navio petroleiro é capaz de transportar milhares de toneladas de carga. Neste caso, uma grande quantidade de massa consegue flutuar.
Nesta situação, o empuxo é
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Pergunta 10 de 10
10. Pergunta
1 pontos
(ENEM MEC/2018)
A figura apresenta o esquema do encanamento de uma casa onde se detectou a presença de vazamento de água em um dos registros. Ao estudar o problema, o morador concluiu que o vazamento está ocorrendo no registro submetido à maior pressão hidrostática.
Em qual registro ocorria o vazamento?
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Sobre o(a) autor(a):
Os textos e exemplos acima foram preparados pela professora Tairine Favretto para o Blog do Enem. Tairine é formada em Física – Licenciatura na Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC), e é Mestra em Educação Científica e Tecnológica também pela UFSC. Ministra aulas de Física e Ciências da Natureza em escolas da Grande Florianópolis desde 2014. Facebook: https://www.facebook.com/tairine.favretto Instagram: @proftaifisica
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