Obra: Mecânica dos fluidos/Tensão superficial
Matéria: Física
proposta de uma apostila autônoma independente de mecânica dos fluidos tensão superficial responsável por uma grande variedade de fenômenos de fácil observação mais evidente deles que historicamente levou também aos primeiros estudos quantitativos flutuação proposta da presente apostila explorar as diversas manifestações do fenômeno partindo sempre que possível de proposições empíricas acessíveis fenômeno da flutuação dos corpos medição do volume de um objeto através do seu equivalente em água praticamente anos atrás arquimedes grande sábio de siracusa mergulhado numa banheira descobriu qual critério utilizado pela natureza para decidir se um corpo imerso na água flutua ou afunda ao perceber que imersão do volume de seu corpo fazia transbordar água para fora da banheira resposta veio sua mente com famoso grito eureka se corpo for mais pesado do que equivalente em água do seu volume ele afunda passadas tantos séculos era de se esperar que estivéssemos todos vontade convencidos da lei do empuxo mas não que ocorre talvez porque ela mais uma daquelas leis apresentada de forma pomposa muitas vezes apenas em contextos de resolução de problemas numéricos conceitos básicos das ciências empíricas precisam ser vivenciados através da experiência mesmo arquimedes para abstrair sua lei do empuxo precisou antes lidar com objetos afundando os na água grandes pequenos leves pesados ocos sólidos regulares disformes muitas experiências questionamentos intuitivos que nos surgem no cotidiano se levados diante com seriedade de um aprendiz nos permitem entender ganhar confiança nas mais profundas abstrações científicas vide programa mão na massa algumas das práticas propostas no final da apostila foram apresentadas justamente por proporcionarem de forma simples uma maior familiaridade com experimentos medições que precedem aprofundamento do tema primeira delas sobre volumes seus equivalentes em água uma oportunidade para aqueles que não se sentirem vontade com formalização dos conceitos apresentada seguir px um litro de água cujo volume de um cubo de cm de lado dizemos decímetro cúbico dm pois volume do cubo cm cm cm cm dm pesa exatamente kg água imprescindível para vida substância responsável por aproximadamente do peso de uma pessoa de modo que estamos bem familiarizados com ela não difícil imaginar nosso equivalente em água quando tentamos deitar em uma piscina boiando ficamos com menos de de nossos corpos para fora da água de modo que estamos familiarizados com limiar entre flutuar afundar uma mexidinha cabeça afunda saber quando um objeto vai afundar quando não um critério exato segundo lei do empuxo depende apenas das medidas de peso volume uma tora de madeira bem seca suponhamos pinheiro colocado sobre água flutua até melhor do que nossos corpos se volume de uma tora digamos de um cilindro de de comprimento com seção de cm de diâmetro fosse preenchido com água pesaria kg tora de pinheiro pesa por volta de kg já um lingote cilíndrico de ferro ou mesmo de um meta
saria kg tora de pinheiro pesa por volta de kg já um lingote cilíndrico de ferro ou mesmo de um metal mais leve como alumínio não tem chance de ser visto flutuando em água talvez em uma piscina de mercúrio um lingote de alumínio com mesmo volume que tora de madeira pesaria quase kg três vezes mais que seu equivalente em água px estamos também acostumados ver embarcações uma simples canoa de alumínio como ilustrada ao lado comporta tranquilamente mais de adultos suponhamos pessoas de kg cada embarcação de kg totalizando kg uma canoa de de comprimento por de largura de altura teria volume pouco menor que dm nem as pessoas nem canoa são leves mas todos podem navegar tranqüilamente pois ainda precisariam entrar equivalente litros de água na canoa para ela afundar densidade dos corpos rígidos dos fluidos quando estamos interessados em falar das potencialidades de um material para compor objetos que flutuam podemos falar do peso de um volume padronizado de material se optarmos por cm como volume de referência então poderemos comparar potencial de diferentes materiais se pesarmos sempre mesmo cm de cada material cm de alumínio pesa cm de ferro pesa cm de madeira pesa materiais com volume de referência cm mais leve são melhores candidatos para uso em canoas outros objetos que flutuam da mesma forma os líquidos cm de mercúrio afunda em água pesa cm de óleo de soja não afunda pesa menos de na verdade até mais simples que isso pois se um objeto de formato qualquer não necessariamente um cubo homogêneo ou seja composto só daquele material então podemos avaliar quanto pesaria cm do material partir das medidas peso volume do objeto tora de madeira por exemplo pesa kg tem um volume de cada dessa tora portanto pesa kg kg cm essa quantidade peso dividido pelo volume também chamada peso específico ou densidade apesar de uma balança nos fornecer peso em unidades de massa kg rigor seria não mais medida da força peso mas via de regra pode ser tratada como numericamente equivalente peso específico peso volume massa volume densidade densidades cm ou pesos específicos gf cm de alguns materiais familiares temperatura ambiente oc al vidro pb mármore fe pinheiro au faia cu cortiça mg água ag petróleo pt mercúrio zn ar latão oxigênio litro de referência quando água pesa exatamente kg refere se ao líquido oc se depois aquecida para oc há uma pequena expansão que torna menos densa do que na temperatura de referência lei do empuxo homem lendo jornal no mar morto quem já experimentou relata que ao contrário do que ocorre numa piscina ou num lago de água doce bastante difícil afundar no mar morto com quase de sal por litro trata se de um líquido bem mais denso do que água pura vezes mais salobro do que as águas do oceano se pudéssemos experimentar mesmo em uma piscina de óleo vegetal seria igualmente difícil de afundar se observássemos uma barra de ferro fe funde se oc colocada sob chumbo pb fundido oc constataríamos que nestas condições ferro flutua constatação empírica evidenc
b chumbo pb fundido oc constataríamos que nestas condições ferro flutua constatação empírica evidencia que lei do empuxo vale para qualquer outro líquido apenas quando corpo mais pesado do que equivalente em líquido do seu volume ele afunda este equivalente em líquido medido em termos do volume do objeto preenchido com líquido análise quantitativa da lei do empuxo depende das seguintes grandezas pl peso específico do liquido dl densidade do liquido dl pl po peso do objeto vo volume do objeto de forma que traduzindo em termos matemáticos temos lei empírica do empuxo se po dl vo objeto afunda no caso especial de objetos sólidos homogêneos compostos de um material de densidade do temos po do vo de modo que substituindo na inequação temos do vo dl vo ou seja se do dl objeto afunda escalas menores leis diferentes falamos em toras de madeira lingotes de metal embarcações pessoas coisas da nossa escala de pesos tamanhos para as abelhas pernilongos formigas para os objetos que eles lidam tais como pequenos grãos de areia retalhos de gravetos pedaços de folhas seus próprios corpos tudo se passa como para nós as leis da física são universais porque no mundo dos insetos as coisas seriam diferentes algumas poucas observações são suficientes para causar certa surpresa perplexidade px interessante notar na foto que em torno de cada uma das patas do inseto surge uma pequena depressão elas podem ser imaginadas como pequenas canoas sobre as quais se apóia inseto em conjunto elas mantém na superfície sem afundar volume dessas pequenas depressões se somado medido seu equivalente em água fornecerá exatamente peso do inseto as canoas sustentando inseto são prova de que lei do empuxo continua sendo observada ficamos menos surpresos mas ainda perplexos com algo estranho explicada questão da flutuação devemos colocar nossa perplexidade em outros termos como inseto foi capaz de criar uma canoa invisível não uma pergunta boba cientistas da antiguidade não dispunham de ferramental teórico para respondê la antes de lançarmos mão deste ferramental podemos tentar responder através da formulação de hipóteses sobre foto acima comentou se que parece água suja formou uma espécie de nata nata de sujeira sustenta inseto trata se de um efeito óptico ao observarmos outros exemplos nos damos conta que até mesmo sobre as águas límpidas agitadas de uma nascente os mesmos insetos são capazes de andar sobre água idéia de uma nata pensando na nata do leite por exemplo apesar de não ser uma explicação um bom começo pois nos oferece uma analogia existe algo como uma membrana na superfície da água que se rompe para objetos mais pesados mas mantém seu comportamento de membrana dando suporte elástico objetos mais leves px hipótese de uma certa membrana no passado não saberíamos como ela surge nem que tipo de arranjo molecular manteria estável mas ainda assim afirmaríamos que existe algo mais do que apenas mesmo líquido na superfície nos proporciona uma série de perguntas interessantes que podem
ue apenas mesmo líquido na superfície nos proporciona uma série de perguntas interessantes que podem ser respondidas através de experimentos medidas prática testando hipótese de membrana superficial espontânea sugere caminho necessário para se confirmar uma importante conclusão essa membrana ou filme ou película elástica existe flutuação de corpos leves concluímos que apesar de flutuação dos copos ser sempre explicada pela lei do empuxo em escalas menores flutuação dos corpos ainda se deve levar em conta fenômeno da formação de canoas invisíveis que dispensam necessidade de corpos mais leves disporem de uma conformação volumétrica que compense seu peso right uma barra de metal sólida certamente não um bom candidato para flutuar em água suponhamos uma barra cilíndrica bem alongada porém pequena uma agulha no experimento flutuação da agulha demonstramos que ela flutua mesmo sem saber explicar exatamente porque agulha pequena flutua grande não podemos verificar em quais condições relações entre medidas isso ocorre com experimento da agulha podemos construir seguinte tabela aí está condição objetos lineares com relação peso comprimento maior que tendem afundar na água trata se de uma lei empírica constante do material conhecida como valor de tensão superficial do material uma dada temperatura analisando as superfícies de contato noção de superficial na tensão superficial refere se superfície de contato entre líquido objeto ou seja não ocorre apenas no contato do líquido com ar pode até ser no contato com outro líquido não ocorre apenas na superfície de um volume de líquido mas também no seu interior bolhas no fundo do mar por exemplo um fenômeno físico químico de fronteiras no contato entre espécies moleculares diferentes apesar de líquidos não possuíram estrutura fixa existe um arranjo molecular bem determinado esse arranjo se modifica nas fronteiras do líquido com outros objetos por ser um arranjo modificado presente apenas ao longo da fronteira esse arranjo como um todo tem forma comportamento de uma membrana visão microscópica tensão superficial não ocorre devido às forças de atração que as moléculas internas do líquido exercem sobre as da superfície left as moléculas situadas no interior de um líquido são atraídas em todas as direções pelas moléculas vizinhas por isso resultante das forças que atuam sobre cada molécula praticamente nula elas só não grudam que transformaria líquido em sólido porque agitação vibração intensa de cada molécula não permite as moléculas da superfície do líquido entretanto sofrem apenas atração lateral inferior esta força para lado para baixo cria tensão na superfície que faz mesma comportar se como uma película elástica água tem uma tensão superficial mais intensa do que grande maioria dos líquidos usuais óleo álcool solventes ácidos etc isso se deve pela ocorrência de pontes de hidrogênio entre as moléculas de água cada molécula estabelece até quatro pontes com as moléculas vizinhas filmes finos membranas filmes fino
a molécula estabelece até quatro pontes com as moléculas vizinhas filmes finos membranas filmes finos são materiais que se apresentam na forma de películas muito mais finas do que uma folha de papel eles podem possuir espessura de uma molécula talvez os mais conhecidos filmes finos sejam as bolhas de sabão as películas de substâncias tais como gasolina ou óleo que se formam ao espalharem se numa superfície água com reflexos coloridos figuras onduladas contexto histórico por serem da tão finos escala de nanômetros as dificuldades para se comprovar sua estrutura as teorias que permitiram sua análise tiveram que aguardar própria comprovação da existência de moléculas que de avogadro perrin ainda estavam sendo debatidas dessa forma apesar de as primeiras noticias que se tem sobre análise científica medidas de filmes finos datarem de benjamin franklin lord rayleigh pockels somente em langmuir blodgett os primeiros trabalhos completos aprofundados surgiram as aplicações tecnológicas interesse mais amplo pela comunidade científica foram ascender apenas na décadas de hoje diversas áreas específicas estudam tema físico química de superfícies propriedades de monocamadas de interface filmes monomoleculares filmes langmuir blodgett são alguns exemplos forma das bolhas de sabão estudo das formas das bolhas dos filmes de sabão uma área que tem fascinado crianças adultos cientistas tanto que primeira monografia escrita sobre este assunto também foi uma importante obra de divulgação científica soap bubbles their colours and the forces which mould them por boys caracterização de uma membrana propriedades mecânicas elasticidade resistência ruptura compare se material de uma bexiga de festa de aniversário com material de um filme de pvc transparente aquele para embrulhar alimentos filme de pvc menos elástico porém mais resistente as grandezas que permitem caracterizar membranas são grandezas calculadas em função da área de modo esta ficar independente do tamanho da área que se utilizou como referencia para uma dada medida ligações externas português ufpa fotos de gotas elasticidade de superfícies líquidas muito ilustrativas usp cdcc experimentos didáticos de tensão superficial inglês bolhas problema do menor caminho pdf história dos filmes finos roteiro de práticas sugerido as práticas listadas seguir consistem apenas de um roteiro sugerido as práticas encontram se descritas no banco de práticas experimentos você pode compor seu próprio roteiro conforme suas dúvidas curiosidades tempo disponibilidade de materiais banco de práticas experimentos experimentos demonstrações empíricas exercícios de medição reunidos partir de diversas fontes experimentos com água volumes seus equivalentes em água pura flutuação da agulha em água pura experimento cdcc similares menisco em copos capilares ver abcmc no copo arranje um copo de vidro bem limpo encha de água até borda sem deixar derramar com muito cuidado mão firme você pode introduzir uma agulha na água pela ponta fina deixá
derramar com muito cuidado mão firme você pode introduzir uma agulha na água pela ponta fina deixá la cair até fundo da taça quantas agulhas você capaz de colocar na taça dessa forma sem que água derrame repita mesma operação adicionando umas gotas de sabão na água em tubos em capilares experimentos com películas de água sabão força de uma película de água sabão experimento cdcc similares superfícies mínimas nas bolhas de sabão experimento cdcc similares experimentos com outros líquidos