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Gaspar parou em um posto de gasolina para abastecer seu carro e verificar suas condições. O atendente recomendou calibrar os pneus, trocar o óleo e verificar os freios. Gaspar concordou e aprendeu sobre o funcionamento de manômetros, vasos comunicantes e elevadores hidráulicos.
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- 1. A UU AL A L A 20 20 No posto de gasolina G aspar estava voltando para casa, após pas- sar um dia muito agradável na praia, apesar da dor de ouvido. Ele parou num posto de gasolina para abastecer e verificar as condições gerais do carro, para prosseguir a viagem tranqüilo. Parando no posto, o rapaz que o atendeu aconselhou-o a calibrar os pneus, trocar o óleo do motor e verificar os freios. Gaspar concordou prontamente. Após calibrar os pneus, Gaspar foi trocar o óleo, e colocou o carro sobre um elevador hidráulico. O rapaz acionou o elevador e o carro foi erguido, sem grandes dificuldades. Gaspar, que é muito curioso e gosta de saber como as coisas funcionam, perguntou ao rapaz como funcionava aquele equipamento, o que resultou numa looooonga conversa... Calibrando os pneus Gaspar foi verificar a pressão no interior dos pneus do seu carro, isto é, “calibrar” os pneus. Dentro dos pneus existe ar. Como sabemos, o ar é formado por diferentes gases, que exercem pressão sobre as paredes do pneu. Se a pressão lá dentro não estiver correta, o carro ficará instável na pista, por isso é importante que a pressão nos pneus seja sempre verificada. O aparelho utilizado para medir a pressão de um gás chama- se manômetro manômetro. Um tipo muito 160 simples de ma- nômetro é for- 140 120 mado por um tubo em forma 100 76 de U (Figura 1), que contém mer- 80 cúrio (Hg) no seu interior e uma 60 40 escala para que se possa medir a h0 altura da coluna de mercúrio 20 Hg 0 no tubo e, assim, conhecer a pressão. Escala Figura 1. Manômetro simples.
- 2. A U L A Observe que existem dois ramos, um maior que o outro. No ramo menor, há uma mangueira para ser adaptada ao recipiente que contém o gás cuja pressão 20 se deseja medir. Quando o manômetro não está em funcionamento, as duas colunas de Hg têm a mesma altura (h0), como mostra a Figura 1. Isso acontece porque a pressão na superfície do líquido nos dois ramos é a mesma: é a pressão atmosférica (patm). Gaspar encaixou o adaptador no bico do pneu, por onde o ar entra e sai. A Figura 2 mostra o que aconteceu: Py = Ppneu = Px 160 140 136 120 100 y x 80 76 60 40 20 0 Figura 2 Escala Observe que, quando a mangueira é ligada ao pneu, a coluna de Hg se desloca: no ramo menor, o Hg é empurrado para baixo e, conseqüentemente, sobe no ramo maior. Por que isso acontece? Porque a pressão no interior do pneu é maior do que a pressão atmosférica e ela empurra o mercúrio até atingir o equilíbrio. Usando o teorema de Stevin, estudado na Aula 19, é fácil ver que dois pontos de um líquido, situados numa mesma profundidade têm a mesma pressão pressão, portanto a pressão no ponto indicado pela letra y é igual à pressão indicada pela letra x (ver a Figura 2). A pressão no ponto y corresponde à pressão do gás no interior do pneu (ppneu), e esta corresponde à pressão no ponto x. Assim: py = ppneu = px Você já sabe calcular a pressão no interior de um líquido: é a pressão ponto. atmosférica mais a pressão da coluna de líquido acima daquele ponto Então, basta verificar usando a escala do manômetro a altura da coluna de Hg acima do ponto x e somá-la ao valor da pressão atmosférica, que é 76 cmHg. Pela Figura 2 verificamos que a altura da coluna de Hg é 60 cm, que corresponde à pressão de 60 cmHg, portanto: px = patm + pcoluna Então, a pressão no interior do pneu do Gaspar era de: ppneu = px = 76 cmHg + 60 cmHg ppneu = 136 cmHg Para termos uma idéia melhor desse valor, vamos expressar essa medida em atmosferas, lembrando que 76 cmHg=1 atm. Basta fazer uma regra de três: 1 atm Þ 76 cmHg ppneu (atm) Þ136 cmHg , logo, ppneu = 1,8 atm Veja que essa pressão é quase o dobro da pressão atmosférica, ou seja, ela é 1,8 vez maior.
- 3. Entretanto essas unidades não são muito usadas para se calibrar pneus. Para A U L A esse fim, costuma-se usar duas outras unidades: kgf/cm 2 e libra/polegada 2 20 Observe que ambas têm a unidade formada por: uma unidade de força (kgf, 2 2 libra) dividida por uma unidade de área (cm , pol ). Isso funciona sempre: para saber qual a unidade de uma grandeza, basta olhar para as unidades das grandezas que a definem. É importante conhecer a correspondência entre essas unidades e, para transformar uma na outra, basta utilizar a regra de três como fizemos acima. 2 2 5 2 1 atm = 14,2 lb/pol = 1 kgf/cm = 1,01 · 10 N/m = 76 cmHg Como treino, verifique que a pressão nos pneus do carro de Gaspar é aproximadamente: aproximadamente 2 ppneu = 25,6 lb/pol Um café, por favor Após calibrar os pneus, Gaspar foi tomar um café. No balcão, ele observou que a máquina tinha um tubo externo, transparente, que também continha café. Gaspar ficou curioso e perguntou ao rapaz do bar para que servia aquele tubo. E ele descobriu que aquela máquina era uma aplica- ção daquilo que você aprendeu na aula passada sobre Figura 3. O tubo pressão em líquidos A máquina utiliza o sistema que líquidos. externo da máquina de chamamos de vasos comunicantes Esse sistema é for- comunicantes. café chamou a atenção de Gaspar. mado por dois recipientes (ou vasos) que se comunicam pela base, como mostra a Figura 4: Como o café está em equilíbrio e sujeito apenas à pressão atmosférica, a altura nos dois vasos é a mesma. As- sim, é possível saber qual a quantidade de café existente no interior da máqui- na, sem precisar olhar lá dentro. O interessante é que não importa a forma que esses dois vasos tenham: Figura 4. Como é a máquina de café quando eles estiverem sujeitos à mes- vista por dentro. ma pressão, a coluna de líquido nos dois vasos estará na mesma altura. Um exemplo muito simples de um sistema desse tipo é a mangueira transparente, com água dentro, que os pedreiros usam nas construções para nivelar, por exemplo, duas paredes ou uma fileira de azulejos (veja a Figura 5). É também devido a essa propriedade que, para se obter uma forte pressão nos chuveiros, as caixas d’água devem ficar mais altas em relação ao ponto de saída da água (Figura 6). Figura 5
- 4. A U L A A pressão da água no chuveiro Patm P atm será tanto maior quanto mais alta 20 estiver a caixa d’água, pois a pressão nesse ponto é igual à pressão atmos- férica mais a pressão da coluna de hCOLUNA h coluna água, que, como sabemos, depende da altura da coluna de água acima daquele ponto. P Pchuveiro = CHUVEIRO P chuveiro + P atm Figura 6. A caixa d’água deve ficar mais alta que o chuveiro. Trocando o óleo F Gaspar posicionou o carro sobre a plataforma do elevador, que foi, em se- guida, acionado: o carro subiu lentamen- te, mas com facilidade. p1 “Como é que isso funciona?” quis saber Gaspar. “Para quem já conhece sobre pressão p2 e vasos comunicantes não é difícil”, res- pondeu o rapaz. p1 = p2 Figura 7. A variação de pressão no ponto 1 é transmitida ao ponto 2. Hoje é possível utilizar o elevador Então, a variação de pressão 1é igual à variação de pressão 2. hidráulico graças a um cientista francês chamado Blaise Pascal, que, em 1653, descobriu por meio de experiências, que: Quando, por alguma razão, alteramos a pressão em um ponto de um líquido, essa variação de pressão é transmitida para todos os outros pontos do líquido. Essa propriedade dos líquidos é hoje conhecida como o princípio de Pascal Pascal. O elevador hidráulico é, basicamente, um sistema de vasos comunicantes. É formado por dois recipientes cilíndricos comunicantes, contendo um líquido, normalmente óleo. Em geral, esses recipientes são fechados com um pistão. Uma característica muito importante desse sistema é que a área da superfície de um dos pistões é bem maior que a do outro, como mostra a Figura 8. pist‹o 2 Ao exercermos uma força F pist‹o 1 f f no pistão 1 (menor), que tem p2 p1 área a , provocamos um au- mento de pressão no interior do líquido, dado por: f D p1 = a p1 = p2 f = F a A Figura 8
- 5. De acordo com o princípio de Pascal, esse aumento é transmitido igualmente A U L A a todos os pontos do líquido, o que provoca o aparecimento de uma força F no pistão 2 (maior). Sendo A a área desse pistão, o aumento de pressão sobre ele será: Dp 2 = F 20 A Como o aumento de pressão é o mesmo, podemos igualar essas duas expressões, obtendo assim: Dp1 = Dp2 F f = A a então, a força que aparece no pistão maior será: Φ Ι ×f Γa ϑ A F= ΗΚ Logo, como A>a, a força será aumentada. Observe o carro do Gaspar sobre o elevador: conhecendo as áreas dos dois pistões e o peso do carro do Gaspar, vamos calcular a força necessária para levantá-lo. ρ f f Seja o peso do carro 800 kgf, a área 2 do pistão maior 2.000 cm e a do menor, Figura 9. Graças ao Princípio de Pascal, o 2 25 cm . Então, a força que precisamos carro pode ser erguido sem grande esforço. fazer no outro pistão será: Φ Ι × F = Φ 25 Ι × 800 = 0,0125 · 800 = 10 kgf Γa ϑ Γ ϑ f= ΗΚ Η Κ A 2.000 Apenas 10 kgf! Isso equivale a dois pacotes de arroz de 5 kg. Então, é possível, com o elevador hidráulico, equilibrar um carro com apenas dois pacotes de arroz! Isso não é incrível? A força que fazemos no pistão menor é multiplicada por um fator que depende da relação entre as áreas dos pistões. Esse fator é dado por A/a Por A/a. isso, dizemos que esse equipamento é um multiplicador de forças O forças. princípio de utilização do elevador hidráulico é o mes- mo utilizado em alguns ti- pos de cadeiras de dentista, na prensa hidráulica e tam- bém nos freios hidráulicos dos automóveis. A prensa hidráulica fun- ciona como o elevador, mas é utilizada para comprimir e compactar objetos (Figura 10). Figura 10
- 6. A U L A Verificando os freios 20 O sistema de freios hidráulicos dos automóveis também utiliza esse princí- pio: a força que aplicamos no pedal é aumentada várias vezes, sendo então utilizada para comprimir as lonas do freio contra o tambor, nas rodas traseiras. Observe a Figura 11. Por isso, é muito importante veri- ficar o fluido do freio pois, sem ele, quando pisamos no freio, nada aconte- ce, pois, não há como transmitir a força que irá comprimir as lonas contra o tambor, nas rodas traseiras, que por Figura 11 atrito faz com que elas parem. Veja que interessante: é o atrito entre a lona e o tambor da roda que faz o carro parar. É por isso que, em algumas situações, sentimos um cheiro forte de queimado. A lona é feita de uma fibra especial e o calor gerado pelo atrito queima esse material. Por isso, é bom substituir as lonas periodicamente. Nesta aula, você aprendeu: l algumas aplicações da lei de Stevin manômetro, vasos comunicantes; Stevin: l que existe um aparelho, o manômetro, utilizado para medir a pressão de gases e qual o seu princípio de funcionamento; l que existe um sistema, chamado vasos comunicantes cuja aplicação é muito comunicantes, útil no dia-a-dia (máquina de café, construções, caixas d’água); l que muitos equipamentos que utilizamos se baseiam no princípio de Pascal Pascal, que fala sobre a transmissão da variação da pressão no interior de um líquido, cujo efeito final é a multiplicação de forças. Exercício 1 Após calibrar os quatro pneus, Gaspar foi verificar também o reserva (estepe). A figura Pneu abaixo mostra o que ele observou no manômetro. 30 cm Ppneu Qual era o valor da pressão no interi- or do estepe? Dê o resultado em atm, lb/pol2, e kgf/cm2. Exercício 2 O reservatório de água de uma cidade fica sobre Reservat—rio uma colina, conforme se vê na figura abaixo. Sabemos que esse reservatório fica a 50 m do chão. Despreze a altura da água dentro da caixa, isto é, considere apenas o desnível entre a caixa do edifício e o reservatório. Calcule a pressão com que a água chega à caixa de um 50 m edifício, que está a 21 metros do chão, sabendo que a den- 21 m sidade da água é de 1.000 kg/m3.
- 7. Exercício 3 A U L A Um elefante e uma galinha estão equilibrados sobre um elevador hidráulico, conforme mostra a figura. 20 a) Sendo o peso do elefante 16.000 N e o da galinha 20 N, calcule qual deve ser a relação entre as áreas das superfícies sobre a qual eles estão, isto é, quanto vale A1/A2? A1 A2 b) Suponha que a área onde está apoiada a galinha (A2) seja 10 cm2. Qual de- verá ser a área onde está o elefante (A1)?