Empuxo
Um enorme navio cargueiro de aço flutua enquanto uma pequena moeda de aço afunda — mesmo material, resultados completamente diferentes, e a explicação não tem a ver apenas com o peso. Qualquer objeto submerso em um fluido empurra parte desse fluido para o lado, e o fluido empurra de volta com uma força para cima exatamente igual ao peso do que foi deslocado — uma relação descoberta há mais de dois mil anos por Arquimedes e ainda ensinada, sem mudanças, como uma das leis quantitativas mais antigas da física. Se esse empurrão para cima é suficiente para sustentar o objeto depende não apenas do seu peso, mas da sua forma: o casco de um navio desloca um volume enorme de água em relação ao seu peso, enquanto uma moeda maciça desloca muito pouco.
Flutuar e afundar
Um objeto flutua quando o empuxo consegue equilibrar seu peso antes de ele ficar completamente submerso. Se sua densidade média for maior que a densidade do fluido, ele afunda porque a força máxima de empuxo é pequena demais.
Princípio de Arquimedes
Quando um objeto está em um fluido, ele empurra um pouco do fluido para fora do caminho — isso se chama deslocamento. O fluido empurra de volta com uma força para cima igual ao peso do fluido que foi deslocado. Se esse empurrão para cima pode igualar o próprio peso do objeto, ele flutua; se o objeto é pesado demais para o fluido que ele desloca, ele afunda.
A fórmula
F_b = ρ · V · g
- ρ — densidade do fluido (kg/m³): a massa do fluido por unidade de volume
- V — volume deslocado (m³): o volume de fluido que o objeto empurra para fora do caminho
- g — aceleração gravitacional (m/s²): a aceleração gravitacional puxando tudo para baixo
Exemplo resolvido
Um bloco empurra 0.002 metros cúbicos de água para fora do caminho. A água tem uma densidade de 1000 quilogramas por metro cúbico. Qual força de empuxo a água exerce de volta?
- ρ = 1000 kg/m³
- V = 0.002 m³
- g = 9.8 m/s²
- F_b = ρ · V · g
- F_b = 1000 kg/m³ · 0.002 m³ · 9.8 m/s²
F_b = 19.6 N
Teste-se
O mesmo bloco agora desloca 0.004 metros cúbicos de água em vez de 0.002. Qual é a nova força de empuxo?
- 19.6 N
- Resposta correta: 39.2 N
- 9.8 N
Certo! Dobrar o volume dobra a força de empuxo: 1000 kg/m³ × 0.004 m³ × 9.8 m/s² = 39.2 N.
Um bloco pesando 15 N é colocado na água onde poderia deslocar até 20 N de água em submersão total. O que acontece?
- Resposta correta: Ele flutua, já que a força de empuxo pode igualar seu peso
- Ele afunda, já que a força de empuxo só depende do volume
- Ele flutua, já que todos os objetos na água flutuam
Correto — um bloco de 15 N em água que pode empurrar de volta com até 20 N de força de empuxo vai flutuar, ficando baixo o suficiente para que a água deslocada pese exatamente 15 N.
Onde você vê isso
Um navio de aço flutua mesmo o aço sendo muito mais denso que a água, porque o casco contém ar suficiente em seu interior para deslocar um enorme volume de água — e o peso dessa água deslocada é exatamente o que sustenta o navio. Um iceberg mostra o mesmo ponto ao contrário: o gelo é só um pouco menos denso que a água do mar, então cerca de 90 por cento do iceberg fica abaixo da superfície.
Erros comuns
O erro mais comum é julgar se afunda ou flutua olhando só para o objeto — ser pesado não significa afundar. Um bloco de 15 N flutua na água se ele consegue deslocar até 20 N de água, porque flutuar se decide comparando o peso do objeto com o peso do fluido que ele consegue empurrar para fora do caminho. Um segundo deslize: empurrar um objeto totalmente submerso para mais fundo não aumenta a força de empuxo — o volume deslocado já parou de mudar, então F_b = ρ · V · g também parou.
Como se conecta
O empurrão para cima é a pressão hidrostática disfarçada: a parte de baixo de um objeto submerso fica mais funda que a de cima e, como a pressão cresce com a profundidade, o fluido empurra o fundo para cima com mais força do que pressiona o topo para baixo — esse desequilíbrio é a força de empuxo. O princípio de Bernoulli, a seguir, retoma o mesmo fluido assim que ele se move, e troca essa pressão por velocidade.