Mecânica IVSumário
Ilustração de abertura do capítulo 6: A esfera que desceu a mil atmosferas

Capítulo 6A esfera que desceu a mil atmosferas

A lei de Stevin

23 de janeiro de 1960: dois homens numa esfera de aço de dois metros descem por quase cinco horas até 10 916 m; a nove mil, uma janela racha e o casco treme. No fundo, mais de mil atmosferas de fora, uma só de dentro — e o que a parede segura é a diferença.

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O caso: a esfera no fundo da fossa

Vinte e três de janeiro de 1960. Dois homens, Jacques Piccard e Don Walsh, estão fechados numa esfera de aço de 2,16 m de diâmetro, com paredes de 127 mm — quase treze centímetros de metal. A esfera está presa embaixo de um flutuador de 15 m, cheio de gasolina, e o conjunto se chama Trieste: um batiscafo, um navio feito para descer. Naquela manhã ele desce no ponto mais fundo de todos os oceanos, a Fossa das Marianas, no Pacífico. A descida leva quatro horas e quarenta e sete minutos — pouco mais de meio metro por segundo, em média. Ao passar de 9 000 m, uma das janelas externas, de acrílico, racha, e o batiscafo inteiro treme. Eles continuam. Param no fundo: 10 916 m de profundidade (o instrumento de bordo marcou 11 521, e a medida foi corrigida depois). Ficam vinte minutos. E sobem.

Um corte do mar, fora de escala, declarado na figura: uma coluna de água azul-céu que vai da superfície até o fundo, com cotas de profundidade em 0, 9 000 m, onde uma marca salmão indica a janela rachada, e 10 916 m, o fundo, onde uma pequena esfera de aço com uma janela redonda está pousada. Ao lado da coluna, uma barra de pressão azul-céu que cresce com a profundidade, de 1 atm na superfície a cerca de 1 120 atm no fundo. Um cartão: 23 de janeiro de 1960; esfera de 2,16 m, paredes de 127 mm; descida de 4 h 47 min; vinte minutos no fundo.
Figura 6.1 — O Trieste no fundo da Fossa das Marianas: a esfera de dois metros sob quase onze quilômetros de água. A barra de pressão ao lado cresce de uma atmosfera, na superfície, a mais de mil, no fundo — e é este capítulo que faz a conta.

Lá fora, no fundo, a pressão da água é de mais de mil atmosferas — mais de uma tonelada de força em cada centímetro quadrado da esfera. Lá dentro, uma atmosfera, a mesma do ar que os dois homens respiravam na superfície. A esfera tinha sido projetada para suportar 1 250 quilogramas-força por centímetro quadrado, uma margem de cerca de 12 por cento sobre o que encontrou. Essa margem, e o formato dela, são o motivo de os dois terem voltado.

O capítulo 5 terminou com uma vidraça: dez toneladas de força de cada lado, resultante zero, o vidro não sente nada. Aqui a conta muda de lado. De um lado da parede de aço há mil e tantas atmosferas; do outro, uma. A diferença é o que a esfera segura — e a diferença é o que este capítulo aprende a calcular. A ferramenta é a lei de Stevin: a pressão num ponto de um líquido parado é a pressão de cima mais a da coluna que está sobre ele, na seção da lei. Dela sai a regra do mergulhador, uma atmosfera a cada dez metros, na seção dos dez metros; a descida da esfera, com a barra de pressão crescendo até o fundo, na seção da descida; a diferença entre a pressão que um manômetro marca e a pressão que existe, na seção da manométrica; o que de fato esmaga, na seção da esfera; e, por fim, uma observação sobre um cubo submerso que planta a força do capítulo 8, na seção do cubo.

A lei de Stevin: a pressão de cima mais a coluna

O capítulo 5 calculou a pressão que uma coluna de líquido faz no fundo: p = ρ × g × h, só a densidade e a altura. Mas a coluna do barômetro tinha vácuo em cima — pressão zero no topo. Um mergulhador não tem vácuo em cima: tem o mar, e, sobre o mar, o ar. A pressão que ele sente a uma profundidade h é a soma de duas parcelas: a pressão que já existia na superfície, feita pela atmosfera, e a que a coluna de água acrescenta.

Uma coluna de líquido azul-céu com a superfície livre em cima e um ponto marcado a uma profundidade h, com a cota. Sobre a superfície, uma barra de pressão azul-céu rotulada p zero, a pressão do ar. Ao lado do ponto, uma barra de pressão maior, dividida em dois trechos empilhados: embaixo, o trecho da atmosfera, p zero; em cima dele, o trecho da coluna, rô vezes g vezes h. A fórmula ao lado: p é igual a p zero mais rô vezes g vezes h. Um cartão: a barra de baixo já estava lá; a coluna só acrescenta.
Figura 6.2 — A lei de Stevin em uma barra: a pressão de cima, p₀, já estava na superfície; a coluna de altura h acrescenta ρ × g × h. A pressão no ponto é a soma das duas.

Esse é o enunciado de Simon Stevin, matemático e engenheiro dos Países Baixos que, no fim do século XVI, escreveu a hidrostática antes de Torricelli e de Pascal: p = p₀ + ρ × g × h. O termo p₀ é a pressão na superfície livre — ao ar livre, a atmosférica, cerca de 10⁵ Pa. O termo ρ × g × h é a coluna do capítulo 5. E h é a profundidade do ponto abaixo da superfície, medida na vertical. Num lago, a dez metros de profundidade, a coluna acrescenta 1 000 × 10 × 10 = 10⁵ Pa, uma atmosfera, e a pressão total é 2 × 10⁵ Pa: duas atmosferas, uma do ar e uma da água.

Definição

Lei de Stevin

A segunda linha da definição é a que o capítulo 5 usou sem demonstrar, quando ligou o ar de fora do tubo de Torricelli ao mercúrio de dentro: dois pontos na mesma altura de um líquido parado têm a mesma pressão. Ela sai da fórmula diretamente — mesma profundidade h, mesma pressão. E a terceira linha, que parece uma observação, é uma das ideias mais testadas da hidrostática: a pressão não depende do formato do recipiente. Um copo estreito, uma banheira e um lago, cheios de água até a mesma altura, fazem no fundo a mesma pressão. O lago tem milhões de vezes mais água, mas a água a mais está ao lado, não em cima; e o que pesa sobre cada centímetro quadrado do fundo é só a coluna que está sobre ele.

Três recipientes lado a lado, cheios de água azul-céu até a mesma altura h: um tubo estreito, um vaso que se alarga para cima, de boca bem aberta, e um vaso que se estreita para cima. Uma linha tracejada horizontal une as três superfícies e outra une os três fundos. Embaixo de cada fundo, uma barra de pressão azul-céu da mesma altura. Um cartão: mesma altura, mesma pressão no fundo; o formato e a quantidade de água não entram.
Figura 6.3 — Três recipientes, três formatos, uma altura só: a pressão no fundo é a mesma, porque p₀ + ρ × g × h só enxerga a profundidade. É o chamado paradoxo hidrostático — que não é paradoxo nenhum.

Atenção

A profundidade se mede da superfície livre, não do fundo

O h de Stevin é a distância vertical entre a superfície livre do líquido e o ponto. Num tanque de 8 m de água, um ponto a 2 m do fundo está a 6 m de profundidade, e é 6 que entra na fórmula. A prova dá a altura do tanque e a distância do fundo justamente para ver quem soma, quem subtrai e quem usa o número errado.

Uma atmosfera a cada dez metros

A conta do lago dá uma régua que todo mergulhador conhece. Dez metros de água doce fazem 1 000 × 10 × 10 = 10⁵ Pa — uma atmosfera. No mar a água é um pouco mais densa, por causa do sal: 1 025 kg/m³, e este é o número que o livro usa para o mar de agora em diante. Dez metros de mar fazem 1 025 × 10 × 10 = 102 500 Pa, dois e meio por cento a mais que a atmosfera; para a régua do mergulhador, é a mesma coisa. Cada dez metros de água acrescentam uma atmosfera. A 20 m, o mergulhador tem duas atmosferas de água em cima, mais uma de ar: três no total. A 30 m, quatro. E a 10 916 m, o fundo da fossa, mais de mil.

Uma escada de profundidades num corte de água azul-céu: 0, 10, 20 e 30 m, com cotas. Ao lado de cada degrau, uma barra de pressão azul-céu que cresce um trecho por degrau: 1 atm na superfície, 2 atm a 10 m, 3 atm a 20 m, 4 atm a 30 m. Cada trecho da barra está desenhado como um cobertor dobrado, e o de cima, o do ar, é o primeiro da pilha. Um cartão: cada dez metros de água é um cobertor de uma atmosfera; o do ar já estava lá.
Figura 6.4 — A régua do mergulhador: uma atmosfera a cada dez metros de água, somada à do ar. Pense numa pilha de cobertores — o de cima é o ar, e cada dez metros de água acrescentam mais um.

A imagem que ajuda é uma pilha de cobertores. O primeiro cobertor é o ar: uma atmosfera, que já pesa sobre quem está na superfície. Cada dez metros de água é mais um cobertor, do mesmo peso. A três metros, no fundo de uma piscina, o mergulhador está sob o cobertor do ar e mais três décimos de outro: 1 000 × 10 × 3 = 3 × 10⁴ Pa a mais, cerca de trinta por cento a mais que na superfície — quase um terço — e é isso que os ouvidos sentem. A esfera do Trieste, no fundo, estava debaixo de mais de mil cobertores de água, e do cobertor do ar em cima de todos. Dentro dela havia um só.

Definição

A régua dos dez metros

Dica ENEM

Dica ENEM: a atmosfera de cima

Quando a questão pede a pressão "total" ou "absoluta" num ponto submerso, a resposta tem a atmosfera do ar somada; quando pede "a pressão exercida pela água" ou "o acréscimo de pressão", é só ρ × g × h. A alternativa errada mais comum a 20 m de profundidade é 2 atm — a coluna sem o ar — quando a pergunta era pela pressão total, 3 atm. Leia a pergunta antes de fazer a conta.

A descida: a barra que cresce até o fundo

Volte à esfera. A descida é a lei de Stevin se cumprindo metro a metro: a cada instante, a pressão do lado de fora é a atmosfera mais 1 025 × 10 × h, e h cresce por quase cinco horas. A figura desenha o corte do mar fora de escala — o fundo está a 10 916 m, e a esfera tem 2,16 m; em escala, ela seria um ponto invisível, cinco mil vezes menor que a coluna — e, ao lado, a barra de pressão nas profundidades que importam.

Um corte do mar fora de escala, declarado, com a superfície em cima e o fundo a 10 916 m. Cotas em 0, 10, 3 000, 9 000 e 10 916 m. Ao lado de cada cota, uma barra de pressão azul-céu proporcional à profundidade: quase nada a 10 m, 3,1 vezes 10 elevado a 7 pascals a 3 000 m, 9,2 vezes 10 elevado a 7 a 9 000 m, marcado em salmão com a palavra janela, e 1,12 vezes 10 elevado a 8 a 10 916 m, o fundo. As barras de 9 000 e 10 916 m têm alturas na razão 1,21. Um cartão: fora de escala, 10 916 m contra 2,16 m; a barra é proporcional à profundidade; da janela ao fundo, mais 196 atm.
Figura 6.5 — A barra de pressão durante a descida: proporcional à profundidade, ela é quase invisível a 10 m e passa de 10⁸ Pa no fundo. Entre os 9 000 m da janela e os 10 916 m do fundo ela cresce 21 por cento.

A 10 m, a coluna do mar acrescenta 102 500 Pa: uma atmosfera. A 3 000 m, 1 025 × 10 × 3 000 = 3,1 × 10⁷ Pa, cerca de 308 atmosferas. A 9 000 m, onde a janela rachou, 1 025 × 10 × 9 000 = 9,2 × 10⁷ Pa — cerca de novecentas e vinte atmosferas com as constantes deste livro, 894 com as exatas. E no fundo, a 10 916 m, a conta que dá título ao capítulo: 1 025 × 10 × 10 916 = 1,12 × 10⁸ Pa de coluna, mais a atmosfera de cima, que a essa altura não muda nem o segundo algarismo: 1,12 × 10⁸ Pa, cerca de 1 120 atmosferas. Com g = 9,81 m/s² e a atmosfera exata, 1 084. A série diz "mais de mil", e as duas contas concordam nisso.

Repare na proporção. A barra de pressão da coluna é proporcional à profundidade, porque a fórmula é uma reta em h: entre 9 000 e 10 916 m a barra cresce na razão 10 916 ÷ 9 000 ≈ 1,21 — 21 por cento, ou 1 025 × 10 × 1 916 ≈ 1,96 × 10⁷ Pa, quase duzentas atmosferas a mais nos últimos dois quilômetros. A janela rachou a novecentas atmosferas; a esfera de aço, projetada para mil duzentas e cinquenta, seguiu até mil cento e vinte.

Atenção

Pressão não é peso — a balança marcaria o mesmo

A Mecânica III mostrou que a balança marca o peso, a força que a Terra faz sobre o corpo. Se fosse possível levar uma balança de banheiro ao fundo da fossa e pesar a esfera fora d'água, ela marcaria o mesmo que na superfície: g não muda com a profundidade em nada que a prova meça. O que muda é a pressão da água em volta — força por área, feita pelo fluido, não pela Terra. Mil atmosferas não deixam a esfera "mais pesada"; deixam-na apertada por todos os lados.

Pressão absoluta e pressão manométrica

A fórmula de Stevin tem duas parcelas, e a prova dá nome a cada uma. A soma inteira, p₀ + ρ × g × h, é a pressão absoluta: a pressão que de fato existe no ponto, contando o ar de cima. Só a coluna, ρ × g × h, é a pressão manométrica: quanto a pressão do ponto está acima da atmosférica. O nome vem do instrumento: um manômetro comum, o de pneu ou o do consultório, tem a atmosfera dos dois lados e marca zero ao ar livre — ele mede a diferença em relação ao ar, não a pressão total.

Duas barras de pressão azul-céu lado a lado para o mesmo ponto, no fundo de uma piscina de 3 m. A da esquerda, rotulada manométrica, tem só o trecho da coluna: 0,3 atm, o que o manômetro marca. A da direita, rotulada absoluta, tem o mesmo trecho da coluna sobre um trecho de 1 atm, o ar, e mede 1,3 atm. Os dois trechos claros, o da coluna, são iguais. Um cartão: a manométrica é a absoluta menos uma atmosfera; o manômetro marca zero ao ar livre.
Figura 6.6 — O mesmo ponto, duas leituras: a manométrica é só a coluna, 0,3 atm no fundo de uma piscina de 3 m; a absoluta soma a atmosfera do ar, 1,3 atm. A diferença entre as duas é sempre uma atmosfera.

No fundo da piscina de 3 m, a manométrica é 3 × 10⁴ Pa, 0,3 atm, e a absoluta é 1,3 × 10⁵ Pa, 1,3 atm. No fundo da fossa, a manométrica é 1,119 × 10⁸ Pa e a absoluta 1,120 × 10⁸ Pa: a atmosfera do ar vale menos de um milésimo do total, e por isso, nas contas do Trieste, este livro arredonda as duas para 1,12 × 10⁸ Pa. A diferença entre absoluta e manométrica é sempre uma atmosfera, em qualquer profundidade — o que muda é quanto essa atmosfera representa.

Definição

Absoluta e manométrica

Dica ENEM

Dica ENEM: leia o manômetro como diferença

Se a questão diz que um manômetro no fundo de um tanque marca 2 × 10⁵ Pa, a pressão absoluta ali é 3 × 10⁵ Pa — o manômetro não contou a atmosfera. Se diz que a pressão absoluta é 3 × 10⁵ Pa e pergunta a altura da água, a coluna vale só 2 × 10⁵ Pa: h = 2 × 10⁵ ÷ (1 000 × 10) = 20 m. Somar ou subtrair a atmosfera na hora errada é o erro mais barato da hidrostática, e o mais cobrado.

O que esmaga é a diferença: por isso a esfera é esfera

Agora a pergunta do caso: o que a parede de aço precisava suportar? Não é "mil atmosferas". A vidraça do capítulo 5 tinha uma atmosfera de cada lado e não sentia nada, porque uma parede só sente a diferença entre as pressões dos dois lados. Do lado de fora da esfera, no fundo, 1 120 atm; do lado de dentro, o ar que os dois homens respiravam: 1 atm. A diferença é 1 119 atm — e, sobre cada centímetro quadrado da parede, isso é uma força de 1,12 × 10⁸ × 10⁻⁴ ≈ 1,1 × 10⁴ N, o peso de mais de uma tonelada, apontando para dentro. Se a pressão de dentro também fosse mil atmosferas, a parede não sentiria nada; é por isso que os peixes do fundo não são esmagados. A esfera do Trieste, cheia de ar a uma atmosfera, sente tudo.

Uma esfera de aço em corte, com a parede espessa em azul-escuro, 127 mm, e o interior claro, rotulado ar a 1 atm. Setas salmão de força apontam para dentro, perpendiculares à parede, de todos os lados, todas do mesmo tamanho. Ao lado, duas barras de pressão azul-céu: fora, 1 120 atm, alta; dentro, 1 atm, mínima. Embaixo, uma parede plana com as mesmas setas, e uma marca salmão de onde ela dobraria no meio. Um cartão: a parede sente a diferença; a esfera reparte o aperto igualmente e não tem meio para dobrar.
Figura 6.7 — O que a parede sente é a diferença: mil e tantas atmosferas de fora, uma de dentro, e as forças apontam para o centro, iguais em todas as direções. A esfera é a forma que reparte esse aperto por igual; uma parede plana dobraria no meio.

E por que uma esfera? Porque a pressão age em todas as direções, perpendicular a cada pedaço da parede, e numa esfera todos os pedaços são iguais: a força aponta para o centro em toda parte, e o aço fica comprimido por igual, sem nenhum lugar que se dobre antes dos outros. Uma parede plana, ou uma caixa, tem meio e tem quinas: o meio dobra para dentro, e a quina concentra o esforço. A esfera é a forma que não tem meio. A parede de 127 mm é cerca de 6 por cento do diâmetro; o diâmetro interno, o que sobrava para os dois homens, era de cerca de 1,9 m.

Atenção

"Uma tonelada em cada centímetro quadrado esmaga a janela para dentro" — só se de dentro houver uma atmosfera

A frase da série está certa, mas pela metade se não disser o outro lado. A tonelada é a força de fora; do lado de dentro há uma atmosfera, dez newtons no mesmo centímetro quadrado, e a diferença é o que a parede segura. Uma questão pode inverter: um recipiente fechado a uma atmosfera, levado ao vácuo, sofre uma atmosfera de dentro para fora e pode estourar — a lata que incha. A regra é a mesma: diferença entre os dois lados.

Dica ENEM

Dica ENEM: a parede sente a diferença

Embaixo, a pressão é maior do que em cima: o cubo submerso

Há uma consequência de Stevin que parece pequena e é a origem de uma força inteira. Tome um cubo de 10 cm de aresta mergulhado em água doce, com a face de cima a 1 m de profundidade. A pressão na face de cima é 10⁵ + 1 000 × 10 × 1 = 1,1 × 10⁵ Pa; a face de baixo está 10 cm mais fundo, a 1,1 m, e a pressão ali é 1,11 × 10⁵ Pa. A diferença é ρ × g × Δh = 1 000 × 10 × 0,1 = 1 000 Pa — pequena diante de cento e dez mil, mas diferente de zero. Embaixo, a pressão é sempre maior do que em cima.

Um cubo de 10 cm de aresta, em claro, submerso em água azul-céu, com a face de cima a 1 m da superfície, cotada. Setas salmão de força apontam para cada face: as duas laterais, iguais e opostas, se cancelam; a de cima, para baixo, rotulada 1 100 N; a de baixo, para cima, um pouco maior, rotulada 1 110 N. Ao lado, duas barras de pressão azul-céu quase iguais, a de baixo um pouco mais alta, com a diferença de 1 000 Pa marcada em salmão. Um cartão: sobram 10 N para cima, o peso de um litro de água, que é o volume do cubo.
Figura 6.8 — O cubo submerso: as forças laterais se cancelam, mas a de baixo é maior que a de cima, porque a face de baixo está mais fundo. Sobram 10 N para cima — o peso de exatamente um litro de água, que é o volume do cubo. O capítulo 8 dá nome a isso.

Agora transforme pressão em força, com a área da face, 0,01 m². Nas quatro faces laterais, cada par de faces opostas está à mesma profundidade e recebe forças iguais em sentidos contrários: cancelam. Na face de cima, a água empurra para baixo com 1,1 × 10⁵ × 0,01 = 1 100 N; na face de baixo, empurra para cima com 1,11 × 10⁵ × 0,01 = 1 110 N. Sobra uma força para cima de 10 N. Dez newtons são o peso de um quilograma — e um quilograma de água é exatamente um litro, que é o volume do cubo. Não é coincidência: a água que o cubo tirou do lugar pesava 10 N, e a água em volta empurra o cubo para cima com esses mesmos 10 N. Leve o cubo a 5 m ou a 100 m de profundidade e a diferença continua 1 000 Pa, porque só a diferença de nível entre as faces entra em Δp = ρ × g × Δh. A força para cima não depende da profundidade — depende do volume do cubo e da densidade da água.

Definição

O que o cubo planta

Esse é o gancho do capítulo 8 e dos navios. Antes dele, porém, há uma pergunta que Stevin deixa aberta: a lei diz o que acontece quando a pressão vem do peso do próprio líquido. E se alguém empurrar o líquido de propósito, num tubo fechado — o que acontece com a pressão no resto dele? É o capítulo 7, e é o que levanta um carro com um pé.

Exemplos resolvidos

Toda conta deste livro é feita em três tempos: a fórmula, a substituição dos números (já nas unidades certas) e o resultado com a unidade. Nos problemas de Stevin, o passo anterior aos três é decidir se a pergunta quer a pressão absoluta, com p₀, ou só a da coluna; e conferir que a profundidade está em metros.

Exemplo 1 — O fundo da fossa

A esfera do Trieste chegou a 10 916 m no mar, de densidade 1 025 kg/m³. Qual era a pressão absoluta ali? Use g = 10 m/s² e p₀ = 1,0 × 10⁵ Pa.

Fórmula. p = p₀ + ρ × g × h

Substituição. p = 1,0 × 10⁵ + 1 025 × 10 × 10 916

Resultado. p ≈ 1,12 × 10⁸ Pa, cerca de 1 120 atm

Conferência. a coluna sozinha dá 1,119 × 10⁸ Pa; a atmosfera de cima é menos de um milésimo disso. Com g = 9,81 e p₀ = 101 325 Pa, 1 084 atm. Nas duas contas, mais de mil.

Exemplo 2 — A régua dos dez metros

Quanto dez metros de água do mar, de densidade 1 025 kg/m³, acrescentam à pressão? E três metros de água doce, no fundo de uma piscina? Use g = 10 m/s².

Fórmula. Δp = ρ × g × Δh

Substituição. mar: 1 025 × 10 × 10 ; piscina: 1 000 × 10 × 3

Resultado. 102 500 Pa ≈ 1 atm ; 3 × 10⁴ Pa = 0,3 atm

Conferência. com água doce, dez metros dão exatamente 10⁵ Pa; o mar acrescenta dois e meio por cento. Na piscina, a pressão absoluta é 1,3 atm — trinta por cento a mais que na superfície.

Exemplo 3 — A janela a nove mil metros

Ao passar de 9 000 m, uma janela externa do Trieste rachou. Qual era a pressão da água ali, e qual a diferença entre fora e dentro da esfera, que estava a 1 atm? Use ρ = 1 025 kg/m³ e g = 10 m/s².

Fórmula. p da coluna = ρ × g × h ; diferença = p de fora − p de dentro

Substituição. 1 025 × 10 × 9 000 = 9,2 × 10⁷ Pa ; fora ≈ 920 atm, dentro 1 atm

Resultado. cerca de 920 atm de coluna; diferença de cerca de 920 atm

Conferência. com a atmosfera de cima, 924; com as constantes exatas, 894 — "cerca de novecentas". A janela sentiu a diferença inteira, porque dentro havia uma atmosfera só.

Um metro quadrado da parede de aço da esfera visto de lado, em azul-escuro. À esquerda, do lado da água, uma seta salmão muito grande apontando para a parede, rotulada 1,12 vezes 10 elevado a 8 newtons, onze mil toneladas; à direita, do lado do ar, uma seta salmão pequena, em sentido contrário, rotulada 10 elevado a 5 newtons, dez toneladas. Duas barras de pressão azul-céu: fora, muito alta, 1 120 atm; dentro, mínima, 1 atm. Um cartão: no capítulo 5 eram dez toneladas de cada lado; aqui são onze mil de um lado e dez do outro.
Figura 6.9 — O Exemplo 4 em desenho: um metro quadrado de casco no fundo recebe 1,12 × 10⁸ N de fora — onze mil toneladas — e 10⁵ N de dentro. A vidraça do capítulo 5 tinha o mesmo dos dois lados; aqui a diferença é quase tudo.

Exemplo 4 — Um metro quadrado de casco

Que força a água faz sobre um metro quadrado da parede da esfera no fundo, a 1,12 × 10⁸ Pa? Compare com a força do ar de dentro, a 1,0 × 10⁵ Pa.

Fórmula. F = p × A

Substituição. fora: 1,12 × 10⁸ × 1 ; dentro: 10⁵ × 1

Resultado. fora, 1,12 × 10⁸ N, o peso de 11 200 t; dentro, 10⁵ N, o peso de 10 t

Conferência. 1,12 × 10⁸ N ÷ 10 m/s² = 1,12 × 10⁷ kg, onze mil toneladas — mil cento e vinte vezes as dez toneladas da vidraça do capítulo 5. A resultante sobre o metro quadrado é a diferença, e aponta para dentro.

Exemplo 5 — O manômetro no fundo do tanque

Um tanque tem 5 m de água doce. Quanto marca um manômetro no fundo, e qual é a pressão absoluta ali? Use g = 10 m/s² e p₀ = 1,0 × 10⁵ Pa. (Números de exercício.)

Fórmula. manométrica = ρ × g × h ; absoluta = p₀ + ρ × g × h

Substituição. 1 000 × 10 × 5 ; 10⁵ + 5 × 10⁴

Resultado. manométrica 5 × 10⁴ Pa (0,5 atm); absoluta 1,5 × 10⁵ Pa (1,5 atm)

Conferência. a absoluta é três vezes a manométrica neste tanque; a diferença entre as duas é uma atmosfera, como em qualquer profundidade.

Radar ENEM

O ENEM cobra este capítulo de quatro maneiras, e a primeira é a fórmula pura: p = p₀ + ρ × g × h, com um mergulhador, um submarino ou um tanque a uma profundidade dada — e a armadilha de somar ou não a atmosfera conforme a pergunta peça a pressão total ou só a da água. A segunda é a régua dos dez metros: a cada dez metros, uma atmosfera. A terceira é a distinção absoluta × manométrica, quase sempre com um manômetro que marca um número e uma pergunta sobre o outro. A quarta é qualitativa: a pressão não depende do formato do recipiente, só da profundidade — o que prepara os vasos comunicantes do capítulo 10 — e a força sobre uma parede é a diferença de pressão vezes a área.

Dois cartões lado a lado. O da esquerda, riscado com um X em salmão: a pressão no fundo depende da quantidade de água do recipiente. O da direita, em destaque: a pressão depende só da profundidade, p é igual a p zero mais rô vezes g vezes h. Abaixo, uma linha com a régua: 10 m, 1 atm; 20 m, 2 atm de coluna, 3 absolutas; e a nota: manométrica é a absoluta menos uma atmosfera.
Figura 6.10 — Pediu a pressão num ponto submerso? Só a profundidade manda, nunca o formato. Pediu a total? Some a atmosfera. Pediu o que o manômetro marca? Tire-a.

Com números de exercício: a 20 m de água doce, a coluna faz 2 × 10⁵ Pa, e a pressão absoluta é 3 × 10⁵ Pa — três atmosferas, não duas. Um manômetro que marca 2 × 10⁵ Pa está num ponto a 3 × 10⁵ Pa de pressão absoluta. E uma profundidade de 20 m escrita como 2 000 cm dá uma pressão cem vezes maior — a vírgula andou duas casas porque a altura não foi convertida.

Dica ENEM

Dica ENEM: os tropeços que o examinador coloca nas alternativas

Resumo em cinco peças

Cinco peças: Stevin, p é igual a p zero mais rô vezes g vezes h, a pressão de cima mais a coluna; dez metros de água é igual a uma atmosfera, e a pressão não depende do formato; absoluta conta o ar de cima, manométrica só a coluna, e a diferença é sempre 1 atm; o que esmaga é a diferença entre fora e dentro, por isso a esfera é esfera; embaixo de um corpo a pressão é maior que em cima, e o empuxo nasce aqui.
Figura 6.11 — O capítulo em cinco peças.
  1. Lei de Stevin: p = p₀ + ρ × g × h — a pressão de cima mais a da coluna; entre dois pontos, Δp = ρ × g × Δh, e pontos na mesma altura têm a mesma pressão.
  2. Dez metros de água = uma atmosfera, e a pressão só depende da profundidade — nunca do formato, da largura ou da quantidade de líquido.
  3. Absoluta conta o ar de cima; manométrica conta só a coluna, e é o que o manômetro marca. A diferença entre as duas é sempre uma atmosfera.
  4. O que esmaga é a diferença entre fora e dentro: mil e tantas atmosferas de um lado, uma do outro — e a esfera é a forma que reparte esse aperto por igual.
  5. Embaixo de um corpo submerso a pressão é maior do que em cima; sobra uma força para cima, o peso do líquido deslocado. O empuxo nasce aqui.

Se for guardar uma frase só, guarde a pilha de cobertores: o primeiro é o ar, cada dez metros de água é mais um — e a esfera lá no fundo está debaixo de mais de mil, com um só do lado de dentro.

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