3.8 Um cubo metálico oco, com arestas de 100 mm , flutua na interface entre uma camada de água e uma camada de óleo SAE 10 W de tal forma que do cubo está imerso no óleo. Qual é a diferença de pressão entre a face horizontal superior e a inferior do cubo? Qual é a massa específica média do cubo?
Passo 1
Beleza, vamos entender o que a questão está pedindo. Temos um cubo metálico oco com arestas de 100 mm que está flutuando na interface entre água e óleo SAE 10 W. Apenas 10% do cubo está imerso no óleo. Precisamos descobrir duas coisas:
A diferença de pressão entre a face superior e a inferior do cubo.
A massa específica média do cubo.
Para resolver isso, vamos precisar usar conceitos de estática de fluidos, especialmente a Lei de Arquimedes, que nos ajuda a relacionar a força de flutuação com a massa do objeto. Além disso, vamos usar a fórmula de pressão em fluidos.
Passo 2
Primeiro, vamos calcular o volume total do cubo. Como as arestas têm 100 mm (ou 0,1 metros), o volume é dado por:
Passo 3
Agora, vamos determinar o volume imerso no óleo. Como 10% do cubo está imerso no óleo:
O restante, 90%, está imerso na água:
Passo 4
A diferença de pressão entre a face superior e a inferior do cubo é causada pelas colunas de óleo e água sobre a face inferior. A pressão em um fluido é dada por:
onde:
é a massa específica do fluido,
é a aceleração da gravidade (),
é a altura da coluna de fluido.
Primeiro, calculamos a pressão devido ao óleo:
E a pressão devido à água:
A diferença de pressão () será:
Assumindo que a densidade do óleo () é aproximadamente e a densidade da água () é .
Passo 5
Substituindo os valores:
Calculando cada termo:
Passo 6
Agora, vamos encontrar a massa específica média do cubo. Pela Lei de Arquimedes, o peso do fluido deslocado é igual ao peso do cubo. Então:
Podemos cancelar e rearranjar para :
Substituindo os valores:
Resposta
A diferença de pressão entre a face horizontal superior e a inferior do cubo é de aproximadamente e a massa específica média do cubo é .