Suponha que você abandona uma pequena bola a partir do repouso em uma profundidade de abaixo da superfície em uma piscina com água. Se a densidade da bola for a da água e se a força de arrasto da água sobre a bola for desprezível, que altura acima da superfície da água a bola atinge? (Despreze qualquer transferência de energia para as ondas e respingos de água provocados pela bola ao emergir.)

Passo 1

Beleza, vamos entender o que a questão está pedindo! Você tem uma bola que é solta da água a uma profundidade de 0,600 metros abaixo da superfície. A densidade da bola é 0,300 vezes a densidade da água. Queremos descobrir qual a altura máxima que a bola alcança acima da superfície da água. Para resolver isso, vamos precisar usar conceitos de densidade, empuxo de Archimedes e conservação de energia.

Passo 2

Primeiro, vamos lembrar o que é densidade. Densidade é a relação entre a massa de um objeto e o volume que ele ocupa, dada pela fórmula:
Onde:
  • é a densidade,
  • é a massa,
  • é o volume.
Sabemos que a densidade da bola ( ) é 0,300 vezes a densidade da água ( á). Então:
á

Passo 3

Agora, vamos falar sobre o empuxo de Archimedes. Esse é o empurrão que a água exerce para cima na bola, e ele é igual ao peso do volume de água deslocado pela bola. A fórmula do empuxo ( ) é:
á
Onde:
  • é o volume da bola,
  • é a aceleração da gravidade (aproximadamente ).

Passo 4

O peso da bola ( ) é calculado pela fórmula:
Substituindo pela expressão em termos da densidade da água:
á

Passo 5

O força líquida que age sobre a bola para cima é a diferença entre o empuxo e o peso:
íá
Substituindo :
íáá

Passo 6

Agora, vamos usar a conservação de energia. A energia fornecida pela força líquida ao longo da distância que a bola vai subir é igual à energia potencial gravitacional que a bola ganha ao subir até a altura máxima .
í
Substituindo :
áá
Simplificando os termos:

Passo 7

Vamos resolver a equação para :
Subtraindo de ambos os lados:
Dividindo ambos os lados por :
No entanto, percebemos que houve um erro na simplificação. Vamos corrigir isso.

Passo 8

Retomando a equação correta:
Subtraindo de ambos os lados:
Multiplicando ambos os lados por :
O valor negativo indica que a altura acima da superfície é 0,600 metros.

Resposta

A bola atinge uma altura máxima de 0,600 metros acima da superfície da água.

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