Enunciado
Física - Fundamentos de Física Volume 2 - Gravitação, Ondas e Termodinâmica - 8ª Edição - David Halliday, Jearl Walker e Robert Resnick- Ed: 8º - Capítulo 14.7 - Ex. 36
Um flutuador tem a forma de um cilindro reto,com de altura e de área das bases; sua massa específica é vezes a massa específica da água doce. Inicialmente o flutuador é mantido totalmente imerso em água doce, com a face superior na superfície da água. Em seguida é liberado e sobe gradualmente até começar a flutuar. Qual é o trabalho realizado pelo empuxo sobre o flutuador durante a subida?
Passo 1
Primeiramente, vamos analisar o que acontece com o Empuxo durante o processo de subida do flutuador. Para isso, é importante lembrar que:
Note que ao longo do processo de subida o volume submerso decresce. Com ele, o Empuxo também decresce gradualmente até se igualar ao peso do cilindro, o que ocorre quando
Objetos que estão flutuando, podemos dizer que seu peso é igual ao empuxo!
Consequentemente:
em que é a massa do flutuador cilíndrico.
Passo 2
Lembrando que , a expressão acima fica assim (sendo o volume total do flutuador):
Então, sendo a área da base do flutuador , sua altura total e a altura da parte submersa do flutuador, temos que e . Então, a expressão acima pode ser escrita assim:
Passo 3
Na expressão acima, podemos calcular a parte da altura do flutuador, , que está submersa no fluido. Isolando na expressão do passo anterior, temos:
Substituindo os valores fornecidos no enunciado, temos:
Passo 4
Agora, podemos calcular o trabalho efetuado pela força de empuxo , lembrando que , quando a é constante. Nesse caso, o empuxo não é constante. Então, como faremos?
Nesse caso, podemos realizar uma análise infinitesimal novamente: em uma pequena altura de comprimento , o trabalho realizado pelo Empuxo é igual a
Lembrando que, para uma altura o Empuxo é dado por
Podemos somar esses trabalhos infinitesimais por meio da integral:
Perceba que essa integral vai de até que é a quantidade de volume submerso, inicialmente ele está todo submerso e no fim ele está flutuando com submerso.
Aqui vamos usar o fato que a massa específica da água doce é
E também vou utilizar a seguinte aproximação para facilitar os cálculos
Assim, teremos:
Portanto:
Lembrando que
Passo 5
Desenvolvendo a integral acima, temos: