Este resumo de empuxo e princípio de Arquimedes para o ENEM explica a força que um fluido exerce para cima sobre um corpo imerso. Essa força ajuda a entender a flutuação de barcos, a subida de balões e a leitura de dinamômetros em líquidos. Para resolver questões, é essencial relacionar empuxo, peso, densidade do fluido e volume deslocado.
O que é empuxo?
Empuxo é uma força vertical, orientada de baixo para cima, exercida por um fluido sobre um objeto que está total ou parcialmente imerso nele. Em Física, fluido é uma substância capaz de escoar, como líquidos e gases. Portanto, o fenômeno não ocorre apenas na água: também há empuxo no ar.
A origem dessa força está na pressão hidrostática. Em um líquido em repouso, a pressão aumenta com a profundidade. Assim, a parte inferior de um corpo submerso recebe uma pressão maior que a parte superior. Como as forças de pressão nas laterais se equilibram, sobra uma resultante para cima: o empuxo.
Imagine um bloco mergulhado em uma piscina. A água pressiona todas as suas faces. Na face de baixo, porém, a pressão é maior, pois ela está mais profunda. A diferença entre as forças exercidas na parte inferior e na parte superior corresponde ao empuxo. Mesmo que o objeto afunde, ele continua recebendo essa força; afundar apenas significa que seu peso é maior que o empuxo.
Ideia central: empuxo não é uma propriedade exclusiva de objetos que boiam. Todo corpo imerso em um fluido sofre empuxo, desde que desloque parte desse fluido.
Princípio de Arquimedes
O princípio de Arquimedes afirma que todo corpo total ou parcialmente imerso em um fluido recebe um empuxo de intensidade igual ao peso do fluido deslocado pelo corpo. A expressão “fluido deslocado” indica a porção de líquido ou gás que teria ocupado a região onde o objeto está.
Se uma pedra é colocada em um recipiente cheio até a borda, parte da água transborda. O volume de água que sai equivale ao volume da parte submersa da pedra. O empuxo sobre a pedra é igual ao peso dessa água deslocada, não ao peso da pedra. Por isso, uma peça pequena e muito densa pode deslocar pouco líquido e ainda assim afundar.
O princípio é atribuído ao estudioso grego Arquimedes, que viveu no século III a.C. Ele permite explicar fenômenos de hidrostática sem calcular separadamente as pressões em cada ponto da superfície do objeto. Nas questões escolares, o mais importante é identificar qual fluido está sendo deslocado e qual é o volume efetivamente imerso.
Fórmula e cálculo do empuxo
A intensidade do empuxo pode ser calculada por:
E = ρf · g · Vdeslocado
Nessa fórmula, E é o empuxo, em newtons; ρf é a densidade do fluido, em quilogramas por metro cúbico; g é a aceleração da gravidade, geralmente adotada como 10 m/s² quando o enunciado permitir; e Vdeslocado é o volume de fluido deslocado, em metros cúbicos.
Se o objeto está completamente submerso, o volume deslocado é igual ao volume total do objeto. Se ele flutua com apenas uma parte mergulhada, o volume deslocado corresponde somente à parte submersa. Essa distinção é decisiva em problemas sobre icebergs, boias e embarcações.
| Situação | Volume deslocado | Relação entre as forças |
|---|---|---|
| Corpo totalmente submerso | Igual ao volume total do corpo | Depende da comparação entre empuxo e peso |
| Corpo flutuando | Igual ao volume da parte imersa | Empuxo igual ao peso |
| Corpo apoiado no fundo | Em geral, igual ao volume imerso | Peso = empuxo + força normal |
Considere um objeto totalmente imerso que desloca 0,002 m³ de água. Sendo a densidade da água 1 000 kg/m³ e g = 10 m/s², o empuxo será E = 1 000 · 10 · 0,002 = 20 N. Esse valor informa a intensidade da força ascendente feita pela água no objeto.
Flutuar, afundar ou ficar em equilíbrio
Para prever o movimento de um corpo em um fluido, compare o empuxo com o peso. O peso é uma força vertical para baixo, dada por P = m · g. A força resultante entre as duas determina se o corpo tende a subir, descer ou permanecer em equilíbrio.
- Se E > P, a resultante aponta para cima e o corpo tende a subir.
- Se E < P, a resultante aponta para baixo e o corpo tende a afundar.
- Se E = P, há equilíbrio vertical; o corpo pode flutuar ou permanecer suspenso no interior do fluido.
A densidade ajuda a interpretar esses casos. Um corpo homogêneo tende a afundar quando sua densidade é maior que a do fluido. Tende a flutuar quando sua densidade é menor. Se as densidades são iguais, pode permanecer em qualquer profundidade, desde que não haja outras forças relevantes.
Um navio de aço pode flutuar embora o aço tenha densidade maior que a da água. O que importa é a densidade média do conjunto navio mais ar contido em seu interior. Como o casco tem grande volume e é oco, ele desloca água suficiente para que o empuxo iguale o peso total da embarcação antes que ela fique inteiramente submersa.
Situações comuns e pegadinhas
Recipientes, transbordamento e nível do líquido
Quando um objeto flutua em um recipiente, ele desloca uma quantidade de líquido cujo peso é igual ao seu próprio peso. Se o objeto for retirado e colocado em outro recipiente, o empuxo dependerá da densidade do novo fluido e do volume imerso. Em óleo, que costuma ser menos denso que a água, um mesmo objeto precisa submergir mais para deslocar fluido suficiente e equilibrar seu peso.
Em recipientes com água até a borda, um objeto totalmente mergulhado provoca transbordamento de um volume igual ao seu volume submerso. Já um objeto flutuante provoca transbordamento cujo peso é igual ao peso do objeto. Volume e peso deslocados são grandezas diferentes; confundi-los é uma falha frequente.
Peso aparente
Um corpo pendurado em um dinamômetro aparenta pesar menos quando é mergulhado em um líquido. Isso ocorre porque o aparelho mede a tensão no fio, e parte do peso é compensada pelo empuxo. Se o corpo está em repouso e totalmente submerso, vale: tensão + empuxo = peso. Logo, a tensão, chamada de peso aparente nesse contexto, é P - E.
Outro cuidado: a profundidade não altera o empuxo sobre um objeto rígido totalmente submerso em fluido de densidade uniforme. Embora as pressões superior e inferior aumentem ao descer, a diferença entre elas permanece a mesma se o volume do objeto não mudar. Em grandes profundidades, esse raciocínio pode exigir adaptações quando há compressão significativa do objeto ou do fluido.
Como resolver questões do ENEM
O ENEM costuma apresentar o empuxo em contextos cotidianos, ambientais ou tecnológicos. Podem aparecer navios, submarinos, plataformas, coletes salva-vidas, balões, peixes, medição de densidade e objetos em recipientes. Antes de escolher uma fórmula, identifique as forças e a condição descrita no problema.
- Determine qual é o fluido: água, óleo, ar ou outro material.
- Verifique se o corpo está totalmente ou parcialmente imerso.
- Defina o volume deslocado a partir da parte submersa.
- Desenhe mentalmente ou no rascunho o peso para baixo e o empuxo para cima.
- Use a condição de equilíbrio, se o corpo estiver parado, ou compare as forças para prever o movimento.
- Confira as unidades, sobretudo conversões entre litro, centímetro cúbico e metro cúbico.
Em questões conceituais, nem sempre é necessário calcular. Se dois objetos de mesmo volume são totalmente mergulhados no mesmo líquido, sofrem empuxos iguais, ainda que tenham massas diferentes. Isso acontece porque E depende da densidade do fluido e do volume deslocado, e não diretamente da massa ou da densidade do objeto.
Para decidir se algo boia, não basta olhar para o material. É preciso analisar o peso do corpo e o empuxo produzido pelo fluido deslocado.
Pontos de revisão
Empuxo é a força ascendente que um fluido aplica em um corpo imerso. Pelo princípio de Arquimedes, sua intensidade é igual ao peso do fluido deslocado. A fórmula E = ρf · g · Vdeslocado mostra que o cálculo depende da densidade do fluido e do volume imerso.
Para revisar, guarde quatro ideias: o peso aponta para baixo; o empuxo aponta para cima; um corpo flutuante em equilíbrio tem E = P; e um objeto totalmente submerso desloca um volume de fluido igual ao seu próprio volume. Em exercícios, diferencie volume deslocado, peso do fluido deslocado e peso do objeto para evitar conclusões incorretas.
