Nesta seção estudaremos os fluidos, que é qualquer substância que tem a capacidade de escoar. Normalmente os líquidos e gases têm esta propriedade e assumem a forma dos recipientes que os contém. Também podemos definir um fluido como uma substância que, submetida a uma força tangencial (cisalhante), deforma-se continuamente.

Fluidos

Primeiramente é interessante considerar as propriedades dos fluidos parados (estáticos), uma área conhecida como hidrostática. Neste caso, as seguintes definições são fundamentais:

Densidade ( \(\rho\) )
A massa específica ou densidade \(\rho\) de um corpo é definida como a massa presente em uma unidade de volume, isto é: $$\rho = \frac{m}{V},$$ onde \(m\) é a massa do corpo e \(V\) o volume. É importante notar que conhecendo o volume de um corpo e de que material ele é feito, podemos com isto calcular a massa deste material, pois $$ m = \rho V.$$
Densidades de substâncias diferentes. A figura ilustra uma mesma substância em recipientes de mesmo tamanho. Note que um recipiente tem mais massa (moléculas) do que a outra no mesmo espaço, logo, maior densidade.

Note que:
  • A unidade de massa específica no \(SI\) é: \(\frac{kg}{m^3}\) .
  • A densidade é uma grandeza escalar.
  • Cada substância tem uma densidade que é uma das características da mesma.
  • A densidade de um gás varia consideravelmente com a pressão, mas a variação da densidade de um líquido com a pressão é desprezível e para fins práticos considera-se que ela não varia. Ou seja, gases são facilmente compressíveis, mas líquidos não.
A tabela abaixo ilustra a densidade de algumas substâncias.
Substância
Massa específica ( \(kg/m^3\) )
Ar ( \(0^oC, 1 atm\) )
\(1,21\)
Água ( \(20^oC, 1 atm\) )
\(1,0 \times 10^3\)
gelo
\(0,92 \times 10^3\)
concreto
\(2,3 \times 10^3\)
alumínio
\(2,7 \times 10^3\)
ferro
\(7,85 \times 10^3\)
chumbo
\(11,3 \times 10^3\)
Terra: crosta
\(2,8 \times 10^3\)
Terra: núcleo
\(9,5 \times 10^3\)
Pressão ( \(P\) )
A pressão em uma área nada mais é do que uma força normal por unidade de área e é uma grandeza escalar (veja a figura abaixo.)
Pressão em um fluido. A figura ilustra um fluido sob a ação de uma força \(\vec{F}\) . Podemos decompor \(\vec{F}\) na direção normal à superfície do líquido, \(\vec{F_n}\) , e na direção tângencia a superfície, \(\vec{F_t}\) . Para o calculo da pressão, utiliza-se somente a componente \(\vec{F_n}\) .
A pressão devido a uma força \(\vec{F}\) em uma área \(A\) pode ser calculada com a fórmula: $$P = \frac{F_n}{A},$$ onde \(F_n\) é o módulo da componente normal a superfície da força \(\vec{F}\) .
Note que:
  • A pressão P num ponto de um fluido em equilíbrio é a mesma em todas as direções.
  • A unidade de pressão no S.I. é newton por metro quadrado, \(\frac{N}{m^2} = Pascal (Pa)\) .
  • O manômetro é o instrumento utilizado para medir pressões em geral. No carro, por exemplo, há um manômetro para medir a pressão do óleo que lubrifica o motor.
      A tabela abaixo lista a pressão de alguns sistemas.
      Sistema
      Valor (Pascal)
      Centro do Sol
      \(2 \times 10^{16}\)
      Centro da Terra
      \(4 \times 10^{11}\)
      Maior profundidade oceânica
      \(1,1 \times 10^8\)
      Pneu de automóvel
      \(2 \times 10^5\)
      Atmosférica ao nível do mar
      \(1,0 \times 10^5\)
      Sangüínea normal
      \(1,6 \times 10^4\)
      Som máximo tolerável
      \(30\)
      Som mínimo detectável
      \(3 \times 10^{-5}\)

PRESSÃO ATMOSFÉRICA

A pressão atmosférica ocorre devido o peso da coluna de ar que pressiona os sistemas nas vizinhanças da superfície da Terra. Quanto maior a coluna de ar maior a pressão, por isto que sentimos a pressão mudar quando viajamos de lugares altos para regiões baixas, e vice-versa. No nível no mar, temos que a pressão atmosférica tem o seguinte valor: $$1 atm = 1,01 \times 10^5 Pa = 760 mmHg = \\ = 760 Torr = 14,7 Lib/in^2 (psi)$$ A pressão atmosférica é medida com um instrumento chamado barômetro (veja figura).

O Barômetro de Mercúrio é um instrumento que mede a pressão atmosférica. Ele consiste apenas em um tubo capilar onde uma das extremidades é fechada. Depois enche-se este tubo de mercúrio e vira-se este tubo em um recipiente, como na figura. Desta forma, a altura de mercúrio dentro do tubo é proporcional a pressão atmosférica na superfície do recipiente.