O conceito de pressão aparece com o estudo de forças que são aplicadas em uma superfície, ele surge num contexto da física dos gases e da mecânica dos fluidos. As contribuições de estudiosos como Arquimedes, Torricelli, Bernoulli e, principalmente, Blaise Pascal, foram fundamentais para a compreensão do que é pressão e sua ampla aplicação na física e nas engenharias.
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O que é Pressão
Define-se pressão como uma grandeza física que representa a quantidade de força exercida em uma determinada superfície. É possível expressar essa relação de forma matemática como:
Onde P é a pressão, F a força aplicada medida e A é a área em que essa força foi distribuída. A partir disso, nota-se como esse conceito pode aparecer em nosso cotidiano de simples formas como, por exemplo, ao martelar um prego, que como possui uma ponta fina, ele pode perfurar facilmente algumas superfícies.
Analisando o experimento, ao martelar o prego, por ter uma área bem pequena em sua ponta, a pressão exercida é bem alta. O contrário também ocorre, ao aplicar a mesma força, se a área for bem maior a pressão será menor.
Unidades de medida
O Sistema Internacional de Medidas (SI) estabelece padrões de unidades de medida para conferir consistências em cálculos e em experimentos científicos. No SI, a unidade de pressão é o pascal (Pa), que é a razão de força, medida em newtons (N), pela área, medida em metros (M).
Contudo, existem outras unidades de medida para representar a pressão, que varia de acordo com sua aplicação, seja na meteorologia, medicina, ou mesmo na própria engenharia. Na indústria automobilística, por exemplo, a pressão dos pneus nos EUA é marcada em psi, enquanto que no Brasil e na Europa, geralmente, é usado o kPa (quilopascal).
- Bar (bar): muito utilizado em meteorologia, 1 bar equivale a 100.000 Pa;
- Atmosfera (atm): usado para medir pressão atmosférica, 1 atm é igual a 101.325 Pa;
- Milímetros de mercúrio (mmHg): geralmente aplicados na medicina, como para medir a pressão arterial, 1mmHg vale 133,322 Pa; e
- Psi (libras por polegada quadrada): usado na indústria automobilística e pneumática 1 psi é 6.894,76 Pa.
Pressão em Fluidos
Por conta da mobilidade das partículas que compõem um fluido, a pressão é transmitida em todas as direções para todas as partes do fluido, diferentemente dos sólidos, onde a pressão tende a ser transmitida diretamente, além de depender da direção da força e da estrutura do material.
Os líquidos e os gases são chamados coletivamente de fluidos porque fluem e não podemos descrever seu comportamento igual ao comportamento de sólidos. Os sólidos possuem formato definido, enquanto os fluidos tomam o formato do recipiente em que estão inseridos.
Pressão hidrostática
A pressão hidrostática é a pressão que um líquido exerce numa superfície ou corpo submerso. Ela ocorre com líquidos em repouso e diminui linearmente com a altura, independente do formato do recipiente, isso ocorre por conta da densidade.
No oceano, por exemplo, quanto mais fundo vai um mergulhador maior a pressão, o volume de água acima dele exerce peso, e quanto mais fundo o mergulhador vai, maior o volume de água acima, isso resulta numa pressão crescente.
A fórmula da pressão hidrostática é:
P=ρ⋅g⋅h
Onde a pressão hidrostática (P) é o produto da densidade do líquido (ρ), pela aceleração da gravidade (g), pela profundidade do objeto considerado (h).
A partir da fórmula, podemos deduzir que quanto maior a profundidade, maior a pressão, e que essa é uma relação diretamente proporcional. Além disso, quanto mais denso o líquido, maior será a pressão, sendo que a densidade é medida em quantidade de massa por volume.
Observa-se a aplicação dos conceitos de pressão estática, por exemplo, na construção de Barragens, onde é necessário reforçar a base por conta da pressão da água ser maior.
Princípio de Pascal
O Princípio de Pascal afirma que, a pressão exercida em um fluido em equilíbrio estático transmite-se integralmente a todos os pontos do fluido. Portanto, quando aplica-se uma certa pressão (P1) num fluido, essa pressão fará com que aumente a pressão em todos os pontos do fluido (P2), porque:
E como P1 = P2, nota-se que:
Com as equações da lei de Pascal, pode-se perceber que, em um sistema hidráulico, por exemplo, uma força aplicada numa pequena área pode gerar uma grande força numa área bem maior.
O elevador hidráulico e a prensa hidráulica, por exemplo, funcionam com base nesse mesmo princípio. Um sistema composto por dois êmbolos (pistões), um pequeno e um grande, uma tubulação conecta ambos os êmbolos. Uma bomba hidráulica injeta um fluido incompressível no sistema e as válvulas controlam o fluxo do fluido no êmbolo menor, onde a força aplicada é ampliada no êmbolo maior, permitindo a elevação de cargas pesadas com bem menos esforço.
Empuxo
A diminuição da pressão com a altura é responsável pela Força de Empuxo, que é uma força que aponta para cima experimentada por objetos quando eles estão total ou parcialmente submersos em um fluido. A tendência de certos objetos de flutuar no ar ou na água é devido a essa força.
O Princípio de Arquimedes diz que, todo corpo imerso todo ou parcialmente em um fluido sofre a ação de uma força vertical, de baixo para cima, igual ao peso do volume deslocado, mostrando que o comportamento de um corpo submerso em um fluido depende da relação entre a força peso e o peso do fluido deslocado por ele.
Um barco, por exemplo, flutua porque o volume de água que ele desloca é suficiente para gerar um empuxo igual ao seu peso, caso o empuxo fosse menor que o peso, o objeto afundaria.
O empuxo é descrito pela seguinte fórmula:
E=ρ⋅g⋅V
Onde E é a força de empuxo medida em (N) e é obtida pelo produto da densidade do fluido (ρ), pela gravidade (g) e pelo volume de fluido deslocado pelo corpo (m^3).
Vasos Comunicantes
Os vasos comunicantes são recipientes de diferentes formatos, conectados entre si pelas bases e preenchidos com um fluido, mesmo com diferentes formatos todos os ramos do vaso compartilham o mesmo fluido que está em equilíbrio.
Isso é justificado pela fórmula da pressão hidrostática, como o fluido e a gravidade são constantes nos vasos comunicante, a pressão vai depender apenas da altura do líquido. Portanto, para atingir o equilíbrio, a altura em todos os ramos vai ser a mesma.
Quando o sistema está em repouso, a pressão é a mesma em todos os pontos no mesmo nível para um mesmo fluido, essa é uma aplicação direta da pressão hidrostática, essencial para o funcionamento de sistemas hidráulicos.
A aplicação do conceito de pressão
A pressão vai além do conceito físico envolvido, ela é um princípio físico utilizado para o desenvolvimento de diversas tecnologias que facilitam a modernidade. Maquinário de construção, veículos, até mesmo na aviação e exploração espacial.
Pode-se tomar como exemplo escavadeiras e elevadores que usam sistemas hidráulicos para levantar grandes cargas utilizando menos esforço, ou mesmo caminhões, que usam sistemas pneumáticos (com ar comprimido) para frenagem. Ainda na engenharia, bombas, turbinas, aparelhos de medição como o Barômetro (até o de mercúrio como o de Torricelli), são aparelhos de muita serventia.
Sem o estudo preciso sobre a pressão, não se teria conseguido avançar tanto tecnologicamente. E com certeza, não seria possível continuar em constante inovação.
Questão sobre Lei de Pascal
Universidade de São Paulo – USP – FUVEST (1998)
Um recipiente contém dois líquidos I e II de massas específicas (densidades) r₁ e r₂ respectivamente. Um cilindro maciço de altura h se encontra em equilíbrio na região da interface entre os líquidos, como mostra a figura. Podemos afirmar que a massa específica do material do cilindro vale:
A) (ρ₁ + 2ρ₂)/2
B) (ρ₁ + ρ₂)/2
C) (2ρ₁ + ρ₂)/3
D) (ρ₁ + 2ρ₂)/3
E) 2(ρ₁ + ρ₂)/3
Resposta: D
Como o cilindro se encontra em equilíbrio, sua força peso é igual, em módulo, ao empuxo sofrido pelos líquidos I e II.
O volume V do cilindro maciço pode ser calculado pela área de sua base multiplicada pela altura. O mesmo pode ser feito para os volumes submersos nos líquidos I e II.
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