Efeito sobre a flutuabilidade do mergulhador e o Princípio de Arquimedes

Autores: Diogo de O. Bagatin, Mariana P. Haueisen, Thais R. Semprebom, Raphaela A. Duarte Silveira e Douglas F. Peiró

Face a face, um mergulhador e uma tartaruga de pente (Eretmochelys imbricata). Fonte: Amanda Góes/Barracudas Imagens.

Um dos primeiros efeitos que os mergulhadores sentem ao entrar na água é a sensação de gravidade zero. Essa incrível sensação de voar que o mergulho nos proporciona acontece porque nos líquidos se aplicam as propriedades da força de empuxo. Esta propriedade foi estudada pelo filósofo naturalista grego Arquimedes, que a descreveu como uma Lei da física fundamental para mecânica de fluidos e que leva o seu nome: o Princípio de Arquimedes.

PRINCÍPIO DE ARQUIMEDES

Conta a lenda que o rei Hierão, da cidade-estado de Siracusa, na Grécia antiga, estava intrigado com a fabricação de uma coroa de ouro que ordenou fazer, pois ouviu boatos que o ourives não tinha usado somente ouro em sua fabricação. Então, mandou chamar o Sábio Arquimedes para solucionar o problema da coroa, que era dourada e parecia de ouro. Porém, o rei queria ter certeza de sua composição sem que ela fosse destruída.

Arquimedes estava dedicado a ajudar o rei na solução do problema proposto e, em um belo dia, entretido com a questão, entrou ele em sua banheira e o insight chegou. Vislumbrado com a descoberta, saiu ele, nu, pelas ruas da cidade, gritando “Eureka!!! Eureka!!! Eureka!!!”.

Surpreso, Arquimedes saiu nu pelas ruas de Siracusa gritando “Eureka, Eureka, Eureka!!!” Fonte: Marinho Eureka!Lopes/Sophia of Nature.

O sábio Arquimedes notou que, ao entrar na banheira, o seu corpo deslocava um dado volume de água que era exatamente o mesmo volume do corpo que estava imerso, então ele aplicou isto à coroa. Colocando-a dentro de uma bacia, ele conseguiu descobrir qual era o volume desse objeto e, tendo o conhecimento da massa e do volume da coroa, Arquimedes descobriu qual era sua densidade. Depois, ele comparou a densidade da coroa com a densidade de barras de ouro puro e barras de prata. Com essa experiência, ele demonstrou que a densidade da coroa era menor que a densidade de um bloco de ouro puro e que o ourives havia utilizado outros metais, além do ouro, para fazer a coroa, comprovando ao rei que houve fraude.

O princípio de Arquimedes nasceu com esta experiência, pois foi com essas observações que o filósofo naturalista sentiu em seu próprio corpo que havia uma relação entre a flutuabilidade de seu corpo, quando estava na água, e seu volume. Foi assim que ele comprovou que existe uma força flutuante ascendente exercida sobre um corpo imerso em um fluido, e a esta força ele deu o nome de Empuxo.

FORÇA EMPUXO

Todo objeto imerso em um fluido irá deslocar um dado volume deste fluido. O empuxo é igual ao peso deste volume. Então, quando entramos na água, temos duas forças atuando sobre o mergulhador. Uma é a força peso, que atua verticalmente para baixo. E a outra, a força de empuxo, que atua sobre o corpo verticalmente para cima.

Para que um navio possa boiar, os projetistas calculam o seu peso final, ou seja, consideram toda a carga que ele irá carregar, e elaboram o desenho do casco para que o peso do volume de água deslocada seja maior que peso final do navio. Desta forma, a força de empuxo torna-se maior que a força peso.

Princípio de Arquimedes aplicado aos navios. Fonte: adaptado de Tairine Favretto/Curso Enem Gratuito.

Então, por que os mergulhadores precisam colocar cintos com mais peso se eles já carregam todo o peso do equipamento de mergulho?

FLUTUABILIDADE DO MERGULHADOR

A flutuabilidade do mergulhador está diretamente relacionada aos equipamentos que ele utiliza durante as atividade subaquáticas. O conjunto SCUBA (Self Contained Underwater Breathing Apparatus) completo (com cilindro, colete e regulador) pesa aproximadamente 20 kg. Somente o cilindro de ar comprimido pesa, em média, 12 kg vazio e, aproximadamente, 14,5 kg cheio. Se somarmos a isso todos os outros equipamentos necessários para mergulhar, facilmente passamos de 25 kg. Porém, fazendo o papel oposto de todo este peso, temos o empuxo causado por este equipamento e também pela roupa de neoprene.

Roupa de neoprene para mergulhadores. Fonte: Fun Dive.

As roupas de mergulho são projetadas para serem excelentes isolantes térmicos, dando assim conforto aos mergulhadores, o que contribui para segurança dos mergulhos. Elas são fabricadas com neoprene, que é uma borracha sintética com microbolhas de nitrogênio no seu interior, isto produz no mergulhador uma força de empuxo que é maior que o peso do equipamento.

Para compensar este empuxo causado pela roupa, é necessário adicionar um sistema de lastreamento, em que são adicionados lastros feitos de chumbo e revestidos de borracha, sendo que cada pedra de lastro pode pesar de 0,5 kg a 3,0 kg. A mais importante característica em um sistema de lastreamento é que este possua uma forma de liberação rápida com o uso de somente uma das mãos.

Partes de um sistema de lastro. Fonte: adaptado de Fun Dive.

QUANTO LASTRO UTILIZAR?

Com a quantidade de variáveis que trouxemos para vocês até aqui, dá para notar o quão complexo seria fazer um cálculo para saber quanto de lastro utilizar em um mergulho.

Mas é bem simples saber quanto lastro utilizar...

Se você estiver mergulhando em água salgada, com uma roupa longa de 5 mm de espessura, basta adicionar 10% do seu peso mais 2 kg de lastro em seu sistema de lastreamento. Os 10% irão compensar a flutuabilidade positiva gerada pela roupa de neoprene e os 2 kg adicionais são para compensar a flutuabilidade maior, que é gerada pela densidade da água salgada. Ou seja, se o mergulho for em água doce, basta remover 2 kg do seu sistema de lastreamento.

Testando o seu lastro

A melhor forma de saber se a sua flutuabilidade está Ok é fazendo o teste de lastro na superfície da água. Para isto, basta ficar na vertical, colocar o seu regulador principal na boca, remover todo o ar de seu colete equilibrador, inspirar e segurar por alguns instantes a respiração. Se você estiver adequadamente lastreado, ficará com a água na linha da sua máscara e, assim, para afundar, bastará soltar o ar dos pulmões. No entanto, se você estiver afundando ou com a água abaixo da linha da máscara, ajustes serão necessários e estes ajustes são feitos removendo ou colocando lastro, um quilo por vez.

Lembre-se de checar a sua flutuabilidade antes de iniciar um mergulho. O equipamento é uma extensão do mergulhador e controlá-lo adequadamente é uma habilidade que deve ser constantemente exercitada.

Bibliografia

BATALHA, Elisa; BENTO, Silvio. Arquimedes e a coroa. Disponível em: http://www.invivo.fiocruz.br/cgi/cgilua.exe/sys/start.htm?infoid=946&sid=7#:~:text=O%20que%20ele%20descobriu%20foi,baseia%20no%20empuxo%20ou%20impuls%C3%A3o).&text=E%20Arquimedes%20descobriu%20isso%20quando,volume%20ao%20seu%20pr%C3%B3prio%20corpo. Acesso em: 07 jun. 2020.

CONTRIBUIDORES WIKIPEDIA. Archimedes' principle. 2020. Disponível em: https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Archimedes%27_principle&oldid=961642108. Acesso em: 09 jun. 2020.

SOUSA, Matheus M. Porque os navios flutuam? – Princípio de Arquimedes. 2014. Disponível em: (https://www.aquafluxus.com.br/porque-os-navios-flutuam-principio-de-arquimedes/?lang=en). Acesso em: 07 jun. 2020.