Hidrostática é a parte da física que estuda os líquidos em equilíbrio estático. Além de analisar as forças sobre os fluídos em repouso, ela considera também a força exercida por eles.
Apesar de o termo hidrostática significar "estática da água", a palavra se refere a estática dos líquidos em geral. Mas pelo fato de a água ser o primeiro líquido estudado, o nome se mantém por razões históricas.
Ao contrário do que acontece com as substâncias no estado sólido, em que as o movimento das moléculas são apenas de vibração, nos estados líquido e gasoso as moléculas têm mais mobilidade, resultando na sua fluidez.
Uma vez que não possuem formas próprias, os fluidos escoam e mudam de forma com facilidade, ao ser submetida a pequenas forças
Conceitos fundamentais da hidrostática
Para compreender a hidrostática é necessário conhecer alguns conceitos fundamentais que envolvem esse ramo como fluido, densidade, pressão, empuxo e o Princípio Fundamental da Hidrostática.
Fluido
São consideradas fluidos as substâncias líquidas e gasosas. Uma das características principais do fluido é a capacidade de escoamento. Quando um fluido é submetido a uma força, ele se deforma com facilidade, de modo que se colocado em qualquer recipiente as substâncias fluidas adquirem o formato do mesmo.
Se tratando de fluido líquidos, é importante levar em consideração a viscosidade. A viscosidade é o atrito existente entre suas moléculas durante um movimento e quanto maior a viscosidade, mais difícil será escoamento do fluido.
Densidade
Densidade é uma grandeza física que relaciona a massa de um corpo com o seu volume. Através da densidade é possível saber se a substância de um corpo é mais ou menos compacta.
Corpos com grande volume e pouca massa são considerados corpos de pequena densidade. Já os corpos que possuem muita massa em pequeno volume são os corpos de grande densidade.
Desse modo, a densidade de um corpo é a relação entre a massa e o volume do mesmo. Matematicamente, esse cálculo pode ser representado por:
d = m/v.
Onde:
d = Densidade
m = massa
v = volume
A unidade de medida da densidade é 1kg/m³. No caso da água em temperatura ambiente (em média 25°C), sua densidade é 1g/cm³. Isso significa que 1cm³ de água tem 1g.
Pressão
Pressão é uma grandeza física que resulta da relação entre a intensidade da força e a área em que ela se distribui.
A pressão está relacionada com a densidade do fluído e a aceleração da gravidade. Ela pode ser calculada pela seguinte fórmula:
P = d . h . g
Onde:
P = pressão hidrostática
d = densidade do líquido
h = altura do líquido no recipiente
g = aceleração da gravidade
Quando um objeto é submerso na água, ela exerce uma pressão sobre ele de modo que quanto mais fundo mergulhar maior será essa pressão. Isso é explicado pelo Princípio de Pascal que diz que quando se aplica uma força a um líquido, a pressão causada é distribuída integralmente e igualmente em todas as direções e sentidos.
A unidade de pressão Sistema Internacional de Medias (SI) é o Pascal (Pa), que é o nome adotado para N/m².
Empuxo
Empuxo é grandeza vetorial que possui direção, módulo e sentido. Trata-se da força hidrostática exercida por um fluido sobre um objeto imerso total ou parcialmente nele.
O empuxo é a força exercida pelo fluido sobre determinado corpo em sentido oposto à força do peso. Isso explica por que ao entrar na água a pessoa sente o corpo mais leve do que quando está fora dela.
O empuxo é explicado pelo Princípio de Arquimedes que diz que todo corpo imerso em um fluido em equilíbrio fica sob a ação de uma força vertical. A força vertical tem sentido oposto e tem intensidade igual a intensidade do peso do fluido que é ocupado pelo corpo.
A unidade de medida do Empuxo no SI é o Newton (N) e seu cálculo é feito pela seguinte fórmula:
E = df . Vfd . g
Onde:
E: força empuxo
df: densidade do fluído
Vfd: volume do fluído
g: aceleração da gravidade
Princípio Fundamental da Hidrostática
Conhecido como Lei de Stevin, esse princípio diz que dois pontos na mesma horizontal de um mesmo líquido em equilíbrio têm a mesma pressão.
De acordo com esse princípio, a pressão hidrostática não depende da área de contato do líquido e a pressão aumenta de acordo com a profundidade. A equação de Stevin permite calcular a pressão de um líquido em repouso quando está com sua superfície livre em contato com a atmosfera.
A equação da pode ser descrita pelo seguinte fórmula:
PHID = d.g.h
Onde:
d = densidade kg/m³ (ou g/cm³)
g = aceleração da gravidade
h = altura (metro)
Situações envolvendo hidrostática no dia a dia
- Ao cozinhar o macarrão e em uma panela com água se coloca o óleo e ele fica sempre por cima, pois a densidade do óleo é menor do que a da água;
- Quando fazemos dois furos nas latas de óleo ou de azeite para que o ar entre por um dos furos e pressione o líquido para sair através do outro furo;
- Ao tomar um refrigerante com canudinho e a pressão do interior do canudo diminuir com a sucção, a pressão atmosférica empurra o líquido para dentro do canudo;
- Quando um balão começa a descer, em uma situação não desejada, os seus tripulantes costumam jogar fora o excesso de peso fora para que ele altere sua densidade e volte a subir.