Ahidrostática é a parte dafísica que estuda osfluidos em repouso. Apesar de a palavra "hidrostática" significar "estática da água", este termo é utilizado para designar a estática dos fluidos em geral.[1] Ao contrário dos sólidos, um fluido em equilíbrio não pode estar sob a ação de forçascisalhantes ou tangenciais, por menores que elas possam ser. Por decorrência, todas as forças que agem sobre um fluido em repouso fazem-se atuando perpendicularmente a sua superfície livre.[2]
Um fluido é uma substância (ou mistura de substâncias) que escoa, porque não resiste as tensões de cisalhamento, isto é, que flui, com maior ou menor facilidade. Isto verifica-se porque as suas partículas, não ocupam posições fixas, deslocando-se com pequeno atrito, como acontece noslíquidos, e de outro modo, porque as partículas estão muito afastadas uma das outras, deslocando-se rápida e aleatoriamente em todo o espaço disponível como nosgases.[1]
Considera-se fluidos os líquidos e gases e caracterizam-se por:
Compressibilidade: líquidos assumem-se incompressíveis na maioria das situações e os gases são muito compressíveis;
Resistência ao corte: os líquidos e gases deformam-se continuamente para minimizar forças de corte aplicadas;
Forma e volume: líquidos e gases tomam as formas do seu local, tendo os líquidos volume relativo ao do seu local e os gases ocupando o volume do seu local;
Resistência ao movimento: devido aviscosidade os líquidos sofrem mudanças na velocidade, já os gases tem viscosidade muito baixa;
Pressão: a pressão em um ponto do fluido é a mesma em todas as direções, a exercida em uma superfície solida é sempre normal aquela superfície.[1]
A grandeza pressão (P) é definida como a força (F) aplicada perpendicularmente a uma superfície por unidade de área (A) dessa superfície.[3] Se a densidade da força for a mesma para todos os pontos da superfície, então a pressão é denominada uniforme, e assim se pode escrever:
Entretanto, a força aplicada a uma dada superfície pode variar de um dado ponto para outro. Neste caso, a pressão será aderivada da força com relação à área perpendicular em que ela é aplicada:
A grandeza escalar pressão pode ser expressa em relação a qualquer referencial, sendo que, no caso dos fluidos, normalmente são utilizados dois referenciais, a saber: vácuo absoluto e pressão atmosférica local.
Em um determinado espaço físico, sempre que a pressão absoluta for menor do que a pressão atmosférica local, que também é denominada de pressão barométrica, ali existe o que se denomina de vácuo. Assim o vácuo absoluto constituiria uma situação limite na qual não existiria nenhuma molécula de ar atmosférico em um determinado espaço físico. Destaca-se, entretanto, que o maior vácuo obtido em laboratório até nosso presente corresponde a uma pressão de.[2]
Levando-se em conta os dois referenciais descritos acima, se têm duas situações distintas para a expressão numérica da pressão:
Quando a pressão é expressa como sendo a diferença entre o valor medido e o vácuo absoluto, ela é denominada de pressão absoluta.
Quando a pressão é expressada como sendo a diferença entre o valor medido e a pressão atmosférica local, ela é chamada de pressão relativa. A pressão relativa também é denominada de pressão manométrica ou de pressão efetiva.
Matematicamente, as pressões relativa e absoluta estão relacionadas pela expressão a seguir:
O Princípio de Pascal enuncia-se da seguinte forma: "A diferença de pressão entre dois pontos de um líquido homogêneo em equilíbrio é constante, dependendo apenas do desnível entre esses pontos. Logo, se produzirmos uma variação de pressão num ponto de um líquido em equilíbrio, essa variação se transmite a todo o líquido", ou seja, todos os pontos do líquido sofrem a mesma variação de pressão.
Uma aplicação prática é aprensa hidráulica. Para um êmbolo de 10 m² e outro de 1 m², uma força equivalente a 70 N será suficiente para levantar um veículo que pese 700 N, no outro êmbolo. Se um recipiente cheio de água, fechado, tem duas aberturas, uma cem vezes maior que a outra: colocando um pistão bem justo em cada uma, um homem empurrando o pistão pequeno igualará a força de cem homens empurrando o pistão cem vezes maior.[4] E qualquer que seja a proporção das aberturas, estarão em equilíbrio.
Assim, se F1 e F2 são as magnitudes das forças sobre os pistões de áreas A1 e A2, respectivamente, temos:
Como a área do pistão grande é muito maior do que a do pistão pequeno, a força sobre o pistão grande F2 é muito maior do que F1.
A lei de Stevin enuncia-se da seguinte forma: "A diferença de pressões entre dois pontos da massa de um líquido em equilíbrio é igual à diferença de profundidade multiplicada pelo peso específico do líquido".[2]
Todo o mergulhador sabe que a pressão é maior quanto maior for sua profundidade (a coluna de água acima dele é cada vez maior); o seu medidor de profundidade, na verdade, é um sensor de pressão. Da mesma forma, todo alpinista sabe que a pressão é menor quanto maior for a sua altura (a coluna de ar acima dele é cada vez menor). Esses dois exemplos irão ilustrar a definição de pressão hidrostática.
Caixa mergulhada e em equilíbrio estático
Considere inicialmente uma caixa mergulhada, emequilíbrio estático, num tanque de água (ou qualquer outro fluido, como o ar); como ela está em equilíbrio, sabemos que não há força resultante, ou seja:
Onde:
é a força que age sobre a parte inferior da caixa, devido à coluna de água abaixo dela;
é a força que age sobre a parte superior da caixa, devido à coluna de água acima dela;
é o peso da caixa;
são, respectivamente, o teto e a base da caixa.
Sabendo que a soma de forças atuando na caixa mergulhada deve ser igual a zero (pois está em equilíbrio), temos:
;
, cujo representa o volume da caixa;
, em que é a área da base e a altura;
A partir da relação de que (a força F é igual à pressão P exercida sobre a área A), segue da figura que:
, com isso chegamos na seguinte equação:
.
Com a equação acima, podemos determinar a pressão em um certo líquido (em função da profundidade) e também na atmosfera (em função da altitude). Se considerarmos,, e, substituímos e obtemos a fórmula usual da pressão na profundidade ou altura:
.
A equação acima representa a demonstração do teorema de Stevin.
Para compreender melhor, podemos usar um exemplo comum: a pressão total é a soma das pressões (pode ser a pressão atmosférica acima da superfície do líquido) e (pressão na profundidade de um fluido.
Um outro exemplo pode ser ilustrado de acordo com a figura abaixo, onde a pressão hidrostática se dá pela diferença das pressões aplicadas sobre o sifão:
sendo que. As setas representam apenas que existem pressões atuando naquelas seções do sifão, tendo em vista que pressão não é um grandeza vetorial.
Assim, para calcular apenas a pressão hidrostática usamos a fórmula abaixo:
Vasos comunicantes
Pode-se perceber ainda, pelo teorema, que:
Para obter a diferença de pressão entre dois pontos não importa a distância entre eles, mas sim a diferença de altura;
Dois pontos num mesmo nível em relação ao mesmo plano horizontal possuem a mesma pressão;
O formato de recipiente não é importante para o cálculo da pressão em qualquer ponto no fluido. Em um recipiente de formato qualquer, dois pontos em um mesmo nível tem a mesma pressão, desde que o fluido seja o mesmo nesses dois pontos;
Se a pressão na superfície livre de um líquido contido em um recipiente for igual a zero, a pressão num ponto à profundidade h dentro do líquido será dada por:;
O peso específico dos gases é relativamente baixo, então se a diferença de altura entre dois pontos for pequena, não há necessidade de considerar a diferença de pressão entre eles.
Paradoxo Hidrostático
No fundo de diferentes recipientes, com um mesmo líquido e preenchidos com alturas equivalentes, haverá o mesmo valor de pressão hidrostática.[5]
Todo corpo imerso, total ou parcialmente em um fluido, sofre ação de uma força vertical para cima e cuja intensidade é igual ao peso do fluido deslocado pelo corpo.
”
Esta força resultante de baixo para cima sobre o corpo sólido denomina-seforça de empuxo que, de acordo com o princípio de Arquimedes, pode ser definida por:
onde é a massa do fluido deslocado pelo corpo e a aceleração gravitacional.
Quando um balão flutua em equilíbrio no ar ou quando um submarino está em equilíbrio debaixo d'água, seu peso é igual ao peso da água deslocado por ele, ou seja, a força de empuxo é igual a força gravitacional exercida sobre o corpo. Quando essas forças são iguais, pode-se dizer que o corpo está flutuando no fluido.
Se colocarmos uma pedra sobre uma balança calibrada, a leitura da balança seria do peso da pedra. Agora, imagine se colocarmos a balança debaixo d'água para medir o peso da mesma pedra. A leitura da balança seria menor devido a força de empuxo sobre a pedra. Esta leitura passa a ser, portanto, o peso aparente.[5]
O peso aparente está relacionado ao peso real de um corpo e à força de empuxo sobre ele, descrito na forma:
A posição do centro de pressão pode ser determinada aplicando-se o teorema dos momentos. A equação resultante é:
ondeé a distância entre a linha de interseção com a superfície livre do líquido e o centro de pressão da área, o momento de inércia em relação ao eixo-intersecção e, a distância entre a linha de interseção com a superfície livre e o centro de gravidade da área, sendo que o centro de pressão se localiza um pouco abaixo do centro de gravidade.
