EXPERIÊNCIA DE ARQUIMEDES, EMPUXO, COM O USO DE TUBOS DE PVC

## EXPERIÊNCIA DE ARQUIMEDES, EMPUXO, COM O USO DE TUBOS DE PVC

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*José Carlos Xavier da Silva [xavier@uerj.br] Luiz Felipe da Silva Barbosa 1 [soyohko@gmail.com] Natalia dos Santos Dias 1 [nilsandis@yahoo.com.br] Carlos Eduardo Leal 2 [ceduardo\_leal@yahoo.com.br] Anderson Alves de Oliveira Jr 1 [alvesanderson@yahoo.com.br] Marcelo Bomfim Corrêa 1 [mbcfisica@hotmail.com]

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Universidade do Estado do Rio de Janeiro - Instituto de Física 2 Universidade do Estado do Rio de Janeiro - Faculdade de Engenharia

## Resumo

Este trabalho descreve a teoria e a construção de um equipamento com o desenvolvimento de uma atividade prática para um laboratório de Física no Ensino Médio. Como verificado em (Xavier, 2010), a metodologia do ensino de Física na maioria das escolas não inclui atividades experimentais, particularmente, devido ao alto custo dos equipamentos e de sua manutenção, assim como, pela dificuldade que os professores possuem em desenvolver experiências que possam verificar e demonstrar os fenômenos da Física, como sugerido nos PCN,s, com o objetivo de melhorar da relação ensinoaprendizagem. Para minimizar esta dificuldade desenvolvemos um equipamento de baixo custo e grande praticidade construído com tubos de PVC, para a verificação do fenômeno físico do 'empuxo. Sendo bastante simples e de grande eficácia, o experimento permite a participação direta dos alunos que passam a assumir um papel determinante no desenvolvimento da atividade prática, sem atuar de forma meramente contemplativa. Este trabalho tem um aspecto inovador, pois o experimento sobre o Princípio de Arquimedes requer, geralmente, um equipamento sofisticado para a sua construção, tais como os que existem disponíveis, mas de custo elevado, no comércio de materiais de laboratório de Física. Verificamos que a experiência de empuxo com este tipo de equipamento de baixo custo, se mostrou bastante eficiente e com baixo erro percentual. Além disso, o experimento permite não somente sua utilização com água, como também com outros fluidos, como óleo e álcool.

Palavras Chaves : Laboratório de Física de baixo custo, Princípio de Arquimedes em PVC, Empuxo

## Introdução

Todo corpo imerso em um fluido sob a ação da gravidade sofre uma força vertical com sentido de baixo para cima, denominada empuxo, que é a força resultante feita pelo fluido sobre o objeto nele imerso, também conhecida como Princípio de Arquimedes. Para melhor entendimento deste fenômeno relacionado à hidrostática, se torna importantíssimo a experimentação sobre os fenômenos físicos. Entendemos que a experimentação deva estar sempre presente ao longo de todo processo de desenvolvimento das competências em Física, privilegiando-se o fazer, manusear, operar, agir, em diferentes formas e níveis. É dessa forma que se pode garantir a construção do conhecimento pelo próprio aluno, desenvolvendo sua curiosidade e o hábito de sempre indagar, evitando a aquisição do

conhecimento científico como uma verdade estabelecida e inquestionável. Experimentar significa observar situações e fenômenos que façam parte do universo vivencial do aluno.

Em contra partida o equipamento necessário à experimentação tem alto custo o que inviabiliza sua existência na maioria das escolas fluminenses, principalmente as escolas públicas (XAVIER, 2010). Para minimizar esta situação desenvolvemos um projeto que visa o uso de materiais de baixo custo, de modo a elaborar um kit com tubos e conexões de PVC para confecção de vários experimentos (Xavier, 2009). O experimento sobre empuxo tratado neste trabalho faz parte desse kit desenvolvido.

Nas pesquisas bibliográficas feitas, foi verificada a existência de vários trabalhos sobre empuxo, (SILVA, D. S, 2006 e BARBOSA, 2006), mas em geral, não é demonstrado que o empuxo é igual ao peso do líquido deslocado e estes trabalhos usam uma balança, que torna a experiência mais dispendiosa. Com este material executamos o experimento, variando os tamanhos dos tubos, e a precisão obtida foi de grande significância.

## OBJETIVOS

O objetivo deste artigo é ensinar a construir um equipamento de baixo custo e boa precisão para o estudo do empuxo mostrando como é feito o equipamento e a execução do experimento, para que professores de Física do ensino médio possam se apropriar dele e executar com seus alunos o experimento proposto. O procedimento experimental adotado, foi usar como líquido a água, embora, o experimento possa ser feito também com outros fluidos de densidades conhecidas, tais como: detergentes, álcool e óleo.

Figura1 - relação entre o peso e a normal

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Quando se trata da relação ensino-aprendizagem, a proposta é fazer com que o aluno compreenda, com mais facilidade, o que está sendo visto na teoria. A observação de que se trata de uma aplicação da terceira lei de Newton e que o empuxo é a reação da força que o corpo faz sobre o líquido no qual o objeto é mergulhado, é uma das possibilidades.

## PROCEDIMENTO

Para a construção do equipamento da experiência foram usados dois tipos de tubos de PVC: um de meia polegada (1/2') e outro de 20mm, de diâmetros internos e três alturas diferentes, um de oito centímetros (8cm), outro de doze centímetros (12cm) e o terceiro de quinze centímetros (15cm).

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Figura 2: corte do tubo interno Figura 3: Corte do tubo externo

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Figura 4 e 5 : vedação com massa de solda (Durepoxi)

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Usando um fio de nylon fazemos as alças nas extremidades de cada tubo e encaixamos um gancho na extremidade inferior, vedada do tubo externo.

Figura 6: adicionando alças

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Figura 7:gancho no cilindro externo

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Para realização da experiência tivemos o auxilio de três dinamômetros.

Figura 8: equipamento completo

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## OUTROS MATERIAIS UTILIZADO PARA A MONTAGEM DO EXPERIMENTO

Massa de solda (DUREPOXI); Linha de nylon para as alças; 3 parafusos em formato de gancho;Vasilhame com água; 3 dinamômetros (podendo ser substituído por mola calibrada); Fita métrica.

## PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL

- 1- Medir o peso do conjunto (figura 9);
- 2- Medir o peso do conjunto, com o tubo interno mergulhado na água (figura 10);
- 3- Verificar a diferença entre os pesos do conjunto fora e dentro da água (figura 11);
- 4- Medir o peso do tubo interno dentro e fora d'água. (figura 12);
- 5- Medir o peso do sistema, tubo interno totalmente imerso em água, preso ao tubo externo cheio de água. (figura 13);
- 6- Encaixa-se o tubo interno dentro do externo, que está totalmente preenchido com água e coleta-se a quantidade de água restante.

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Figura 9: tubos encaixados Figura 10 tubo interno submerso

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Figura 12: tubo interno fora da água Figura 13: tubo interno dentro da água

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## Resultados

A experiência que propomos neste artigo é apenas uma das várias que podem ser montadas usando materiais de baixos custos. Escolhemos variar apenas a altura dos tubos para fazermos o estudo do Empuxo. Para as três medidas que fizemos utilizamos três dinamômetros diferentes e depois usamos como valor mais provável a média aritmética.

## Experiência Arquimedes 1

Altura dos tubos de prova: 15 cm

## tubos juntos

Peso tubos encaixados: (1.02 0.05)N

## tubo interno imerso (com o sistema completo)

Peso = (0.56 0.05)N

Cálculo do empuxo: peso conjunto - peso sistema imerso (tubo interno imerso e externo vazio)

## 1.02N - 0.56N= ( 0.46 0.05) N

## Apenas o tubo menor

peso fora d'água = (0.52 0.05)N

peso dentro d'água =(0.06 0.05)N

empuxo= 0.52N - 0.06N=( 0.46 0.05) N

## Peso do sistema completo (tubo interno imerso e tubo externo cheio d'água)

peso = (1.06 0.05)N

erro percentual: E%= 8.1%

## Experiência Arquimedes 2

altura dos tubos de prova: 12 cm

## tubos juntos

peso tubos encaixados: (1.02 0.05)N

## tubo interno imerso (com o sistema completo)

peso = (0.56 0.05)N

Cálculo do empuxo: peso do conjunto - peso do sistema imerso (tubo interno imerso e externo vazio)

1.02N - 0.64N= ( 0.38 0.05) N

## Apenas o tubo interno

peso fora d'água = (0.50 0.05)N

peso dentro d'água =(0.12 0.05)N

empuxo= 0.50N - 0.12N=( 0.38 0.05) N

## Peso sistema completo (tubo interno imerso e tubo externo cheio d'água)

(1.04 0.05)N

Erro percentual: 9.7%

## Experiência Arquimedes 3

Altura dos tubos de prova: 8 cm

## Tubos juntos

Peso dos tubos encaixados: (0.68 0.05)N

## Tubo interno imerso (com o sistema completo)

peso do tubo interno = (0.56 0.05)N

cálculo do empuxo: peso conjunto - peso sistema imerso (tubo menor imerso e maior vazio)

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## Apenas o tubo interno

peso fora d'água = (0.31 0.05)N

peso dentro d'água =(0.06 0.05)N

empuxo= 0.31N - 0.06N=( 0.46 0.05) N

Peso sistema completo (tubo interno imerso e tubo externo cheio d'água)

(0.70 0.05)N

E%= 8.4%

## CONCLUSÃO

Com este experimento de baixo custo, foi possível a constatação do chamado Princípio de Arquimedes, em que o empuxo sofrido por um corpo ao ser colocado na água é igual ao peso de água deslocado por este corpo. Por sua praticidade e baixa relação de custo dos materiais envolvidos, este experimento pode ser montado, em sala de aula, por qualquer professor de física, e operacionalizado pelos alunos, verificando na prática o Princípio de Arquimedes, com uma boa precisão.

O experimento apresentado se mostra de fácil construção e com baixos custos, pois todo material utilizado para a construção do equipamento pode ser adquirido em qualquer loja de materiais de construção. Em relação às experiências, verificamos através das medidas efetuadas que empuxo é igual ao peso do volume de água deslocada, com um erro relativo percentual máximo de 9.7%, podendo assim, ser utilizadas para demonstração do Princípio de Arquimedes para os alunos do ensino médio ou até mesmo para o ensino superior, sendo que parte desse erro percentual deve-se ao fato de que os tubos de PVC. marrom (20 mm tipo cola) e o branco (1/2' tipo rosca) não se encaixam perfeitamente..

Um outro aspecto interessante na montagem desta experiência é a possibilidade de substituição da água, por outros fluidos, tais como detergentes, óleos ou álcool. A precisão dos valores medidos, os baixos custos e a praticidade na construção do equipamento torna este experimento uma ferramenta de grande aplicação no ensino experimental dos fenômenos físicos, tanto em sala de aula como em laboratórios das escolas do ensino médio.

## AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem a FAPERJ - Proc. E-26/110.222/2007 - Apoio à Melhoria do Ensino nas Escolas Públicas RJ.

## REFERÊNCIAS

Xavier, José Carlos, et al. Situação das Escolas do Rio de Janeiro em Relação ao Ensino Experimental, trabalho em fase de publicação, 2010.

Xavier, José Carlos, et al. Trilho de ar de PVC para o Estudo dos Movimentos Retilíneo Uniforme e Retilíneo Uniformemente Variado, SNEF 2009, Vitória, ES.

Barbosa, V.C.; Breitschaft, A.M.S. Um Aparato Esperimental Para o Estudo do Princípio de Arquimedes, Revista Brasileira de Ensino de Física, v. 28, n. 1, p. 115-122, (2006), www.sbfisica.org.br

Silva, D.S.; Assis, A.K.T. Princípio de Arquimedes: Uma demonstração Qualitativa e Quantitativa,(2006),

http://www.ifi.unicamp.br/~lunazzi/F530\_F590\_F690\_F809\_F895/F809/F809\_sem1 \_2006/DouglasS\_Andre\_RF1.pdf