A IMPULSÃO

Sempre que um corpo se encontra imerso total ou parcialmente num líquido ou num gás, é sujeito a uma força vertical e ascendente, à qual se dá o nome de Impulsão.

É possível confirmar essa força de Impulsão comparando o Peso Real de um objeto (Peso do corpo no ar) com o Peso que este apresenta quando mergulhado num líquido (Peso Aparente). Por exemplo:

Nesta situação o corpo apresenta um Peso Real de 1 N, e um Peso Aparente de 0,85 N.

Esta diferença de 0,15 N face ao valor do Peso Real deve-se à Impulsão que o corpo sofre quando mergulhado no líquido. 0,15 N é o valor da Impulsão sofrida. Assim, conclui-se que:

Impulsão = Peso Real - Peso Aparente

Impulsão = 1 - 0,85 ⇔

Impulsão = 0,15N

PRÍNCIPIO DE ARQUIMEDES

Arquimedes foi um sábio Grego que viveu entre 287 e 212 a.C.

Entre outros estudos, dedicou-se à compreensão da Impulsão sofrida por um corpo quando imerso num líquido ou num gás, e enunciou a seguinte lei:

Qualquer corpo mergulhado num líquido recebe da parte deste uma impulsão vertical, de baixo para cima, de valor igual ao do peso do volume de líquido deslocado.

Vamos tentar compreender melhor esta lei:

- em primeiro lugar, Arquimedes diz que os corpos que são mergulhados num líquido recebem da parte deste uma impulsão vertical e ascendente, o que já sabíamos. 

- diz também que a Impulsão sofrida pelo corpo tem valor igual ao peso do volume de líquido deslocado. 

O que será que significa isto?

Para compreender melhor esta segunda parte da lei de Arquimedes, vamos considerar o seguinte exemplo:

Um corpo de volume 50 cm^3 é mergulhado em água, tal como indicado na figura seguinte.

Segundo a lei de Arquimedes, para determinar a Impulsão sofrida pelo corpo, devo calcular o peso do líquido deslocado.

Ao colocar o corpo de volume 50 cm³ dentro do recipiente, este vai ocupar um espaço que anteriormente era ocupado pelo líquido. Como resultado, a linha de água irá subir. Como o corpo tem 50 cm³ de volume, vai deslocar 50 cm³ de líquido, logo:

Volume de água deslocado = 50 cm³

É possível determinar a massa de líquido deslocado, se soubermos a densidade (massa volúmica) do líquido. Neste caso, como o líquido é água, a sua densidade é 1 g/cm³. Assim sendo, cada cm³ de água tem 1 grama de massa, logo 50 cm³de água deslocados terão 50 gramas de massa.

Sabemos então que:

massa = 50g = 0,050Kg

aceleração da gravidade = 9,8 m/s²

Com estes dados é fácil determinar o peso do líquido deslocado, através da expressão:

Peso _{líquido deslocado} = massa x aceleração da gravidade ⇔

Peso _{líquido deslocado} = 0,050 x 9,8 ⇔

P = 0,49N

Sabendo o Peso do líquido deslocado, sabemos a Impulsão sofrida pelo corpo:

Impulsão = Peso _{líquido deslocado} = 0,49N

Está calculado o valor da Impulsão sofrida pelo corpo, de acordo com a lei de Arquimedes.

DE QUE FATORES DEPENDE A IMPULSÃO?

De acordo com a lei de Arquimedes, e tal como verificado no exemplo anterior, a Impulsão sofrida por um corpo depende de dois factores:

- do volume do corpo;

º da densidade do líquido ou gás em que o corpo é imerso.

Assim:

- quanto maior o volume do corpo, maior a Impulsão por este sofrida;

- quanto maior a densidade do líquido ou gás, maior a Impulsão sofrida pelo corpo imerso.

COMO DETERMINAR SE UM CORPO AFUNDA OU VIRÁ À SUPERFÍCIE?

Se compararmos o Peso do corpo com a Impulsão sofrida por este, é fácil de concluir se o corpo afunda ou virá à superfície. Quando o corpo é imerso num líquido ou gás, fica sujeito à força Peso e à Impulsão.

O Peso é vertical e descendente (aponta para o centro da Terra), enquanto que a Impulsão é vertical mas ascendente. Nesse caso basta comparar os valores do Peso do corpo e da Impulsão para perceber se o corpo afunda ou vem à superfície:

Se a força Peso tiver maior valor que a Impulsão, o corpo afunda;

Se a Impulsão tiver maior valor que a força Peso, o corpo vem à superfície;

Se a Impulsão e a força Peso tiverem igual valor, o corpo fica em equilíbrio (não "sobe" nem "desce").

Sempre que um corpo se encontra a flutuar, como a boia mostrada na primeira figura ou os barcos que costumamos ver na praia, a força Peso e a Impulsão apresentam igual valor e por isso o corpo encontra-se em equilíbrio.

A PILHA DE VOLTA

O QUE É A PILHA DE VOLTA?

A pilha de Volta, foi a primeira pilha elétrica. Uma pilha é um dispositivo que transforma energia química em energia elétrica, ou seja, reações entre metais distintos que transferem eletrões um para o outro, gerando um fluxo de corrente elétrica que pode ser aproveitada. A pilha de Volta era formada por discos de zinco e de prata intercalados e conectados por um fio condutor e de um disco humedecido numa solução de ácido sulfúrico.

Bateria elétrica de Alessandro Volta

QUEM INVENTOU A PILHA DE VOLTA?

Em 1791, o italiano Luigi Galvani (1737-1798) publicou uma pesquisa na qual mostrava ter dissecado uma rã e observado que quando dois metais diferentes entravam em contacto com esta, os músculos da coxa da rã sofriam contrações. Galvani acreditava que os músculos da rã armazenavam a energia e os metais eram apenas condutores.

Mas surge um físico italiano chamado Alessandro Giuseppe Anastasio Volta (1745-1827) que, não acreditando na experiência, resolveu realizá-la novamente repetindo uma série de experimentações, utilizando metais diferentes. A sua conclusão foi de que a eletricidade não tinha origem nos músculos do animal, mas sim no contacto entre os diferentes metais, e a rã apenas reagia a essa eletricidade externa.

Volta estava correto e, para comprovar a sua teoria, construiu em 1800 a primeira pilha elétrica.

Alessandro Volta e a sua primeira pilha

Alessandro Volta jurou fidelidade ao governo invasor da Itália, comandado por Napoleão Bonaparte, e, em 1801, realizou para ele uma demonstração de sua pilha na Academia de Ciências de Paris.

Além de uma medalha de ouro e de 2000 escudos de ouro, Alessandro Volta ainda foi nomeado senador do Reino da Itália em 1810, com o título de conde.

Alessandro Volta demonstrando a sua pilha a Napoleão em 1801.

COMO É CONSTITUÍDA A PILHA DE VOLTA?

A pilha de Volta, também conhecida como pilha voltaica, é formada por discos intercalados de dois metais diferentes. São colocados repetidamente e alternados, um disco de prata, um disco de zinco e um disco de papelão embebido numa solução de ácido sulfúrico até formar uma coluna alta; por último, as extremidades da pilha são ligadas com um fio condutor externo.

Assim, o dispositivo recebeu esse nome porque realmente era uma “pilha”, isto é, discos empilhados formando uma coluna.

Volta chamou aos discos de metal condutores secos ou de primeira classe, enquanto o embebido na solução foi denominado de condutor húmido ou de segunda classe.

COMO FUNCIONA A PILHA DE VOLTA?

A pilha de Volta é constituída por uma solução de ácido sulfúrico em água, na qual é mergulhado um elétrodo de cobre e um de zinco. Se ligarmos o cobre ao zinco por um condutor C, passará corrente elétrica nesse condutor, dirigida do cobre para o zinco, o que indica que há uma diferença de potencial entre eles. A solução com os dois elétrodos constitui então um gerador. Os dois elétrodos são chamados polos, ou terminais do gerador. Chama-se polo positivo àquele por onde a corrente sai, e polo negativo àquele por onde a corrente entra. Então, na pilha de Volta, o cobre é o polo positivo, e o zinco, o negativo.

O QUE ACONTECE DENTRO DA PILHA?

Muitos metais, quando colocados dentro de água, soltam iões seus na água. Assim, o zinco liberta, na solução de ácido sulfúrico, iões positivos (Zn++). Os dois eletrões que com esse ião formavam um átomo (neutro) são retidos no elétrodo de zinco. Em redor desse elétrodo ficam então muitos iões positivos de zinco, e o elétrodo fica com um excesso de eletrões.

A libertação de iões de zinco não continua indefinidamente, porque a carga positiva dos iões que contornam esse elétrodo atinge valor tal que impede a libertação de novos iões; isto é, qualquer novo ião solto na solução é repelido pela carga positiva e volta ao zinco, unindo-se aí a dois eletrões e formando novamente um átomo de zinco (neutro).

O zinco fica então com carga negativa, devida aos eletrões, e a solução fica com carga positiva, devida aos iões. A consequência é que o zinco fica com um potencial mais baixo que a solução.

Com a lâmina de cobre acontece o mesmo. Ela também solta na solução iões positivos e retém eletrões. Então, o cobre também fica com potencial mais baixo que a solução.

Mas, os metais não têm todos a mesma facilidade para soltar iões. O cobre solta menos iões que o zinco e, portanto, retém menos eletrões que o zinco. A consequência é que o cobre fica com potencial mais alto que o zinco, embora ambos tenham potencial mais baixo que a solução.

A diferença de potencial entre o cobre e o zinco aparece então porque esses dois metais não têm a mesma facilidade para libertar iões na solução.

Poderíamos levantar a seguinte dúvida: se o zinco vai cedendo eletrões ao cobre, através do condutor C, depois de algum tempo o zinco e o cobre ficarão com igual número de eletrões, e portanto, com o mesmo potencial, e a pilha deixará de funcionar. Será o ácido sulfúrico a impedir que isso aconteça.

As moléculas de ácido sulfúrico dissociam-se em iões de hidrogénio e SO-4.

O ião SO-4 dirige-se para o zinco e reage com ele, formando-se sulfato de zinco.

Nessa reação libertam-se dois eletrões que o zinco manda depois para o condutor C. Essa reação química é a fonte de eletrões para o zinco, isto é, é a origem dos eletrões que a pilha fornece para constituírem a corrente elétrica no circuito externo.

O ião de hidrogénio, H+, dirige-se para o cobre onde recebe um eletrão e se transforma num átomo de hidrogénio (neutro).

Os átomos de hidrogénio unem-se dois a dois formando moléculas de hidrogénio, que se desprendem junto ao cobre.

Em resumo: a reação química fornece eletrões ao zinco; este cede-os ao condutor C, que os conduz até ao cobre; o cobre recebe eletrões e cede-os aos iões de hidrogénio.

Agora podemos compreender claramente o que significa a expressão: “a pilha transforma energia química em energia elétrica”.

Significa que a reação química liberta dois eletrões, isto é, liberta carga elétrica.

Com o funcionamento da pilha, a reação continua, e o zinco vai sendo consumido, e transformado em sulfato de zinco. 

Podemos então, dizer que a energia elétrica fornecida pela pilha provém da energia química do consumo do zinco. Depois de algum tempo de uso, o zinco desaparece. Para restaurar a pilha precisamos de usar uma nova lâmina de zinco.