Pressão

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Pressão (símbolo p) é a relação entre uma determinada força e sua área de distribuição.

O termo pressão é utilizado em diversas áreas da ciência como uma grandeza escalar que mensura a ação de uma ou mais forças sobre um determinado espaço, podendo este ser líquido, gasoso ou mesmo sólido. A pressão é uma propriedade intrínseca a qualquer sistema, e pode ser favorável ou desfavorável para o homem: a pressão que um gás ou vapor exerce sobre a pá de uma hélice, por exemplo, pode ser convertida em trabalho. Por outro lado, a pressão da água nas profundezas do oceano é um dos grandes desafios para os pesquisadores que buscam novas fontes de recursos naturais.[1]

Sistema com movimentação de fluido sob pressão.

Convenções[editar | editar código-fonte]

Expressões matemáticas[editar | editar código-fonte]

Para problemas que envolvem gases e sólidos a expressão matemática utilizada para expressar pressão é dada por:

 p = \frac{F}{A}

ou

 p = \frac{dF_n}{dA}

Onde:

p é a pressão;
F é a força normal a superfície;
A é a área total onde a força é aplicada.

Para líquidos, a pressão pode ser escrita como:

 p = \rho g h

ou

 p_f - p_i = \rho g \Delta h

Onde:

p é a pressão em um ponto específico ou a diferença entre a pressão inicial e final do sistema;
\rho é a densidade do líquido;
g é a aceleração gravitacional;
h é a profundidade do ponto dentro do líquido.

Podemos descobrir a pressão de um gás a determinada temperatura e volume através da equação do gás ideal:

 p = \frac{_n R T}{V}

Onde:

p é a pressão do gás;
_n é o número de mols do gás;
R é a constante dos gases perfeitos;
V é a o volume do gás.

A pressão é uma grandeza escalar. O vetor força muda conforme a orientação do plano onde é aplicado, porém o valor da pressão permanece o mesmo, ou seja, é independente de direção. O vetor força que caracteriza a pressão pode ser relacionado ao vetor da força normal, uma vez que ambos são perpendiculares à superfície. [1]

Unidades[editar | editar código-fonte]

Sendo a definição de pressão: força por unidade de área, analogamente a unidade será newton por metro². Em homenagem a Blaise Pascal, por suas diversas contribuições relativas a pressão, pressão mecânica e hidrostática, a unidade no Sistema Internacional para medir pressão é o Pascal(Pa).

Em geral, a unidade é encontrada na forma de milhar(kPa), uma vez que as medidas de pressão geralmente apresentam valores altos dessa unidade. A pressão exercida pela atmosfera ao nível do mar, por exemplo, corresponde a aproximadamente 101.325 Pa (pressão normal), e esse valor é normalmente associado a uma unidade chamada atmosfera padrão(atm).

Outras unidades[editar | editar código-fonte]

  • Atmosfera é a pressão correspondente a 0,760m (760mm) de Mercúrio, com densidade de 13,5951 g/cm³ a uma aceleração gravitacional de 9,80665 m/s².
  • Bária é a unidade de pressão no Sistema CGS de unidades e vale uma dyn/cm².
  • Bar é um múltiplo da bária, onde 1 bar = 106 bárias.
  • PSI (pound per square inch), libra por polegada quadrada, é a unidade de pressão no sistema inglês/americano, onde 1 psi = 0,07 bar.
  • milibar ou hectoPascal é um multiplo do pascal, onde 1 hPa = 100 Pa. Geralmente utilizado na meteorologia.
  • mmHG, também chamada de Torricelli, é uma unidade de pressão antiga inventada com o surgimento do barômetro, onde 1 mmHG = 133,332 Pa.
  • mH2O é uma unidade relativa a pressão necessária para elevar em um metro o nível de uma coluna de água em um barômetro, sendo 1 mH2O = 9806,65 Pa.
  • kgf/cm² representa o peso normal do ar ao nível do mar por cm², sendo 1 kgf/cm² = 98066,52 Pa.
Tabela de conversão de unidades[2]
Nomenclatura Atmosfera Pascal Bária Bar milibar ou hectopascal mmHg mH2O kgf/cm²
Unidade Atm Pa Ba Bar mBar / hPa mmHg mH2O kgf/cm²
Atmosfera 1,01325×105 1,01325×106 1,01325 1013,25 760,0 10,33 1,033
Pascal 9,869×10-6 10 10-5 0,01 7,501×10-3 1,020×10-4 1,019×10-5
Bária 9,869×10-7 0,1 10-6 0,001 7,501×10-4 1,020×10-5 1,020×10-2
Bar 0,9869 100000 1000000 1000 750,1 10,20 1,020
mBar ou hPa 9,869×10-4 100 1000 0,001 0,7501 1,020×10-2 10,20
mmHg 1,316×10-3 133,3 1333 1,333×10-3 1,333 1,360×10-2 13,60
mH2O 9,678×10-2 9807 9,807×104 9,807×10-2 98,06 73,56 0,100
kgf/cm² 0,968 9,810×104 9,810×105 0,9810 981,0 735,8 10,00

Instrumentos de medição[editar | editar código-fonte]

Manômetro[editar | editar código-fonte]

Principio de funcionamento de um manômetro de tubo felexível.
Princípio de funcionamento de um manômetro em forma de U.

Manômetro é um instrumento utilizado para medir a pressão de um líquido ou de um gás.

A experiência pode ser feita de várias maneiras, inclusive o arranjo dos equipamentos pode variar. A técnica para medir a pressão de um fluido consiste em manter o líquido(geralmente mercúrio, devido a sua alta densidade) dentro de um recipiente com duas extremidades que permitam manejar a pressão na entrada e a sua abertura ou fechamento. Nessas extremidades podemos colocar gases ou outros líquidos, dependendo da experiência em questão. De acordo com a altura da coluna de líquido, pode-se estimar a pressão que ela exerce sobre a pressão de entrada (geralmente é a pressão atmosférica) utilizando a equação que relaciona altura e densidade do líquido à pressão que ele exerce no meio.

Outro tipo de manômetro mais sofisticado consiste em um tubo flexível com uma extremidade ligada a um ponteiro e a outra aberta para a passagem de determinado gás ou líquido. Conforme o recipiente enche, a pressão no tubo deforma a geometria do recipiente, que por sua vez acaba deslocando o ponteiro. Esse tipo de manômetro tem um caráter mais prático, e o outro mais didático.[3]

Piezômetro[editar | editar código-fonte]

Configuração de um piezômetro simples.

Piezômetro é um aparelho utilizado para medir a pressão que a água(ou sua ausência) exerce na composição do solo. O equipamento consiste em um tubo no qual uma extremidade é conectada a um recipiente com algum líquido(geralmente mercúrio, devido a sua alta densidade) e a outra é revestida por algum material poroso, como uma esponja, por exemplo. O tubo é então preenchido com água, e o líquido de medição é separado da água por vácuo ou gás. Quando o solo está seco, a água do tubo é absorvida pela terra e a coluna de líquido de medicação sobe. Quando o solo está muito umido o processo contrário ocorre, enchendo completamente o tubo com água e diminuindo a coluna de líquido.

Com a equação para medir pressão em líquidos podemos calcular a poro-pressão(ou carga piezométrica) do solo. Esse tipo de medida é muito útil, pois permite monitorar a umidade do solo e evitar situações extremas, como deslizamentos devido a erosão do solo.[4]

Barômetro[editar | editar código-fonte]

Barômetro feito com uma coluna de mercúrio.

O barômetro é um equipamento que nos permite calcular algumas grandezas indiretamente através da pressão. O primeiro barômetro consistia em um tubo com um lado fechado e o outro fixado em algum recipiente, de forma a permitir a passagem de algum fluido desse recipiente para dentro do tubo. Adicionando ao pequeno reservatório algum líquido(geralmente mercúrio, devido a sua alta densidade) para que este sirva como um indicador. Conforme sabemos da hidrostática, um líquido exerce pressão igual para todos os lados. Assim sendo, quando a parte externa do recipiente for submetida a determinada pressão, o líquido vai exercer a mesma pressão na parte interna do tubo. Caso essa pressão externa seja maior que a interna, a coluna do líquida vai subir a fim de nivelar o sistema. Caso contrário, a coluna desce e a parte de cima fica com vácuo.

Partindo da equação que relaciona a diferença de altura do líquido com a sua pressão, e sabendo qual a pressão interna do tubo, podemos calcular quanto vale a pressão externa em qualquer lugar. Através dessa experiência (conhecida como experiência de Torricelli) podemos determinar a altura do local onde estamos com relação ao nível do mar. Sabe-se que uma coluna de mercúrio, por exemplo, mede 76cm ao nível do mar, e que esse valor diminui quando alcançamos altitudes maiores, pois a pressão atmosférica é menor.[3]

Pressão em gases[editar | editar código-fonte]

Moléculas de um gás colidindo com a superfície do recipiente.

Segundo a teoria cinética dos gases, um gás é composto por um grande número de moléculas que se movimentam muito rápido e de forma aleatoria, causando frequentes colisões entre as moléculas do gás e com as paredes de qualquer tipo de recipiente. Essas moléculas apresentam um certo momento, dado pelo produto entre a massa e a velocidade da molécula. No instante em que uma molécula colide com uma parede, as moléculas transmitem momento à superfície, e como consequencia produzem uma força perpendicular à essa superfície. A soma de todas essas forças oriundas de colisões em uma determinada superfície, dividida pela área da mesma, resulta na pressão exercida por um gás em um determinado recipiente.[1]

Algumas aplicações da pressão nos gases podem ser observadas na utilização da pressão que o vapor da água exerce sobre determinada superfície quando confinado em um espaço fechado. Esse processo pode ser encontrado em usinas nucleares, onde uma pá gira com a pressão do vapor e converte essa energia em eletricidade. Além disso, observamos a pressão em gases sendo utilizada diariamente no freio do ônibus, por exemplo. O freio de veículos pesados conta com um sistema que usa ar comprimido para cessar o movimento.

Pressão em fluidos[editar | editar código-fonte]

Vasos comunicantes.

Um corpo no estado líquido é caracterizado por apresentar uma distância entre suas moléculas que permite ao corpo adequar-se ao ambiente em que se encontra. As características da pressão nos líquidos é semelhante a que encontramos nos gases: o líquido exerce pressão para todos os lados de um recipiente e em qualquer corpo que for imerso nele.

Segundo o princípio de Pascal, ao exercermos pressão em um fluido confinado em um recipiente, essa é transmitida integralmente a todos os ponto desse recipiente. Uma experiências que pode ajudar a compreender esse princípio é a dos vasos comunicantes: Ao armazenarmos algum líquido em uma estrutura com colunas de volumes diferentes podemos observar que o líquido preenche todas as colunas a mesma altura, desconsiderando as diferenças de volume. Isso prova que o fluido espalha-se uniformemente, portanto, exerce pressão igual em todas as direções.[1] Essa demonstração foi muito importante para o surgimento dos sistemas hidraulicos, essenciais nos dias de hoje.

A pressão em líquidos tem algumas diferenças da pressão nos gases. Com os gases, quanto maior a altitude menor a pressão, já com os líquidos, quanto maior a profundidade, maior a pressão. Isso é facil de ser evidenciado - basta mergulhar e automaticamente sentimos a pressão aumentando. É instintivo pensar que ao furar uma garrafa de água, a vazão de um furo na sua base será maior do que a de um furo lateral(considerando que ambos tem a mesma área). Essa diferença é devida a maior pressão no fundo da garrafa, devido a altura da coluna de água.[3]

Panela de pressão.

Outra característica marcante da pressão nos líquidos e demais estados da matéria é sua propriedade de alterar os outros elementos do conjunto: Temperatura,Pressão e Volume. Podemos perceber isso ao cozinhar feijão em uma panela de pressão: o vapor da água aumenta a pressão no interior da panela, e isso provoca uma alteração do ponto de ebulição da água, que passa a ferver acima dos 100°C. Isso agiliza o processo de cozimento do grão do feijão, que seria muito mais lento se não fosse o advento da panela de pressão.

Pressão em sólidos[editar | editar código-fonte]

Existe uma área da física que aborda o assunto pressão com restrição aos corpos rígidos. Esse assunto é estudado profundamente devido as sua extrema importância. A tensão mecânica, como é chamada, estuda todos os tipos de pressões e tensões que são encontradas dentro ou sobre um corpo material, sendo elas:

Diferente da pressão nos fluidos, em corpos rígidos os átomos não tem tanta liberdade e acabam tendo seus movimentos restringidos, ou seja, não exercem pressão ao seu redor. Se pegarmos uma pedra e largarmos em uma superfície, a única pressão que a pedra exerce no sistema é a resultante de sua força peso e da área da sua base, que pressiona a mesa. Portanto, percebemos que a pressão dos sólidos é ocasionada necessariamente por uma força(a própria força peso, por exemplo) que usa o sólido como recurso para ampliar sua força e área. Este conjunto de informações é suficiente para refletir sobre as consequências dessas tensões no ambiente em que vivemos.

Patins.

Uma aplicação para essas observações são os patins. A patinação sobre o gelo utiliza dos artifícios da pressão para proporcionar menos aderência aos praticantes do esporte. Vamos entender por quê: O metal utilizado como lâmina na sola do sapato de patinação é muito fino, e sua área é muito pequena frente ao peso do patinador. Como a pressão é inversamente proporcional a área de abrangência da força, quanto menor o metal mais pressão será feita sobre o gelo. Assim como a água, o gelo sofre algumas mudanças de características. A que estamos interessados no momento revela que o gelo sobre os patins está sobre uma pressão tão intensa que acaba trocando de estado da matéria e vira liquido mesmo a temperaturas abaixo de zero. Graças a isso, os patins utilizam a força peso do patinador para derreter uma fina camada de gelo em baixo da lâmina quando esta está deslizado, aumentando sua velocidade e lubrificando o caminho.[1]

Glaciar Perito Moreno, Santa Cruz, Argentina.

Alguns fenômenos naturais como os glaciares também tem alguns fatores relacionados a pressão que os cubos de gelo exercem um sobre o outro, fazendo com que o gelo mais em baixo derreta e o gelo que está por cima faça uma trilha de água e escoe os blocos até algum rio ou oceano(ou até que sequem).

Referências

  1. a b c d e Halliday, David, Resnick, Robert e Walker, Jearl. Fundamentos de física 2: Gravitação, Ondas e Termodinâmica. Travessa do Ouvidor, 11. RJ: LTC, 1996.
  2. INMETRO. Sistema Internacional de Unidades SI. Duque de Caxias, RJ.: [s.n.], 2012.
  3. a b c Tipler, Paul A. Física: para cientistas e engenheiros. RJ: LTC, 2000.
  4. Feghali, J.P. Mecânica dos Fluidos Vol. 1. RJ: Livros Técnicos e Científicos S.A, 1974.
  5. Ferdinand P. Beer, E. Russell, Jr. Johnston, John T. Dewolf. Mecânica dos materiais 5ª Edição. [S.l.]: McGraw-Hill, 2011.

Ver também[editar | editar código-fonte]

Referências

Ligações externas[editar | editar código-fonte]