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O que é pressão?

Pressão é parecido com força, mas não exatamente.

O que significa pressão?

Se você tentasse martelar um pino de boliche na parede, provavelmente nada aconteceria, além das pessoas decidirem não lhe emprestar mais pinos de boliche. Contudo, se você martelar um prego com a mesma força, o prego teria uma probabilidade muito maior de penetrar a parede. Isso mostra que às vezes conhecer somente a magnitude da força não é o suficiente, você também precisa saber como a força é distribuída na superfície do impacto. Para o prego, toda a força entre a parede e o prego foi concentrada na pequena área em sua ponta afiada. Contudo, para o pino de boliche, a área tocando a parede era muito maior, e portanto a força era muito menos concentrada.
Para tornar esse conceito preciso, usamos a ideia de pressão. A pressão é definida como a força exercida por área.
P=FA
Então, para criar uma grande quantidade de pressão, você pode exercer uma grande força ou exercer uma força sobre uma área pequena (ou as duas coisas). Em outras palavras, você pode estar seguro deitado em uma cama de pregos se a área total da superfície de todas as pontas dos pregos juntas for grande o suficiente.
Essa definição também significa que as unidades de pressão são newtons por metro quadrado Nm2 que também são chamadas de pascais, ou abreviadas como Pa.

Como você encontra a pressão em um fluido?

Uma superfície sólida pode exercer pressão, mas fluidos (isto é, líquidos ou gases) também podem. Isso pode parecer estranho porque é difícil imaginar alguém pregando um prego com liquido. Para que isso faça sentido, imagine que você está submerso a uma profundidade na água. A água acima de você estaria lhe empurrando para baixo devido à força da gravidade e, portanto, exerceria uma pressão sobre você. Se for mais fundo, haverá mais água sobre você, então o peso e a pressão da água também aumentariam.
Além do peso dos líquidos, o peso dos gases também pode exercer pressão. Por exemplo, o peso do ar em nossa atmosfera é substancial e estamos quase sempre embaixo dele. A pressão exercida em nosso corpo pelo peso da atmosfera é surpreendentemente grande. Você não percebe isso porque a pressão atmosférica está sempre aqui. Somente percebemos uma alteração na pressão quando ela é acima ou abaixo de pressão atmosférica normal (como quando viajamos de avião ou mergulhamos em uma piscina). Não nos machucamos com a grande pressão atmosférica porque nosso corpo está apto a exercer uma força para fora para equilibrar a pressão do ar para dentro. Mas isso significa que se você fosse jogado no vácuo espacial por piratas espaciais, a pressão do seu corpo continuaria exercendo uma grande força para fora, apesar de não haver ar exercendo pressão para dentro.
Ok, então o peso do fluido pode exercer pressão em objetos submersos nele, mas como podemos determinar exatamente quanta pressão um fluido exerce? Considere uma lata de feijões que caiu em uma piscina como visto no diagrama a seguir.
O peso da coluna de água sobre a lata de feijões está fazendo pressão na parte superior da lata. Para descobrir uma expressão para a pressão, vamos começar com a definição de pressão.
P=FA
Para a força F, devemos colocar o peso da coluna de água acima da lata de feijões. O peso sempre é encontrado usando W=mg, então o peso da coluna de água pode ser escrito como W=mwg onde mw é a massa da coluna de água acima dos feijões. Vamos colocar isso na equação para a pressão acima e obter,
P=mwgA
Nesse ponto pode não ser óbvio o que fazer, mas podemos simplificar essa expressão escrevendo mw em termos da densidade e do volume da água. Como a densidade é igual à massa pelo volume ρ=mV , podemos calcular a massa da coluna de água e escrever mw=ρwVw onde ρw é a densidade da água e Vw é o volume da coluna de água acima da lata (não todo o volume da piscina). Usando mw=ρwVw para a massa da coluna de água na equação anterior, temos,
P=ρwVwgA
À primeira vista parece que isso só tornou a fórmula mais complexa, mas algo mágico está para acontecer. Temos o volume no numerador e a área no denominador, então vamos tentar cancelar algo para simplificar as coisas. Sabemos que o volume de um cilindro é Vw=Ah onde A é a área da base do cilindro e h é a altura do cilindro. Podemos usar Vw=Ah para o volume da água na equação anterior e cancelar as áreas para obter:
P=ρw(Ah)gA=ρwhg
Não apenas cancelamos a área, também criamos uma fórmula que depende apenas da densidade da água ρw, da profundidade abaixo da água h e da magnitude da aceleração da gravidade g. Isso é muito legal, já que ela não depende da área, do volume, nem da massa da lata de feijões. Na verdade, essa fórmula não depende de nenhuma característica da lata de feijões além da profundidade na qual ela se encontra abaixo da superfície do fluido. Então, essa fórmula funcionaria igualmente bem para qualquer objeto em qualquer líquido. Ou, você poderia usá-la para encontrar a pressão em uma profundidade específica de um líquido, sem considerar nenhum objeto submerso. Você frequentemente vai ver essa fórmula com o h e o g trocando de lugar, assim,
P=ρgh
Para ficar claro, ρ é sempre a densidade do fluido que causa a pressão, não a densidade do objeto submerso no fluido. O h é a profundidade do fluido, então mesmo que "abaixo" da superfície do fluido, usamos um número positivo. E o g é a magnitude da aceleração da gravidade, que é +9,8ms2 .
Agora você pode pensar, "Ok, então o peso da água e a pressão na parte superior da lata de feijões vão empurrar a lata para baixo, certo?" Isso é verdade, mas é apenas uma meia verdade. Acontece que a força da pressão da água não somente empurra a lata para baixo, ela na verdade resulta em uma força que empurra a lata para dentro em todas as direções. O efeito geral da pressão da água não força a lata para baixo. A pressão da água, na verdade, tenta esmagar a lata em todas as direções, como visto no diagrama abaixo.
Se isso ajuda, você pode pensar dessa forma. Quando a lata de feijões caiu na água, ela deslocou uma grande quantidade de moléculas de água da região onde ela está agora. Isso fez com que todo o nível da água aumentasse. Mas a água é puxada para baixo pela gravidade, que faz com que ela tente encontrar o menor nível possível. Então a água tenta forçar para voltar à região do volume de onde ela foi deslocada, em um esforço para tentar diminuir a altura geral do corpo da água. Então, se uma lata de feijões (ou qualquer outro objeto) estiver na água ou não, as moléculas de água estão sempre sendo esmagadas umas contra as outras pela força da gravidade e tentam diminuir o nível da água para o nível mais baixo possível. A pressão P na fórmula ρgh é um valor escalar que mostra a quantidade dessa força esmagadora por unidade de área em um fluido.
A essa altura, se você prestou atenção, deve estar se perguntando "Ei, existe ar acima da água, certo? O peso da coluna de ar cima da coluna de água não deveria contribuir para a pressão total na superfície da lata de feijões?" E você está certo. O ar sobre a coluna de água também está empurrando a lata para baixo e seu peso é surpreendentemente grande.
Se você queria uma fórmula para a pressão total (também chamada de pressão absoluta) na parte superior da lata de feijões, você deveria ter adicionado a pressão da atmosfera da Terra Patm à pressão do líquido ρgh.
Ptotal=ρgh+Patm
Normalmente não tentamos derivar um termo chique como ρargh para a pressão atmosférica Patm, já que nossa profundidade na atmosfera terrestre é praticamente constante para quaisquer medidas feitas próximas à superfície.
Isso significa que a pressão atmosférica na superfície da Terra permanece relativamente constante. O valor da pressão atmosférica na superfície da Terra fica em torno de 1,01×105Pa. Há pequenas variações em torno desse número causadas por variações em padrões climáticos, umidade, altitude, etc., mas para a maioria dos cálculos físicos consideramos que esse número é uma constante. Isso significa que, se o fluido para o qual você está calculando a pressão estiver próximo à superfície da Terra e exposto à atmosfera (e não em algum tipo de câmara a vácuo), você pode encontrar a pressão total (também chamada de pressão absoluta) com essa fórmula.
Ptotal=ρgh+1,01×105Pa

Qual é a diferença entre pressão absoluta e pressão manométrica?

Quando medem a pressão, as pessoas muitas vezes não querem saber a pressão total (a qual inclui a pressão atmosférica). As pessoas normalmente querem saber a diferença em alguma pressão da pressão atmosférica. Isso porque a pressão atmosférica não varia muito e está quase sempre presente. Então, inclui-la em suas medidas pode ser inútil às vezes. Em outras palavras, saber que o ar dentro do seu pneu murcho está sob uma pressão absoluta de 1,01×105Pa não é muito útil (já que estar sob pressão atmosférica significa que seu pneu está murcho). A pressão extra no pneu acima da pressão atmosférica é o que vai permitir que ele infle e funcione adequadamente.
Por causa disso, a maioria dos manômetros e equipamentos de monitoramento usam o que é definido como pressão manométrica Pmanométrica . A pressão manométrica é a pressão medida com relação à pressão atmosférica. A pressão manométrica é positiva para pressões acima da pressão atmosférica, zero na pressão atmosférica e negativa para pressões abaixo da pressão atmosférica.
A pressão total é normalmente chamada de pressão absoluta Pabsoluta. A pressão absoluta mede a pressão relativa a um vácuo completo. Então a pressão absoluta é positiva para todas as pressões acima do vácuo completo, zero para o vácuo completo e nunca negativa.
Isso tudo pode ser resumido na relação entre a pressão absoluta Pabsoluta, a pressão manométrica Pmanométrica e a pressão atmosférica Patm, que se parece com isso,
Pabsoluta=Pmanométrica+Patm
Para o caso de encontrar a pressão a uma profundidade h em um líquido que não se move exposto ao ar próximo da superfície da Terra, as pressões manométrica e absoluta podem ser encontradas com,
Pmanométrica=ρgh
Pabsoluta=ρgh+1,01×105 Pa
Como a única diferença entre a pressão absoluta e a pressão manométrica é a adição do valor constante da pressão atmosférica, a diferença de porcentagem entre as pressões absoluta e manométrica se torna menos importante conforme as pressões sobem para valores muito altos. (Veja o diagrama abaixo)

O que é confuso sobre pressão?

As pessoas muitas vezes querem usar a densidade do objeto submerso ρobjeto na fórmula da pressão manométrica dentro de um fluido P=ρgh, mas a densidade nessa fórmula se refere à densidade do fluido ρfluido que causa a pressão.
As pessoas muitas vezes misturam as pressões absoluta e manométrica. Lembre-se de que a pressão absoluta é a pressão manométrica mais a pressão atmosférica.
Além disso, infelizmente há pelo menos 5 unidades diferentes normalmente usadas para medir pressão (pascais, atmosferas, milímetros de mercúrio, etc). Em física, a unidade convencional do SI é o pascal, Pa, mas a pressão também é normalmente medida em "atmosferas", que é abreviada como atm. A conversão entre pascais e atmosferas é, não surpreendentemente, 1atm=1,01×105 Pa já que uma atmosfera é definida como a pressão da atmosfera da Terra.

Como são os exemplos resolvidos envolvendo pressão?

Exemplo 1: encontrando a pressão dos pés de uma cadeira

Uma cadeira rosa de 7,20 kg está em repouso sobre o chão. Cada perna da cadeira tem um pé circular com raio de 1,30cm. O design bem projetado da cadeira faz com que seu peso seja igualmente distribuído nos quatro pés.
Encontre a pressão em pascais entre os pés da cadeira e o chão.
P=FA(Use a definição de pressão. A pressão manométrica não é aplicável aqui, já que não há fluido.)
P=mgA(Coloque a fórmula para o peso da cadeira W=mg para a força F)
P=mg4×πr2(Coloque o valor da área total dos pés da cadeira 4×πr2 para a área A.)
P=(7,20 kg)(9,8ms2)4×π(0,013 m)2(Coloque os números, lembre-se de converter de cm para m)
P=70,56 N0,002124 m2=33.200 Pa(Calcule e comemore!)

Exemplo 2: força em uma escotilha de submarino

Um curioso cavalo marinho está olhando em uma escotilha circular de um submarino que está parado a uma profundidade de 63,0 m abaixo do mar Mediterrâneo. A densidade da água do mar é de 1025kgm3. A escotilha é circular e tem raio de 5,60 cm. O cavalo marinho está impressionado que a escotilha não se quebre com a pressão causada pelo peso da água do mar.
Qual é a magnitude da força exercida na superfície da escotilha circular do submarino pelo peso da água?
P=FA(Use a definição de pressão para relacionar a pressão à força)
F=PA(Calcule a fórmula da força simbolicamente)
F=(ρgh)A(Coloque a fórmula da pressão manométrica Pmanométrica=ρgh para a pressão P)
F=(1025kgm3)(9,8ms2)(63,0 m)(π×[0,056 m]2)(Coloque números para ρ,g,h, e A)
F=6.230 N (Calcule e comemore!)
Observação: usamos a pressão manométrica nesse problema porque a pergunta era sobre a força causada pelo "peso da água", ao passo que a pressão absoluta resultaria em uma força causada pelo peso da água e o peso do ar sobre a água.

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