Onde a demonstração não é deixada como exercício para o leitor.

Exercício 18, Capítulo 1, Curso de Física Básica Vol. 2: balão esférico

Moysés Nussenzveig

Curso de Física Básica – 4a Edição

Capítulo 1: Estática dos Fluidos

Exercício 18:

Enunciado:

Um balão esférico de 5 m de raio está cheio de hidrogênio. Nas condições normais, a densidade do hidrogênio é… para ter acesso ao enunciado completo, cheque a disponibilidade do livro na biblioteca da sua instituição de ensino. O livro também pode ser adquirido através desse link.

Dados relevantes fornecidos no enunciado:

  • O balão é esférico, com $5 \;m$ de raio, e está cheio de $H_2$;
  • A densidade do $H_2$ é $\rho_{H_2} = 0,0899 \; kg/m^3$;
  • A densidade do ar é $\rho_{ar} = 1,29 \; kg/m^3$
  • Item único:

    A força ascendente é igual ao empuxo (que aponta para cima) menos o peso do balão (que aponta para baixo):

    $$
    F = E – mg
    \tag{1}$$

    Onde $E$ é o empuxo, $m$ a massa do balão e $g$ a aceleração da gravidade. Sabemos que o empuxo é dado pela multiplicação do volume do balão pela densidade do ar e $g$, enquanto a massa do balão é dada pelo seu volume multiplicado pela densidade do $H_2$, logo:

    $$
    F = V \rho_{ar}g – V\rho_{H_2}g = Vg(\rho_{ar} – \rho_{H_2})
    \tag{2}$$

    Sabendo que o balão e esférico, podemos então substituir todos os valores na equação acima:

    $$
    F = \frac{4\pi 5^3}{3} \times (1,29 – 0,0899) \times 9,81
    \tag{3}$$

    Logo:

    $$
    \boxed{F \approx 6164 \; N \approx 628 \; kgf}
    \tag{4}$$

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