Como os navios flutuam?

Como os navios flutuam? A explicação física está na densidade e no princípio de Arquimedes!

Densidade

A densidade pode ser definida como a massa por unidade de volume de uma substância a uma dada pressão e temperatura:

densidade = ^massa/_volume

Assim, para que um material flutue na água, não depende somente da massa mas sim da distribuição da massa pelo volume ocupado, isto é, da densidade. Quanto mais distribuída estiver a massa, ou seja, quanto maior for o seu volume, menos denso será o objeto e ele flutuará.

Veja o exemplo do prego de aço e da prancha de isopor. Apesar de o prego ser menor e mais leve, ele afunda imediatamente na água, enquanto a prancha flutua, mesmo sendo maior e mais pesada. Isso acontece porque a densidade do ferro é maior que a densidade da água e a densidade do isopor é menor que a da água.

É por isso que o navio flutua, pois boa parte do interior de qualquer barco é composta por ar (diferentemente de um cubo de aço, que é totalmente sólido por dentro), e a densidade média de um barco (resultante do conjunto aço + ar) é bem mais leve quando comparada à densidade média da água, fazendo com que uma parte muito pequena do barco realmente tenha de afundar antes de ter deslocado todo o seu peso.

 

By Aguafluxus.

Princípio de Arquimedes

Outro aspecto é que, mesmo flutuando, uma parte do navio afunda. O peso do barco desloca a água e provoca uma reação em sentido contrário. Essa força que a água exerce em sentido contrário é chamada de empuxo.
Assim, se, por exemplo, o navio “pesa” 1000 toneladas, o seu volume terá que ser grande o suficiente para deslocar a mesma quantidade de água, que, por sua vez, reage com uma força equivalente às 1000 toneladas e empurra o barco para cima. Desse modo, o barco é sustentado por essa força contrária e flutua.
No desenho observamos o volume de água que é deslocado para um navio flutuar. A densidade desse volume de água, ou seja seu peso (kg) dividido pelo volume que ocupa (m³) é inferior à densidade do navio.

Assim, quando o empuxo é maior do que o peso do objeto, esse objeto flutua e, quando é menor ele afunda. Esse fenômeno é conhecido como Principio de Arquimedes que pode ser descrito como:

“Todo corpo imerso em um fluido sofre ação de uma força (empuxo) verticalmente para cima, cuja intensidade é igual ao peso do fluido deslocado pelo corpo.”

É pelo mesmo motivo que um navio começa a afundar se um pedaço da estrutura do navio se rompe e ele começa a ser preenchido com água. Quando o espaço interno do navio que antes era preenchido com ar passa a ser preenchido com água, a densidade do navio começa a aumentar e o navio começa a afundar.

Como o navio não “tomba” mesmo em águas agitadas?

E estabilidade depende do Centro de Gravidade do navio e do centro de empuxo. A força peso é aplicada no centro de gravidade (CG), que é fixo e o empuxo é aplicado no centro de empuxo (CE), que é variável.
A posição do centro de gravidade (CG) não se altera em relação ao corpo. Já o centro de empuxo do navio (CE) muda de acordo com a forma do volume do líquido deslocado, já que está localizado no centro de gravidade do líquido deslocado.

O navio é projetado para em caso de oscilações laterais, retornar a posição inicial. Para isso, seu centro de gravidade (CG) fica abaixo do centro de empuxo (CE), como mostra a figura ao lado, de modo que temos uma situação de equilíbrio estável.

O momento das forças P e E é que faz com que o navio volte à posição inicial. O CG no caso de uma embarcação, não pode coincidir com o CE, pois quando o CG coincide com o CE, o corpo imerso fica em equilíbrio indiferente. Se qualquer perturbação fizer o corpo se mover lateralmente, ele não retorna a posição de equilíbrio.

Veja na figura ao lado que o CE muda de posição quando o barco se movimenta, o que altera a situação de equilíbrio. Essa mudança depende da forma do casco, já que o CE está localizado no centro de gravidade do líquido deslocado.
Para obter-se maior estabilidade possível, a distribuição de cargas no interior do navio é feita para que o centro de gravidade fique mais próximo possível do fundo do navio. (Fonte:azeheb.com.br)