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Aula 52 — Condições de Flutuação (Densidade e equilíbrio de corpos submersos)

50 min

Objetivo geral

Compreender as três condições de equilíbrio de um corpo em um fluido — afundar, flutuar parcialmente submerso, ou permanecer em equilíbrio totalmente submerso — a partir da comparação entre a densidade média do corpo e a densidade do fluido.

Objetivos específicos

  • Comparar o peso do corpo e o empuxo máximo (com o corpo totalmente submerso) para prever se ele afunda, flutua ou fica em equilíbrio submerso.
  • Relacionar essa comparação de forças à comparação entre a densidade média do corpo (ρ_corpo) e a densidade do fluido (ρ_fluido).
  • Calcular a fração do volume de um corpo flutuante que fica submersa, a partir da razão entre as densidades.
  • Aplicar a condição de equilíbrio (peso igual ao empuxo) para resolver problemas de corpos flutuantes.

Conhecimentos prévios

  • Empuxo, E=ρ_fluido·g·Vsubmerso (Aula 51).
  • Densidade como razão entre massa e volume (pré-requisito).

Recursos didáticos

  • Apresentação de slides — Possor_Aula52_Apresentacao.pptx (10 slides).
  • Quadro/lousa e material de escrita.
  • Objetos com densidades bem diferentes (ex.: uma pedra, um pedaço de madeira, um ovo em água doce e em água salgada) para observar ao vivo se afundam, flutuam ou ficam em equilíbrio submerso.

Desenvolvimento da aula

Acolhida e Sondagem de Conhecimentos Prévios

5 min · Ausubel — ativação de subsunçores

O professor pergunta: "por que um ovo afunda em água doce, mas flutua em água bem salgada?" Ouvir hipóteses.

Problematização Inicial

5 min · Bachelard — obstáculo epistemológico antecipado

Perguntar se "afundar" e "flutuar" são propriedades fixas de um material. Obstáculo a nomear (sem resolver ainda): tratar a flutuação como característica fixa do objeto ("pedra sempre afunda", "madeira sempre flutua"), sem perceber que ela depende da RELAÇÃO entre a densidade do corpo e a densidade do FLUIDO específico — o mesmo ovo pode afundar ou flutuar dependendo da densidade da água, alterada pelo sal dissolvido.

Desenvolvimento Conceitual

20 min · Exposição dialogada

Apresentação dos slides 2 a 8: as três condições, comparando o peso (P=ρ_corpo·g·Vcorpo) e o empuxo máximo (Emax=ρ_fluido·g·Vcorpo, corpo totalmente submerso). Se ρ_corpo>ρ_fluido, o peso vence e o corpo afunda; se ρ_corpo<ρ_fluido, o empuxo equilibra o peso antes da submersão total, e o corpo flutua parcialmente submerso; se ρ_corpo=ρ_fluido, o corpo fica em equilíbrio indiferente, totalmente submerso. Resolução explícita do obstáculo do Momento 2: o ovo tem densidade fixa, mas a água salgada tem densidade MAIOR que a água doce (o sal dissolvido aumenta a massa por volume) — quando a densidade da água ultrapassa a do ovo, ele passa a flutuar. Dedução da fração submersa de um corpo flutuante em equilíbrio, igualando peso e empuxo: Vsubmerso/Vcorpo = ρ_corpo/ρ_fluido.

Resolução Guiada

10 min · Vygotsky — Zona de Desenvolvimento Proximal

O professor resolve em voz alta a fração submersa de um corpo flutuante, dadas as densidades do corpo e do fluido. Em seguida, propõe à turma, em duplas, decidir, para outros pares de densidades dados, se o corpo afunda, flutua ou fica em equilíbrio submerso.

Exercícios de Fixação

7 min · Prática independente

Aplicação individual (ou em duplas) da lista de exercícios de fixação (seção 8 deste plano). O professor circula pela sala, corrigindo quem trata a flutuação como propriedade fixa do material, ignorando a densidade do fluido.

Síntese e Fechamento

3 min · Consolidação (fechamento circular)

Retomar a pergunta do Momento 1: a mesma densidade do ovo pode resultar em afundar ou flutuar, dependendo só da densidade do fluido em que ele está. Reforçar as três condições como comparação direta entre ρ_corpo e ρ_fluido.

Avaliação formativa

Ao longo da aula: perguntas rápidas de verificação (Momento 3) e observação direta durante a resolução guiada (Momento 4), checando se os alunos comparam corretamente as duas densidades antes de decidir a condição. Ao final: correção coletiva dos exercícios, com atenção especial a quem esquece de usar só o volume submerso no cálculo da fração flutuante.

Lista de exercícios

1. Um corpo tem densidade 900 kg/m3 e é colocado em água (ρ=1000 kg/m3). Ele afunda, flutua ou fica em equilíbrio submerso? Justifique.

Gabarito: Como ρ_corpo (900) < ρ_fluido (1000), o corpo flutua parcialmente submerso.

2. Calcule a fração do volume desse corpo que fica submersa.

Gabarito: Vsubmerso/Vcorpo = ρ_corpo/ρ_fluido = 900/1000 = 0,9 — 90% do volume fica submerso.

3. Um objeto de densidade 1050 kg/m3 é colocado na mesma água (ρ=1000 kg/m3). O que acontece com ele?

Gabarito: Como ρ_corpo (1050) > ρ_fluido (1000), o peso é maior que o empuxo máximo possível, então o corpo afunda.

4. Um ovo tem densidade aproximada de 1030 kg/m3. Água doce tem densidade 1000 kg/m3, e uma salmoura concentrada pode chegar a 1100 kg/m3. Explique o que acontece com o ovo em cada uma dessas águas.

Gabarito: Em água doce (1000 < 1030), o ovo afunda, pois é mais denso que o fluido. Na salmoura concentrada (1100 > 1030), o ovo flutua, pois passa a ser menos denso que o fluido.

5. Explique por que um corpo com densidade EXATAMENTE igual à do fluido não afunda nem flutua na superfície, permanecendo em equilíbrio em qualquer profundidade em que esteja totalmente submerso.

Gabarito: Nesse caso, o peso do corpo (ρ_corpo·g·Vcorpo) é exatamente igual ao empuxo quando ele está totalmente submerso (E=ρ_fluido·g·Vcorpo, com ρ_corpo=ρ_fluido). A força resultante é zero em qualquer profundidade em que o corpo esteja totalmente submerso, sem tendência a subir ou descer.

Observações e extensão

Módulo 4 concluído — próximo módulo do currículo principal: Módulo 5. Nota para o professor: as Aulas 48-52 formaram uma sequência estritamente progressiva (pressão → Stevin → Pascal → Arquimedes → condições de flutuação), cada uma usando a anterior como ferramenta — vale uma revisão rápida encadeada antes da avaliação do módulo, retomando a cadeia lógica completa.