A partir das leis de Arquimedes, explique o funcionamento de um submarino para emersão, submersão e flutuabilidade nula utilizando os tanques de lastro. Utilize a equação da força de empuxo para os argumentos.

Passo 1

O enunciado pede para explicar como um submarino usa os tanques de lastro para mergulhar, manter profundidade e emergir, com base no princípio de Arquimedes e na equação da força de empuxo. O conteúdo é estática de fluidos: vamos usar a fórmula do empuxo e compará-la com o peso do submarino.

Passo 2

Pelo princípio de Arquimedes, um corpo submerso sofre uma força de empuxo para cima igual ao peso do volume de fluido deslocado. Em notação:
F_{\text{emp}} = \rho_{\text{água}} \, g \, V_{\text{sub}}á
onde \rho_{\text{água}}á é a densidade da água, g é a aceleração da gravidade e V_{\text{sub}} é o volume do casco submerso. Já o peso do submarino é
P = m_{\text{total}} \, g
com m_{\text{total}} incluindo casco, equipamentos e água nos tanques de lastro.

Passo 3

Para submersão, o submarino enche os tanques de lastro com água do mar, aumentando m_{\text{total}} e, portanto, P. Como V_{\text{sub}} (o volume externo do casco) continua o mesmo, o empuxo F_{\text{emp}} não cresce. Assim, gera-se
P > F_{\text{emp}},
e a resultante aponta para baixo, fazendo o submarino afundar.

Passo 4

Para obter flutuabilidade nula, o comandante ajusta a quantidade de água nos tanques até que o peso iguale o empuxo:
P = F_{\text{emp}}.
Nesse caso, a resultante vertical é zero e o submarino mantém profundidade constante sem subir nem descer.

Passo 5

Na emersão, o submarino expulsa a água dos tanques de lastro usando ar comprimido, reduzindo m_{\text{total}} (e, portanto, P). Como V_{\text{sub}} continua constante, mantemos
F_{\text{emp}} > P,
resultando em uma força líquida para cima que faz o submarino ascender até a superfície.

Resposta

Enchendo tanques de lastro com água, aumenta o peso e gera P>F_{\text{emp}}, o submarino mergulha. Ajustando água/ar para P=F_{\text{emp}}, atinge flutuabilidade nula e mantém profundidade. Expulsando água com ar comprimido, reduz o peso e obtém F_{\text{emp}}>P, o que faz o submarino emergir.

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