Questão do ENEM

A questão é a do número 119 do caderno 3 da prova de 2020, cor branca, do 1º dia de aplicação, do qual possui a seguinte redação:

Um mergulhador fica preso ao explorar uma caverna no oceano. Dentro da caverna formou-se um bolsão de ar, como mostrado na figura, onde o mergulhador se abrigou.

Durante o resgate, para evitar danos a seu organismo, foi necessário que o mergulhador passasse por um processo de descompressão antes de retornar à superfície para que seu corpo ficasse novamente sob pressão atmosférica. O gráfico mostra a relação entre os tempos de descompressão recomendados para indivíduos nessa situação e a variação de pressão.

Considere que a aceleração da gravidade seja igual 10 m/s² a e que a densidade da água seja de 1000 kg/m³.

Em minutos, qual é o tempo de descompressão a que o mergulhador deverá ser submetido?

a) 100

b) 80

c) 60

d) 40

e) 20

Conceitos Físicos

Lei de Stevin

Físico e matemático, Simon Stevin era belga e viveu entre 1548 e 1620, por via de seus estudos ele formulou o princípio da Hidrostática, que consiste em uma pesquisa sobre o comportamento hidrostático da pressão.

Como resultado de suas pesquisas e estudos, Stevin chega à seguinte conclusão de que a pressão sobre um fluido (líquidos ou gases) dependerá da sua altura pois encontrado o equilíbrio entre os fluidos, estes serão iguais, porém, esta lei se aplica a fluidos em repouso.

Essa lei é muito aplicada na resolução de vasos comunicantes em forma de U.

Falando matematicamente a Lei de Stevin se da seguinte maneira:

Princípio de Pascal

Blaise Pascal (1623-1662) era escritor, filósofo, físico, matemático e teólogo católico, que tinha como referência em seus estudos alguns nomes conhecidos como Evangelista Torricelli, foi o mentor do princípio da hidrostática da qual leva seu nome, pois seus trabalhos eram relacionados ao estudo da Ciências da Natureza e suas aplicações.

O enunciado do Princípio de Pascal diz que a pressão exercida sobre um fluido em equilíbrio é transmitida integralmente a todos os seus pontos, bem como às paredes do recipiente que ele está contido.

Podemos expressar esse enunciado da seguinte forma matemática:

Pressão

Tudo o que foi discutido até aqui está relacionado à pressão, mas afinal o que é Pressão? Em física a pressão é diretamente proporcional a intensidade da força, e inversamente proporcional a área, ou seja, expressando esse conceito por uma fórmula matemática, podemos dizer que:

P – pressão (Pa - pascal)

F – força (N – newton)

A – área (m²)

A sua unidade de medida é Pa (Pascal) que equivale a aplicação de uma força de 1 newton em 1 m². A pressão está associado ao estudo de Hidrostática, como vimos anteriormente, grandes nomes da Física, como Stevin e Pascal, também temos outros nomes com experimentos que contribuíram muito para para esta área, pode-se citar como exemplo Evangelista Torricelli, do qual vamos discutir sobre ele logo em seguida.

Pressão atmosférica

Em torno da Terra, existe uma camada de ar que é denominada atmosfera, da qual se encontra a aproximadamente a 18 km de altura e esta é o resultado entre as moléculas energéticas que tendem a se afastar uma das outras e a gravidade, faz com que as moléculas se aproximem.

Assim como um oceano ou um lago, consegue exercer pressão sobre os corpos, a atmosfera possui essa mesma condição, pois como a água possui pressão devido ao seu peso, o ar também exerce pressão sobre os corpos devido ao peso.

Mas por que não conseguimos sentir a pressão do ar?

Pelo fato de que o peso do ar que “aperta” nossos corpos, entra em equilíbrio com a pressão do ar que está no meio que nos rodeia.

Para percebermos o efeito da pressão atmosférica, é preciso haver uma diferença significativa entre as pressões externas e internas. Isso acontece quando se faz uma viagem para a serra por exemplo, pois sentimos a diferença de pressão nos nossos ouvidos, mas o desconforto ocasionado logo passa assim que o corpo se adapta a nova pressão a que está submetido.

Experimento de Torricelli

Evangelista Torricelli (1608-1647), físico e matemático, criador do barômetro, com este experimento, ele consegue fazer uma relação com a pressão atmosférica. O experimento em questão consiste em um tubo cheio de mercúrio, ele então fecha a boca do tubo e o coloca em recipiente que também continha mercúrio. feito isso, Torricelli, abre o tubo e observa o que viria logo após, no momento que o tubo foi aberto o líquido de dentro desceu e parou em 76 cm ou 760 mm, do nível do mercúrio no recipiente, ficando em situação de equilíbrio, assim entre o nível superior da coluna de mercúrio e as paredes do tubo criou-se uma região de vácuo.

Observando os pontos C e B, pode-se notar que ambos encontram-se no mesmo nível e ambos estão submetidos à mesma pressão. C está sob uma pressão no nível do mar e B está sob pressão da coluna de líquido.

Densidade e Massa Específica

Um dos conceitos fundamentais para o estudo de fluidos é a densidade, pois é a razão entre massa de um corpo e o volume ocupado por ele.

Matematicamente falando, podemos expressar esse conceito da seguinte forma:

Com isso podemos concluir que quanto mais massa houver em um volume, ou quanto menor o volume ocupado por determinada massa, maior será a densidade do corpo e vice - versa.

A unidade de medida de densidade é o quilograma por metro cúbico (Kg/m3).

Quando se trata de densidade de uma substância pura, denominamos Massa específica, pois sob pressão e temperatura constantes, uma substância pura irá apresentar massa diretamente proporcional ao seu volume. Essa constante é representada pela letra do alfabeto grego μ (mi).

Aplicações dos conceitos físicos de hidrostática

A doença dos mergulhadores

Para o melhor entendimento dos conteúdos relacionados a questão de física ENEM 2020, exploraremos algumas aplicações no cotidiano. Como exemplificado na questão, fala-se em processo de descompressão, um fato curioso este que pode ser explicado a título de conhecimento e curiosidade.

O processo de descompressão consistem em eliminar o nitrogênio dissolvido no sangue, e deve ser feita após (descompressão em câmara) ou durante o mergulho (subida gradual) quando se mergulha com mistura de gases (geralmente nitrogênio + oxigênio), independente da profundidade, conforme tabelas confeccionadas por associações de instrutores de mergulho. A importância de um mergulhador de passar por este processo é devido ao fato que pode-se formar bolhas de gases nos tecidos e corrente sanguínea, do qual é denominado embolia gasosa, também conhecido como “doença do mergulhador”. A embolia gasosa é uma obstrução dos vasos sanguíneos causada pela uma brusca expansão do nitrogênio, gás este que se encontra presente nos tanques dos mergulhadores. O nitrogênio tende a formar bolhas, à medida que a pressão diminui.

Agora pode-se entender melhor o por que é necessário que o mergulhador da referida questão passe pelo processo de descompressão antes de retornar à superfície para que seu corpo fique novamente sob a pressão atmosférica.

Pressão Arterial

Outra aplicação dos conceitos físicos aqui já mencionados, como podemos observar sobre o experimento de Torricelli, a pressão arterial pode ser medida em mmHg.

A pressão arterial é a quantidade de sangue que o coração bombeia o sangue por vasos e artérias. Exemplo: 80mmHg de sangue é capaz de elevar uma coluna de mercúrio em 80 mm.

Mapa conceitual

Para lhe auxiliar a organizar os conceitos, segue o mapa conceitual

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