Mergulhador cartesiano - Cartesian diver
Um mergulhador cartesiano ou demônio cartesiano é um experimento científico clássico que demonstra o princípio da flutuabilidade ( princípio de Arquimedes ) e a lei dos gases ideais . A primeira descrição escrita deste dispositivo é fornecida por Raffaello Magiotti , em seu livro Renitenza certissima dell'acqua alla compressione (Resistência muito firme da água à compressão), publicado em 1648. Recebeu o nome de René Descartes como o brinquedo que dizem ter foi inventado por ele.
O princípio é usado para fazer pequenos brinquedos frequentemente chamados de "dançarinos da água" ou "diabos da água". O princípio é o mesmo, mas o conta-gotas é substituído por um objeto decorativo com as mesmas propriedades, que é um tubo de flutuabilidade quase neutra, por exemplo, uma bolha de vidro soprado . Se a cauda da bolha de vidro girar, o fluxo de água para dentro e para fora da bolha de vidro cria rotação. Isso faz com que o brinquedo gire ao afundar e subir. Um exemplo de tal brinquedo é o "demônio" vermelho mostrado aqui. O aparelho também tem um uso prático para medir a pressão de um líquido .
Mergulhadores de plástico foram dados em caixas de cereais americanas como um presente pago na década de 1950, e "Diving Tony", uma versão do brinquedo modelado após o mascote Frosted Flakes de Kellogg, Tony the Tiger , foi disponibilizado na década de 1980.
Descrição do experimento
O experimento requer uma grande garrafa cheia de água, dentro da qual está um "mergulhador": um tubo pequeno e rígido, aberto em uma extremidade, muito semelhante a um conta - gotas com ar suficiente para que seja quase neutro com flutuabilidade , mas ainda flutuante o suficiente que flutua no topo ao mesmo tempo que está quase completamente submerso. Dois "mergulhadores" alternativos podem ser construídos. Um selado, mas uma lâmpada flexível, e o outro uma lâmpada de vidro selada (lanterna sem base de metal) com fios de lã arrastando abaixo. O flexível comprimirá reduzindo o volume, e o de vidro sólido não mudará, mas as bolhas de ar ficarão presas nas fibras e serão expostas à pressão - portanto, mudarão o volume.
O “mergulho” ocorre quando a parte flexível do recipiente maior é pressionada para dentro, aumentando a pressão dentro do recipiente maior, fazendo com que o “mergulhador” afunde até que a pressão seja liberada, quando sobe de volta à superfície. Se o recipiente for rígido, como acontece com uma garrafa de vidro, a rolha que fecha a garrafa seria pressionada para dentro ou puxada para fora.
Há ar suficiente no mergulhador para torná-lo positivamente flutuante . Portanto, o mergulhador flutua na superfície da água. Como resultado da lei de Pascal , apertar o recipiente hermético aumenta a pressão do ar, parte da qual pressão é exercida contra a água que constitui uma "parede" do recipiente hermético. Essa água, por sua vez, exerce pressão adicional sobre a bolha de ar dentro do mergulhador; porque o ar dentro do mergulhador é compressível, mas a água é um fluido incompressível, o volume do ar diminui, mas o volume da água não se expande, de modo que a pressão externa ao mergulhador a ) força a água que já está no mergulhador ainda mais para dentro e b ) leva água de fora do mergulhador para o mergulhador. Uma vez que a bolha de ar se torna menor e mais água entra no mergulhador, o mergulhador desloca um peso de água menor que seu próprio peso, então ela se torna negativamente flutuante e afunda de acordo com o princípio de Arquimedes . Quando a pressão no recipiente é liberada, o ar se expande novamente, aumentando o peso da água deslocada e o mergulhador torna-se novamente positivamente flutuante e flutua.
Pode-se pensar que, se o peso da água deslocada corresponder exatamente ao peso do mergulhador, ela não subirá nem afundará, mas flutuará no meio do recipiente; entretanto, isso não ocorre na prática. Assumindo que tal estado existisse em algum ponto, qualquer saída do mergulhador de sua profundidade atual, por menor que seja, irá alterar a pressão exercida sobre a bolha no mergulhador devido à mudança no peso da água acima dela no navio . É um equilíbrio instável . Se o mergulhador subir, mesmo na quantidade mais minúscula, a pressão na bolha diminuirá, ela se expandirá, ela deslocará mais água e o mergulhador ficará mais positivamente flutuante, subindo ainda mais rapidamente. Por outro lado, se o mergulhador cair pelo menos, a pressão aumentará, a bolha se contrairá, mais água entrará, o mergulhador ficará menos flutuante e a taxa de queda acelerará conforme a pressão da água aumentar ainda mais. Este reforço positivo amplificará qualquer desvio do equilíbrio, mesmo que devido a flutuações térmicas aleatórias no sistema. Existe uma gama de pressões aplicadas constantes que permitirão ao mergulhador flutuar na superfície ou afundar, mas para fazê-lo flutuar dentro do corpo do líquido por um período prolongado exigiria a manipulação contínua da pressão aplicada.
Mergulhadores dentro de uma garrafa plástica oval adquirem novas propriedades interessantes. De fato, uma garrafa oval pode aumentar de volume quando é comprimida e, se isso acontecer, o mergulhador afogado pode subir.
Notas
links externos
- ciência popular 6969
- Aplicativo JavaScript para simulação de mergulhador cartesiano
- Applet Java mostrando como um mergulhador cartesiano funciona
- Rebecca Hopman e Kathryn Wieczorek, fazendo mergulhadores cartesianos: antes e agora
- Richard Frazier, Um Brinquedo Filosófico
- Carrasquer, J., Álvarez, MV, y Ponz, A. (2014). Exposição “Dance, dance, seus diabinhos”, um panorama da História do Diabo cartesiano através de imagens. Teruel: Universidad de Zaragoza, http://web-ter.unizar.es/cienciate/expo/en/index.html
- Panov, Aleksei (2018). Mergulhador cartesiano