Questão 57 do ENEM 2013 — Ciências da Natureza

Neste experimento, uma garrafa com furos na lateral é observada em dois momentos: com a tampa fechada e com a tampa aberta. Para entender o comportamento da água, precisamos comparar as pressões que atuam sobre ela em cada situação.

Garrafa tampada

Com a garrafa fechada, existe uma quantidade fixa de ar aprisionada acima da água. Se um pouco de água escapasse pelos furos, o espaço ocupado por esse ar aumentaria. Como a quantidade de ar é constante, um aumento de volume provoca uma queda na pressão desse ar interno.

Assim, a pressão do ar interno diminui, e a pressão total que empurra a água para fora (pressão do ar aprisionado somada à pressão da coluna de água) torna-se menor do que a pressão atmosférica externa, que empurra a água para dentro através dos furos. O resultado é que a pressão atmosférica impede a saída da água, justamente por ser maior que a pressão interna no nível dos furos.

Garrafa destampada

Ao abrir a tampa, o ar entra livremente e a pressão atmosférica ($P_{\text{atm}}$) passa a atuar diretamente sobre a superfície livre da água, no topo da garrafa.

Pelo Teorema de Stevin, a pressão em um ponto interno do líquido, na altura de um furo, é: $P_{\text{interna}} = P_{\text{atm}} + \rho \cdot g \cdot h$

onde $\rho$ é a densidade da água, $g$ é a aceleração da gravidade e $h$ é a altura da coluna de água acima do furo.

Do lado de fora, a pressão que se opõe à saída é a própria pressão atmosférica. A diferença de pressão que efetivamente empurra a água para fora é: $\Delta P = (P_{\text{atm}} + \rho \cdot g \cdot h) - P_{\text{atm}} = \rho \cdot g \cdot h$

Repare que a pressão atmosférica se cancela: ela atua com a mesma intensidade empurrando a água para baixo (pela boca) e para dentro (pelos furos), anulando seu próprio efeito. Portanto, a pressão atmosférica não muda a velocidade de escoamento, que passa a depender exclusivamente da pressão da coluna de água ($\rho \cdot g \cdot h$). Por isso, furos em posições mais baixas, com maior coluna de água acima, tendem a lançar a água mais longe.

Conclusão

A única alternativa que descreve corretamente os dois fenômenos é a A: na garrafa tampada, a pressão atmosférica impede a saída de água por ser maior que a pressão interna; na garrafa destampada, ela não muda a velocidade de escoamento, pois esta depende apenas da pressão da coluna de água.

Gabarito: A