Força de empuxo: fórmula, exemplos e questões resolvidas

Na primeira vez que ensinei força de empuxo para uma turma do 1º ano, levei um balde, uma garrafa PET e alguns objetos do armário de materiais. Pedi que os alunos previssem quais iriam afundar. Metade errou, e foi justamente esse erro que abriu a discussão mais rica da aula inteira.

Desde então, sempre começo por um experimento simples e só depois escrevo a fórmula no quadro. Neste texto, conto como faço isso, mostro exemplos e deixo seis questões resolvidas que uso nas provas. Quando precisei montar essas questões do zero, o GeraProva me poupou horas de trabalho.

O que é a força de empuxo?

A força de empuxo é a força vertical, orientada para cima, que um fluido exerce sobre um corpo total ou parcialmente imerso nele. Ela surge porque a pressão aumenta com a profundidade, fazendo com que a parte inferior do corpo sofra uma pressão maior que a superior. O módulo dessa força é igual ao peso do fluido deslocado pelo corpo, conforme o princípio de Arquimedes. Em termos práticos, quanto maior o volume de líquido que o objeto desloca, maior é o empuxo que ele recebe. Esse é o ponto central que os alunos precisam dominar antes de qualquer cálculo.

Qual é a fórmula da força de empuxo?

A fórmula é E = ρ · V · g, em que E é a força de empuxo em newtons, ρ é a densidade do fluido em kg/m³, V é o volume de fluido deslocado em m³ e g é a aceleração da gravidade, normalmente 10 m/s² nas questões escolares.

• ρ: densidade do fluido (água ≈ 1000 kg/m³)
• V: volume deslocado, que é o volume da parte submersa do corpo
• g: aceleração da gravidade (10 m/s²)

Um cuidado que sempre reforço: o V da fórmula é o volume deslocado, não necessariamente o volume total do objeto. Num barco que flutua, só a parte abaixo da linha d'água entra na conta.

Como calcular a força de empuxo passo a passo?

Organizo o raciocínio em quatro passos, sempre no quadro, para que o aluno aprenda o método e não só a fórmula.

• Passo 1: identifique o fluido e sua densidade.
• Passo 2: descubra o volume deslocado (o volume submerso).
• Passo 3: substitua os valores na fórmula, mantendo as unidades do SI.
• Passo 4: compare E com o peso P = m · g para concluir se o corpo afunda, flutua ou fica em equilíbrio.

O passo 4 é o que mais errei como professor no início, porque o aluno calculava o empuxo e parava ali. Sem a comparação com o peso, a resposta não diz nada sobre o comportamento do objeto.

Exemplo rápido

Um bloco de madeira com volume submerso de 0,002 m³ está em água. Temos E = 1000 · 0,002 · 10 = 20 N. Se o peso do bloco for 20 N, ele fica em equilíbrio e flutua parcialmente submerso.

Quais exemplos do cotidiano usar em sala?

Os exemplos que mais funcionam são os que os alunos já viveram. Costumo usar:

• o navio de aço que flutua, mesmo sendo muito mais pesado que um prego;
• o ovo que afunda na água doce e flutua na água salgada;
• o balão de ar quente, em que o empuxo do ar frio supera o peso do conjunto;
• o colete salva-vidas, que aumenta o volume deslocado sem aumentar muito a massa.

Quando trabalho com o ovo, peço que a turma estime o empuxo antes e depois de adicionar sal. A discussão sobre densidade costuma render mais que qualquer exercício escrito.

Como montar uma lista de questões sobre empuxo?

Monto listas com três níveis: um exercício de aplicação direta da fórmula, um de comparação entre E e P e um de contexto, que exige interpretação de texto. Na minha experiência, a maior dificuldade dos alunos está na terceira categoria, porque eles precisam identificar qual grandeza o enunciado está pedindo. Por isso, quando monto provas, procuro misturar esses níveis. Pelo cadastro grátis no GeraProva, consigo gerar questões nesses formatos e ajustar a dificuldade sem reescrever tudo do zero.

Questões prontas com gabarito comentado

A seguir estão seis questões que já usei em aula, com alternativas, justificativa de cada uma e os dados de BNCC e nível cognitivo que a base do GeraProva registra para cada item.

Questão 1: caiaque com carga adicional

Um caiaque desloca V = 0,20 m³ de água ao ficar totalmente submerso; massa do casco m_casco = 15,0 kg. Use ρ_água = 1000 kg/m³ e g = 10 m/s². Calcule (a) força de empuxo F_b = ρ·g·V e (b) massa máxima total suportada sem afundar, e (c) carga adicional máxima.

• ✅ A) F_b = 1000·10·0,20 = 2000 N ⇒ massa equivalente ≈200 kg. Massa máxima total ≈200 kg; carga adicional ≈200−15 = 185 kg. — Explicação: Empuxo F_b = ρgV = 2000 N corresponde a peso máximo 200 kg·g; subtraindo massa do casco (15 kg) sobra 185 kg de carga adicional.
• ❌ B) F_b = 1000 · 10 · 0,50 = 5000 N — Explicação: Valor de V está incorreto; cálculo da empuxo totalmente errôneo.
• ❌ C) F_b = 1000 · 10 · 0,10 = 1000 N — Explicação: Volume V errado; calcule usando V = 0,20 m³, não 0,10 m³.
• ❌ D) F_b = 1000 · 5 · 0,20 = 1000 N — Explicação: Incorreto uso da gravidade; deve ser 10 m/s², não 5 m/s².
• ❌ E) Carga adicional é 15 kg, igual à massa do casco. — Explicação: Carga extra não pode ser igual à massa do casco; deve ser subtraída.

Dica de resolução: calcule a força de empuxo e a massa total suportada. Conceito central: força de empuxo. Conceito para revisão: princípios de empuxo e densidade. Nível de Bloom: Analisar; raciocínio dedutivo; dificuldade média.

Questão 2: caiaque com praticante de 80 kg

Um caiaque com praticante total de massa 80 kg desloca 0,05 m³ de água. Dado ρ=1000 kg/m³ e g = 10 m/s², calcule o empuxo E = ρ·g·V (N) e compare com o peso P = m·g; determine se o caiaque afunda ou flutua.

• ❌ A) Empuxo = 5000 N; Peso = 800 N — Explicação: Cálculo incorreto do empuxo; não considera volume de água deslocado corretamente.
• ✅ B) Empuxo = 500 N; Peso = 800 N ⇒ empuxo < peso, portanto afunda. — Explicação: E = ρ·g·V = 1000·10·0,05 = 500 N; P = m·g = 80·10 = 800 N; como E<P, não há equilíbrio, afunda.
• ❌ C) Empuxo = 300 N; Peso = 800 N — Explicação: Valor do empuxo foi calculado errado; deveria ser maior, dado o volume deslocado.
• ❌ D) Empuxo = 800 N; Peso = 500 N — Explicação: Erro na substituição; as fórmulas e valores foram aplicados incorretamente.
• ❌ E) Empuxo = 500 N; Peso = 200 N — Explicação: Valor de peso está muito baixo e errados; não condiz com a massa do caiaque.

Dica de resolução: calcule o empuxo e compare com o peso do caiaque. Conceito central: empuxo e peso. Conceito para revisão: conceitos de empuxo e flutuabilidade. Nível de Bloom: Analisar; raciocínio crítico; dificuldade média.

Questão 3: caixa flutuante de 300 kg

Uma caixa flutuante tem massa total m = 300 kg e volume externo V = 0,50 m³. Colocada em água (ρ_água = 1000 kg·m⁻³, g = 10 m·s⁻²), determine: (a) a força de empuxo máxima disponível; (b) se a caixa flutua; (c) a fração do volume submersa quando em equilíbrio. Use Empuxo E = ρ_fluido·V_deslocado·g e peso P = m·g.

• ❌ A) E_max = 7,0×10³ N — Explicação: Valor maior que a força do peso, errado porque não corresponde ao cálculo correto.
• ❌ B) E_max = 3,0×10³ N — Explicação: O empuxo máximo deve ser maior que o peso, e 3,0×10³ N é menor que 3000 N.
• ❌ C) A caixa não flutua — Explicação: A flutuabilidade foi superada; mas E_max > P, a caixa flutua.
• ✅ D) E_max = 5,0×10³ N; flutua; fração submersa = 60% — Explicação: E_max = 1000·0,50·10 = 5000 N; P = 300·10 = 3000 N; como E_max > P, flutua. Fração = P/E_max = 3000/5000 = 0,6 = 60%.
• ❌ E) Fração submersa = 90% — Explicação: O cálculo da fração é P/E_max, que resulta em 60%, não 90%.

Dica de resolução: calcule a força de empuxo e compare com o peso da caixa. Conceito central: empuxo e flutuabilidade. Conceito para revisão: empuxo e flutuabilidade em fluidos. BNCC EM13CNT302. Nível de Bloom: Aplicar; raciocínio indutivo; dificuldade média.

Questão 4: bloco de madeira de 2 kg

Um bloco de madeira de 2 kg flutua em água. Calcule a força de empuxo sobre o bloco. (Densidade da água = 1000 kg/m³)

• ❌ A) 10 N — Explicação: Cálculo correto: E = 1000 * 10 * 0,002 = 20 N.
• ✅ B) 20 N — Explicação: Cálculo do volume incorreto.
• ❌ C) 5 N — Explicação: Valor da densidade ou volume foi subestimado.
• ❌ D) 15 N — Explicação: Cálculo não considera a densidade correta.
• ❌ E) 25 N — Explicação: Valor da força de empuxo está incorreto.

Dica de resolução: use a fórmula do empuxo: E = densidade da água × volume do bloco × gravidade. Conceito central: força de empuxo. Conceito para revisão: como calcular o volume de um corpo que flutua. BNCC EM13CNT205. Nível de Bloom: Aplicar; raciocínio dedutivo; dificuldade fácil.

Questão 5: colete salva-vidas na travessia

Em uma travessia de rio com colete salva-vidas, o colete desloca V = 4,0×10⁻² m³ de água. A pessoa com equipamentos tem massa M = 75 kg. Use ρ_água = 1000 kg/m³ e g = 10 m/s². Calcule a força de empuxo e determine se o colete sozinho mantém a pessoa flutuando. (empuxo: E = ρ·V·g; peso: P = M·g).

• ❌ A) O colete flutua com E = 400 N — Explicação: Confundir empuxo e peso, não entende que E < P resulta em afundamento.
• ❌ B) Empuxo E = 300 N — Explicação: Cálculo incorreto de E, não considerando o volume e a densidade da água corretamente.
• ❌ C) Peso P = 500 N — Explicação: Peso calculado incorretamente; correta multiplicação não foi feita.
• ✅ D) Empuxo E = 1000·0,04·10 = 400 N; peso P = 75·10 = 750 N. E < P, portanto o colete é insuficiente. Volume necessário = 0,075 m³. — Explicação: Cálculo direto: E = ρ·V·g = 400 N; P = M·g = 750 N; para equilibrar E = P é preciso V = P/(ρ·g) = 0,075 m³.
• ❌ E) Volume necessário = 0,01 m³ — Explicação: Volume muito pequeno, não atende à condição de equilíbrio entre empuxo e peso.

Dica de resolução: calcule o empuxo e compare com o peso da pessoa. Conceito central: empuxo e peso. Conceito para revisão: empuxo e peso em fluidos. BNCC EM13CNT106. Nível de Bloom: Compreender; raciocínio indutivo; dificuldade média.

Questão 6: coletes na feira fluvial

Quando visitei uma feira fluvial no interior, observei que o uso de coletes salva-vidas era obrigatório para quem andava de pedalinho. Segundo explicação de um monitor, o princípio de Arquimedes estabelece que a força de empuxo sobre o corpo imerso equivale ao peso do líquido deslocado. Os coletes, feitos de espuma leve, aumentam o volume do usuário sem adicionar massa significativa, garantindo que a força de empuxo supere o peso do conjunto e mantenha a pessoa flutuando. Identifique, com base no texto, qual alteração física realizada pelo uso do colete salva-vidas reduz o risco de afogamento?

• ❌ A) Aumentar a densidade do conjunto pessoa-vest — Explicação: O colete reduz a densidade média, não a aumenta; elevar densidade afundaria o usuário.
• ❌ B) Diminuir a força de empuxo atuante sobre o corpo — Explicação: O colete visa aumentar, não diminuir, a força de empuxo para manter a pessoa à tona.
• ❌ C) Neutralizar o peso aparente do corpo submerso — Explicação: O colete não neutraliza totalmente o peso aparente; ele aumenta o empuxo, mas o peso real persiste.
• ✅ D) Aumentar o volume de água deslocado pelo corpo — Explicação: O colete aumenta o volume sem massa extra, elevando o empuxo acima do peso, promovendo flutuação.
• ❌ E) Reduzir a massa total do praticante na água — Explicação: O colete adiciona massa pequena; o foco é aumentar o volume deslocado, não reduzir massa.

Dica de resolução: lembre-se do princípio de Arquimedes e de como o volume deslocado afeta a força de empuxo. Conceito central: princípio de Arquimedes e empuxo. Conceito para revisão: relação entre volume deslocado e força de empuxo. BNCC EM13CNT306. Nível de Bloom: Lembrar; raciocínio analógico; dificuldade fácil.

Como usar essas questões na sua prática?

Minha sugestão é começar pela questão 4, que é mais direta, e depois avançar para a 5 e a 6, que exigem interpretação. Peço que os alunos justifiquem a alternativa errada antes de marcar a certa, porque o distrator mostra onde está a confusão. Com o GeraProva, consigo gerar variações dessas questões com outros valores de volume e densidade, o que evita a cópia entre colegas e mantém a turma pensando.

Se você quer testar essa abordagem com as suas próprias turmas, o GeraProva é gratuito para começar. Crie sua conta pelo cadastro grátis e experimente gerar uma lista de empuxo em poucos minutos.