energia química, nuclear ou radiante. Os "usos finais" da energia — a maneira como ve-
mos a energia sendo utilizada — incluem luz, calor, movimento, eletricidade e algumas
reações químicas. A Tabela 2.1 resume as formas, fontes e usos finais da energia.
Tabela 2.1 FORMAS DE ENERGIA
Cap. 2 Mecânica da Energia 33
A transformação da energia das fontes primárias em usos finais ocorre geralmente por meio de um ou mais processos de conversão de energia. A energia elétrica não é uma fonte pri- mária, mas o resultado de um processo de conversão iniciado com fontes de energia quími- cas, nucleares ou solares. Por exemplo, a energia química contida no óleo combustível é convertida em outras formas (térmica, elétrica e/ou mecânica), a partir da combustão. A energia térmica liberada ao se queimar óleo combustível em uma caldeira transforma a água em vapor, que movimenta uma turbina conectada a um gerador para produzir ener- gia elétrica.
Outro exemplo de conversão de energia ocorre em uma célula solar. A luz solar que incide sobre uma célula solar (Figura. 2 . 1 ) produz eletricidade, que por sua vez pode ser utilizada para movimentar um motor elétrico. A energia é convertida da fonte primária solar em energia elétrica e depois em energia mecânica.
Na Tabela 2 . 2 estão listados vários dispositivos, para ilustrar conversões de uma forma de energia em outra. Por exemplo, uma torradeira ilustra a conversão de energia elétrica em energia térmica; uma bateria converte energia química em energia elétrica. A energia mecâ- nica de um carro (a parte cinética) é convertida em calor quando os freios são utilizados.
Vamos discutir mais detalhadamente os dois tipos de energia mecânica (EM). A ener-
gia cinética é a energia associada ao movimento de um corpo. Exemplos de corpos com
energia cinética (EC) incluem uma correnteza de água em movimento, um inseto voando
através do ar, um volante girando e o vento. Água corrente tem energia cinética em função de seu movimento; a energia pode ser convertida em trabalho útil quando a água se choca com as pás de uma roda d'água (Figura 2 . 2 ) . A medida que o ar interage com as lâminas de uma turbina de vento, o eixo é movimentado. A energia cinética do vento é convertida em energia cinética do eixo e depois em energia elétrica por meio de um gerador.
T a b e l a 2.2 CONVERSÕES DE ENERGIA Para Química Para Elétrica Para Calor Luz Para Mecânica De Química fábricas de alimentos bateria célula a combustível fogo alimentos vela fosforescência foguete músculo animal De Elétrica bateria eletrólise eletrodeposição transistor transformador torradeira lâmpada térmica vela de carro lâmpada fluorescente diodo emissor de luz motor elétrico relê De Calor gaseificação vaporização
termopar bomba de calor trocador de calor fogo turbina motor a gasolina motor a vapor De Luz fotossíntese filme fotográfico
célula solar lâmpada térmica irradiador solar
laser abridor de portas
fotoelétrico
De
Mecânica célula de calor (cristalização)
gerador alternador
freio de fricção faísca de pedra
volante pêndulo roda d'água
FIGURA 2.1
Ilustração das conversões entre diferentes formas de energia. Aqui, a energia da luz solar é convertida por uma célula solar em energia elétrica, que é utilizada para movimentar um moto
A outra forma de energia mecânica é associada à posição relativa de um corpo: é energia armazenada. A água no topo de uma represa possui energia potencial (EP) gra- vitacional devido à sua posição em relação à água no fundo da represa. A quantidade d energia potencial gravitacional dependerá da quantidade de água e da altura da água atrás da parede da represa. Existe também energia potencial associada a uma mola com- primida. A energia potencial de um corpo ligado à mola é proporcional ao deslocamento da mola a partir de sua posição de equilíbrio (não-comprimida) (Figura 2.3). Você pos- sivelmente ainda se lembra dos brinquedos de corda do seu tempo de criança; a energia potencial armazenada na mola podia ser liberada para as rodas do brinquedo, fornecendo lhe energia cinética.
FIGURA 2.2
Dois exemplos ilustrando a conversão de energia cinética (EC) da água ou ar em movimento de uma roda d'água ou uma lâmina, que podem ser utilizadas para moer grãos ou gerar eletricidade, respectivamente, (a) Uma roda d'água semi-submersa. (b) Um gerador eólico de eixo horizontal e três lâminas.
ATIVIDADE 2.1
Forneça outros exemplos de dispositivos que ilustram os processo de conversão de energia encontrados na Tabela 2.2. Esta atividade é melhor realizada em pe- quenos grupos.
Cap. 2 Mecânica da Energia 35
FIGURA 2.3
Exemplos de energia potencial. (a) A energia potencial gravitacional da água no reservatório atrás da represa é igual ao peso da água multiplicado pela sua altura acima da turbina. (b) A energia potencial da mola comprimida é proporcional ao quadrado do deslocamento X da mola em relação à sua posição de equilíbrio.
C. Movimento
Antes de partirmos para uma definição mais rigorosa de "energia", e de forma a consi- derar o assunto energia sob a perspectiva da física, você deve estar familiarizado com o conceito de movimento e suas causas. Nesta seção isto será discutido brevemente. Estes tópicos serão cobertos mais detalhadamente ao final do capítulo, no Tópico Especial "As Leis do Movimento de Newton".
Um dos termos mais básicos na descrição do movimento é a rapidez ou velocidade.2 A rapidez ou velocidade de um corpo é igual à distância por ele percorrida dividido pelo tempo que ele levou para percorrê-la. As unidades de velocidade normalmente utilizadas são metros por segundo (m/s), quilômetros por hora (km/h), pés por segundo (ft/s) e mi- lhas por hora (mph). A velocidade fornece informação adicional sobre o movimento: sua
direção; nossa velocidade ao andar apressadamente pelo campo pode ser de um metro por segundo em direção nordeste.
No nosso cotidiano, é mais comum observarmos corpos aumentando ou dimi- nuindo a sua rapidez, do que observar seu movimento com rapidez constante. Tais cor- pos estão acelerando; aceleração é a variação da velocidade dividida pelo tempo
transcorrido durante tal variação. Se a velocidade do corpo muda a uma taxa constante, tal como aconteceria com uma moeda que cai da sua mesa, sua aceleração é constante. A unidade do Sistema Internacional (SI) para aceleração é m / s2
, pronunciada metros por segundo por segundo.
O que causa a mudança na velocidade de um corpo é uma força, mais especificamente
uma força líquida (ou não-equilibrada). Uma força pode ser definida como a interação de
um corpo com outros corpos em seu ambiente, e normalmente assume a forma de um em- purrão ou puxão. A força líquida é a soma (vetorial) de todas as forças que atuam sobre o corpo. A Segunda Lei do Movimento de Newton expressa a relação matemática entre força
2 N.T.: Em inglês, há distinção entre os termos speed e velocity. Neste, a direção do movimento está incluída. Em português, geralmente utilizamos a palavra velocidade para designar tanto o movimento isolado como o movimento em determinada direção. Esta questão é abordada mais detalhadamente no Tópico Especial "As leis do Movimento de Newton", ao final deste capítulo.
líquida e aceleração. Ela afirma que a aceleração de um corpo é diretamente proporcional à força líquida que atua sobre ele e inversamente proporcional à massa m do corpo:
A unidade SI de força é o Newton (N). Um corpo com uma massa de 1 quilograma (kg> será acelerado em 1 m / s2 quando se aplica uma força de 1 N. No sistema inglês de medi-
das, a unidade de força é a libra (lb). Uma libra é aproximadamente igual a 4 N.
E X E M P L O
Um meteoro de 6 kg está se movendo no espaço. Se uma força de 3 N for aplicada sobre ele, qual será sua aceleração?
S o l u ç ã o
A segunda lei de Newton nos diz que
FIGURA 2.4
0 atrito aparece em praticamente todas as situações no mundo real Para acelerar um corpo, a força do empurrão deve 5 exceder a força de atrito. 1
A acelaração somente ocorre se houver ação de uma força líquida sobre o corpo, ou seja, se a soma de todas as forças que atuam sobre o corpo for diferente de zero. Uma das forças mais comuns da natureza é a força de atrito, que sempre atua no sentido oposto ao do movimento (Figura 2.4). Se um carrinho for empurrado ao longo do terreno a uma ve-
locidade constante, a força líquida sobre o carrinho deve ser zero (Figura 2.5). Se sua força
empurrando o carrinho é de, digamos, 100 N, esta força é equilibrada ou oposta por uma
força de atrito de 100 N, de modo que a força líquida é zero. (Note que uma velocidade constante implica que a aceleração é zero.)
FIGURA 2.5
Empurrar um carrinho a uma velocidade constante significa que a força líquida sobre ele (a força da pessoa menos a força de atrito nos pneus menos a força da gravidade ladeira abaixo) deve ser zero. A j aceleração é zero. (P. H I N R I C H S )
Cap. 2 Mecânica da Energia 37 Como exemplo das leis de movimento de Newton, considere o seguinte: um dos pro- blemas ambientais associados à queima de combustíveis fósseis é a emissão de particula- dos (partículas de cinza minúsculas). Sabe-se que estas partículas (cujo tamanho varia entre um milionésimo e cem bilionésimos de metro) são capazes de viajar por centenas de quilômetros antes de caírem ao solo, dependendo da velocidade do vento. Esta mobili- dade é um problema por causa do efeito que estas partículas terão sobre a saúde das pes- soas que as inalarem. Seu movimento é possível se a velocidade vertical da partícula for zero, ou próxima de zero, e assim há muito pouca aceleração em direção ao solo. A força
da gravidade que atua para baixo na partícula é balanceada pela força ascendente de flu- tuação do ar e pela resistência do ar; desta forma, as partículas podem derivar ao vento por grandes distâncias.
A segunda lei de Newton diz que a aceleração de um corpo depende tanto da força atuando sobre ele como de sua massa. Por exemplo, se motores idênticos fossem colocados em um Cadillac e em um Dodge Neon3, a aceleração do Neon seria maior que a do Cadillac,
pois a massa do Neon é muito menor, embora a força que atua sobre ambos seja a mesma.
ATIVIDADE 2.2
Você pode estudar forças e a segunda lei de Newton com a seguinte atividade: (a) Prenda um elástico a uma caixa de sapatos ou um pote de isopor ou
uma fôrma de alumínio de modo que ela possa ser puxada sobre uma mesa. Meça o quanto o elástico se estira (comprimento final menos comprimento inicial) para movimentar a caixa contendo um peso de 1 lb. Faça esta medida com a caixa em movimento, não logo que ela começa a se mover. (Por que se deve manter a velocidade constante?) Coloque mais pesos dentro da caixa e repita o experimento. Proponha uma relação entre o estiramento do elástico e o peso da caixa.
(b) Coloque alguns lápis ou varetas cilíndricas sob a caixa e repita o experimento. Compare os resultados com os da parte (a).
3 N.T.: A idéia do autor é comparar um carro grande e pesado (Cadillac) com um carro médio (Neon). No Brasil, um exemplo equivalente seria um Vectra e um Corsa.
Q u a d r o 2.1