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Professor Wendell
Ensino Remoto
4º Bimestre
Parte 2 1ª Série
2020
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Semana 1 - 27/11/2020
Transformações de energia mecânica
ORIENTAÇÕES
O seu trabalho dessa semana será ler esse material e, se possível, assistir as videoaulas sugeridas. Não esqueça de utilizar o seu caderno para elaborar um resumo dos principais conceitos, já que na próxima semana faremos uma atividade (questões) sobre esse conteúdo.
Qualquer dúvida, você pode entrar em contato comigo por
Instagram (@Uoendell), e-mails
(wendell.carneiro1@professor.pb.gov.br ; uoendell@gmail.com) e WhatsApp (http://abre.ai/wendellzap).
Um abraço e bons estudos!
Paz, Amor e Física.
VIDEOAULAS DA SEMANA:
Energia Mecânica e sua conservação
https://www.youtube.com/watch?v=Xs2-gA6i_pg
https://www.youtube.com/watch?v=cyRn0Hla-TM
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Energia Mecânica
Sistemas conservativos
Você já reparou que, em uma montanha-russa, a altura em que o carrinho inicia a primeira descida é a maior dentre todas e que, portanto, ele não atinge essa altura em nenhuma outra ocasião?
Para entender por que isso ocorre, vamos supor que alguém descobriu como eliminar totalmente o atrito que sempre acompanha o movimento e que resolva aplicar sua descoberta à construção de uma montanha-russa. Logo, a pessoa percebe que, ao contrário do que ocorre na realidade, a altura inicial do carrinho pode ser alcançada infinitas vezes. Por que isso é possível?
O que muda com a ausência do atrito?
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Acompanhemos o movimento do carrinho na montanha-russa idealizada. Quando ele está no topo da rampa, pronto para iniciar o percurso, encontra-se a uma determinada altura em relação ao solo e tem, portanto, certa quantidade de energia potencial gravitacional. Ao dar início ao movimento, o carrinho começa a descer a rampa, perdendo altura e ganhando velocidade. Em outras palavras, sua energia potencial gravitacional diminui, enquanto sua energia cinética aumenta.
No ponto mais baixo da rampa, rente ao chão, sua energia potencial gravitacional será nula, enquanto sua energia cinética será máxima.
Numa montanha-russa ideal, em qualquer posição que o carrinho esteja, a soma das suas energias cinética e potencial terá sempre o mesmo valor. Essa soma é chamada de energia mecânica e a representamos por EM. Sistemas em que a energia mecânica total se mantém constante são chamados sistemas conservativos.
EM = Ec + Ep
Em um sistema conservativo, EM = constante
É por isso que o carrinho, em uma montanha-russa sem atrito, pode voltar a atingir o ponto mais alto infinitas vezes. A energia mecânica que ele possui no início é a mesma da chegada. Numa montanha-russa idealizada, os passageiros embarcariam numa viagem sem fim, subindo e descendo rampas indefinidamente, nada havendo para deter o carrinho que, naturalmente, não pararia jamais.
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Outro exemplo que podemos utilizar, é o caso de uma esfera, solta de uma altura h, em queda livre (sem a resistência do ar), como representa a figura a seguir. Estão desenhadas cinco posições da esfera, nas quais representamos com retângulos os valores da energia cinética (Ec) e da energia potencial gravitacional (Epg) em cada ponto. Observe que, no ponto mais alto, a esfera apresenta apenas energia potencial gravitacional. À medida que a esfera cai, o valor da Epg diminui;
a essa diminuição da energia potencial gravitacional corresponde um aumento da energia cinética da esfera. Quando a esfera chegar ao solo (h = 0), toda sua energia potencial gravitacional terá sido convertida em energia cinética.
Podemos pensar de forma oposta, isto é, quando o corpo (a bolinha) sobe na ausência de resistência do ar. Quando o corpo sobe, diminui sua velocidade e sua energia cinética; porém o corpo ganha altura e, portanto, aumenta sua energia potencial (B). Na altura máxima, o corpo tem somente energia potencial, pois sua velocidade é nula (C). Durante a queda, o corpo perde energia potencial, pois perde altura, mas adquire energia cinética (D). Ao retornar ao ponto de lançamento, o corpo recupera sua energia cinética inicial (E). Observe que a energia mecânica, que é a soma da energia potencial com a energia cinética, permanece constante.
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Uma outra situação que podemos analisar, é uma esfera presa a uma mola e apoiada numa superfície horizontal sem atrito e sem a resistência do ar.
A esfera é tirada da posição de equilíbrio (A) pela ação de F e abandonada depois que a mola sofre uma deformação x (B). Nessa posição, o sistema tem energia potencial elástica.
Abandonado (C), o sistema perde energia potencial (a deformação é menor), mas ganha energia cinética, pois tem velocidade. Na posição central O (D), toda a energia do sistema é cinética, pois a mola não está nem alongada nem comprimida. A esfera vai até o outro extremo (E), comprimindo a mola: o sistema tem apenas energia potencial e o processo se repete. O sistema descrito constitui um oscilador harmônico. Desprezadas as forças dissipativas, a energia mecânica permanece constante.
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Sistemas dissipativos
Vamos voltar para a viagem no carrinho da montanha-russa, mas consideremos agora uma situação real, ou seja, sem desprezar o atrito. A força de atrito, durante todo o percurso, realizará um trabalho resistente, retirando energia mecânica do sistema e transformando-a, por exemplo, em energia térmica. Nesse caso, ao completar seu movimento de descida da primeira rampa, a energia potencial gravitacional não terá sido inteiramente transformada em energia cinética. Ainda que a troca entre as energias potencial e cinética se verifique continuamente, a soma não permanece constante.
A energia mecânica associada ao carrinho torna-se cada vez menor. Em consequência disto, o carrinho não terá energia mecânica suficiente para subir uma rampa de altura igual àquela da qual partiu. Um sistema no qual a energia mecânica não se conserva é chamado de sistema dissipativo. A quantidade de energia mecânica dissipada corresponde ao trabalho das forças de resistência sobre o sistema.
Em um sistema dissipativo, a energia mecânica EM não é constante
Nos parques de diversão mais modernos, embora as rodas do carrinho reduzam grande parte do efeito do atrito, não chegam a eliminá-lo. É por isso que se houver loops durante o trajeto, eles geralmente estarão próximos da primeira descida, ou seja, quando o carrinho ainda possui grande parte da energia mecânica inicial. Isso se deve ao fato de que o carrinho não pode parar no ponto mais alto do loop, ou seja, a energia cinética nessa posição não pode ser nula, pois nesse caso os viajantes cairiam sobre os trilhos. Sendo assim, é preciso haver energia suficiente para garantir a emoção que será tanto maior quanto mais alto for o loop.
Conservação da energia
As trocas de energia em nosso cotidiano ocorrem quase que totalmente em sistemas dissipativos. Isso explica por que uma bola de tênis ou pingue-pongue nunca retorna à altura da qual foi abandonada, quicando até parar. A energia mecânica se dissipa continuamente, transformando-se, sobretudo, em energia térmica. A energia cinética de um pêndulo em movimento também sofre transformações enquanto ele vai parando de oscilar. O mesmo ocorre com a energia elétrica gerada a partir da energia potencial gravitacional da água em queda. A energia mecânica, nesses exemplos, vai sendo convertida em outras formas de energia, todavia conservando-se a quantidade da energia total. Isso quer dizer que não há ganho ou perda da energia total em um sistema fechado; o que ocorre é uma conversão de uma forma em outra. Quando a energia de um sistema diminui, há um aumento igual de energia em outro sistema. Essa constatação pode ser generalizada em uma lei física denominada lei da conservação da energia, cujo enunciado é o seguinte:
A energia não pode ser criada ou destruída, pode apenas ser transformada de uma forma para outra, com sua quantidade total permanecendo constante.
Apesar de a lei da conservação da energia nos garantir que não há como perder energia, há uma irreversibilidade em algumas transformações que inviabiliza seu aproveitamento após a conversão. Por exemplo, no caso do carrinho da montanha- -russa, a energia potencial inicial não se transforma apenas em energia cinética do próprio carrinho, mas também na energia cinética de seus átomos e moléculas, pois há aquecimento nas rodas ao atritar com os trilhos. Além disso, ao se mover, o carrinho transfere energia à estrutura da montanha-russa e ao ar, que também se aquecem, vibram e emitem ruído, ou seja, manifestam-se na forma de calor e de energia sonora.
As energias resultantes do calor desprendido, da vibração do ar, dos trilhos, do carrinho, não são mais aproveitáveis. Não há como, depois de transferida para o ambiente, reaproveitá-las para nova realização de trabalho mecânico.
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Outras formas de energia
A energia mecânica transforma-se passando de potencial a cinética, ou vice-versa, permanecendo constante nos sistemas conservativos. Se atuarem forças dissipativas, haverá energia dissipada correspondente ao trabalho realizado por essas forças.
No arrastamento de um corpo numa superfície, com atrito, a energia dissipada é transferida às suas moléculas e átomos, que sofrem um aumento de energia cinética. Essa energia cinética interna é chamada energia térmica.
A energia térmica transferida de um corpo a outro é chamada calor. Assim, o calor é energia térmica em trânsito. O calor é frequentemente medido em caloria (símbolo: cal), unidade de energia que se relaciona com o joule da seguinte maneira:
1 cal = 4,1868 J
A energia pode se manifestar de muitas outras maneiras. Além da mecânica e da térmica, temos a energia luminosa, que se propaga sob a forma de ondas eletromagnéticas; a energia química, armazenada nas substâncias e liberada nas reações químicas; a energia elétrica, associada a cargas elétricas; a energia nuclear, relacionada à disposição das partículas no interior do núcleo atômico; etc. Nos exemplos das seções anteriores analisamos a conservação da energia mecânica. Conhecendo agora outras formas de energia, enunciamos:
A energia não pode ser criada ou destruída, mas unicamente transformada. O aparecimento de certa forma de energia é sempre acompanhado do desaparecimento de outra forma de energia
em igual quantidade.
Além da energia, há outras grandezas que se conservam, em Física, como a quantidade de movimento e a carga elétrica. Os princípios da conservação são importantes e úteis nas análises dos mais diversos fenômenos. Por enquanto, você utilizou apenas a conservação da energia mecânica, pois só estudou esse tipo de energia. O quadro seguinte indica uma série de transformações energéticas — algumas espontâneas, que ocorrem na Natureza, e outras induzidas pelo ser humano, para seu proveito.
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Atenção: Não confunda o princípio da conservação da energia mecânica (específico e válido para uma quantidade limitada de sistemas) com o princípio geral da conservação da energia. A energia (não a energia mecânica) sempre se conserva. Partimos sempre do princípio de que, em um sistema físico fechado, podemos admitir transferência de energia entre corpos distintos, bem como conversão de energia em diferentes tipos – mas a quantidade total de energia sempre permanece constante.
MAPA MENTAL
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