Aulas 13 e 14 de Física Chocolate, energia que alimenta As formas

Aulas 13 e 14 de Física
13) Chocolate, energia que alimenta
As formas de energia
Imaginemos algumas coisas e situações bem diferentes: uma barra de chocolate, uma pilha, um
litro de álcool, uma rocha à beira de um penhasco e uma ensolarada praia do Nordeste com dunas de areia
modeladas pelo vento. O que esses objetos ou lugares têm em comum? Eles podem produzir algum efeito,
realizar algum trabalho. Ilustram fontes ou formas de energia.
Sempre que alguma coisa pode realizar um trabalho, direta ou indiretamente, por meio de
alguma transformação, é porque essa “alguma coisa” tem uma forma de energia. Todas as formas de
energia podem ser resumidas em duas: potencial e cinética e todas as transformações de energia são,
essencialmente, transformações de energia cinética em potencial e vice-versa.
Energia potencial
Toda energia que se deve à posição de um corpo é do tipo potencial. É interessante notar que a
energia potencial, como a própria palavra indica, é uma energia que pode vir a ser usada, mas, se não for,
não se perderá. Por isso costuma-se dizer que energia potencial é uma energia armazenada no corpo.
Isso não ocorre com a outra forma de energia, a energia cinética.
Por exemplo, uma rocha no alto de um penhasco pode cair, devido a ação da gravidade. Neste
caso, essa energia é uma energia potencial gravitacional.
Energia cinética
O ar parado não realiza trabalho, mas o ar em movimento - o vento - é uma fonte de energia. Foi
a energia dos ventos que trouxe as caravelas dos descobridores para o Novo Mundo, há quinhentos anos.
As águas paradas de um lago tranquilo também não realizam trabalho, ao contrário da correnteza de um
rio ou o vaivém das águas do mar.
Mas não só a água e o ar têm energia quando em movimento. Todo corpo em movimento tem
energia, uma energia cinética.
No entanto, diferentemente da energia potencial, a energia cinética não fica “armazenada” no
corpo, ela só pode ser aproveitada, diretamente, enquanto ele se move.
Como vimos no estudo da Cinemática, o movimento é um conceito relativo, pois um corpo pode
estar em movimento em relação a alguma coisa e parado em relação a outra. O mesmo vale para a energia
cinética.
Voltemos à rocha no alto do penhasco. Ela está parada; logo, não tem energia. Se ela se
desprender e cair, enquanto a altura de queda diminui, sua velocidade aumenta. À medida que a altura vai
diminuindo, diminui a energia potencial gravitacional, porque o trabalho que essa rocha pode fazer
depende da altura de queda. Se ela estiver no chão, não haverá mais trabalho a realizar, a energia
potencial gravitacional da rocha é nula. Por outro lado, como a velocidade da rocha vai aumentando, a sua
energia cinética, que lá em cima nem existia, também vai aumentando.
Conservação da energia
Há, portanto, uma compensação: enquanto energia potencial gravitacional da rocha diminui,
sua energia cinética aumenta.
O mais importante é que, segundo a Física, a energia total em jogo nesse processo não se perde,
apenas se transforma. Essa é uma consequência de um dos seus princípios fundamentais, o
Princípio
da conservação de energia.
A ideia de que a energia sempre se conserva pode nos dar uma falsa impressão: se nada se perde,
não há por que nos preocuparmos com a preservação da energia. Essa é uma conclusão errada, porque
nem toda forma de energia pode ser aproveitada pelo homem. O que restou do movimento da rocha, por
exemplo, foi um enorme ruído e um ligeiro acréscimo na temperatura da rocha e em tudo que foi atingido
por ela durante a queda. Em pouco tempo, tudo isso acabou por se transferir ao ambiente. A energia total
não se perdeu, é verdade, mas não é mais possível aproveitá-la. Para a natureza, nada se alterou, para nós,
seres humanos, há agora menos energia disponível.
14) O trabalho cansa?
Se energia é a capacidade de realizar trabalho, mede-se a energia de um corpo pelo trabalho
que ele realiza. Mas o que é trabalho? Como se mede o trabalho realizado por um corpo?
Conceito de trabalho
Para a Física, sem força não há trabalho. Mas só a existência de força ainda não basta; é
preciso que ela produza ou atue ao longo de um deslocamento. O trabalho poderá então ser medido
pelo produto da força pelo deslocamento:
Mas por que essa relação? Por que produto e não soma, por exemplo? Porque são grandezas
que se compensam, ou seja, se aumentamos uma podemos diminuir a outra, na mesma proporção.
ρρ
Na alavanca, uma força menor (f) pode mover um peso maior (P) porque o deslocamento
(d) da força menor é maior que o deslocamento (D) do peso. O mesmo ocorre no plano inclinado. É
possível elevar por uma altura (D) o caixote de peso (P) fazendo uma força (f ) menor que (P)
porque, por intermédio do plano inclinado, a força (f ) atua ao longo de um deslocamento (d) maior
que (D). Em ambos os casos é válida a relação:
Trabalho de uma força constante
Mas, além do produto força pelo deslocamento, aparece a grandeza trigonométrica cos α
(cosseno de α, ângulo entre a força e o deslocamento). A definição do trabalho de uma força F, que
representamos por τF é, portanto,
Exercício: No esquema da figura abaixo, supondo que todas as forças são iguais com valor
de 100 N e deslocamento (d) de 5m, determine o trabalho de cada força.
Trabalho e energia cinética
Agora que já sabemos calcular o trabalho de uma força constante, é possível encontrar uma
expressão matemática para a energia cinética. O raciocínio é simples. Suponha que um corpo está em
repouso sobre um plano horizontal sem atrito.
Como ele está em repouso, não tem energia cinética. Sobre esse corpo passa a atuar uma força
constante 𝐹⃗ , paralela ao plano, que o desloca na mesma direção e senti do da força. Depois de um
deslocamento d, esse corpo está com uma determinada velocidade v. Adquire, portanto, uma energia
cinética, EC . Como só essa força realiza trabalho, essa energia cinética é fruto do trabalho dessa força (há
mais duas forças atuando sobre o corpo, o peso e a reação do plano, mas são perpendiculares ao
deslocamento e, portanto, não realizam trabalho). Pode-se, então, determinar a energia cinética desse
corpo, pelo trabalho realizado por essa força, ou seja:
De modo geral, define-se a energia cinética de um corpo de massa m com velocidade v como:
Como a energia cinética é igual ao trabalho realizado pela força, a sua unidade de medida deve
ser a mesma unidade de trabalho.
Vamos supor que o corpo não esteja inicialmente em repouso, ou seja, v0 ≠ 0. Isso significa que,
quando a força F foi aplicada, o corpo já tinha uma energia cinética inicial, Einicial. Para saber o trabalho
dessa força ao final do deslocamento d, devemos descontar a energia cinética final, E C, dessa energia
cinética inicial, Einicial. Nesse caso, o trabalho da força F é igual ao que o corpo ganha a mais de energia
cinética, o que pode ser calculado pela variação da energia cinética que ele sofre, ou seja:
Representado por ∆EC , que significa variação da energia cinética, a diferença ECfinal - ECinicial,
temos:
Exercício 1: Um automóvel com massa de 1.200 kg tem velocidade de 144 km/h quando
desacelerado e, depois de percorrer um certo trecho, está com velocidade de 36 km/h. Determine:
a) a sua energia cinética inicial (ECinicial);
b) a sua energia cinética final (ECfinal);
c) o trabalho realizado sobre o automóvel;
d) se o automóvel percorreu 100 m nesse trecho, qual a intensidade da força resultante que
atua sobre ele?
Exercício 2: Uma bala com 50 g de massa atinge uma parede a uma velocidade de 400 m/s e
nela penetra, horizontalmente, 10 cm. Determine o valor médio da força de resistência exercida pela
parede, para frear a bala.
Potência
Devemos apresentar uma nova grandeza física muito importante nos dias de hoje, pois relaciona
o trabalho (τ), realizado por uma máquina, com o intervalo de tempo (∆t) gasto em realizá-lo: a potência
(P). Essa grandeza é definida pela expressão:
P=
𝜏
∆t
A unidade de potência no SI é o watt (W).
Como a potência é uma das grandezas físicas mais utilizadas na nossa vida, é comum encontra-la
expressa em múltiplos, submúltiplos ou unidades práticas. Veja algumas relações:
Podemos ainda expressar a potência como
Exercício 3: Suponha que um automóvel de massa 1.000 kg desenvolve uma potência de 60 cv,
quando percorre uma trajetória retilínea com velocidade constante. Se a intensidade da resistência do ar
que atua sobre o automóvel é de 1.471 N, qual a sua velocidade?
Rendimento
Sabemos que há carros que consomem menos combustível do que outros, ou que até o mesmo
carro, quando regulado, pode consumir menos. Da mesma forma, uma lâmpada fluorescente ilumina mais
que uma lâmpada comum, de mesma potência. Isso vale também para o organismo humano. Há pessoas
que engordam, mesmo comendo pouco, e outras que comem muito e não engordam. Em outras palavras,
há máquinas que aproveitam melhor o combustível que consomem. Dizemos que essas máquinas têm um
rendimento maior. Define-se o rendimento (r) de uma máquina pela razão entre a potência útil (PU), que
ela fornece e a potência total, (Pt), que ela consome, ou seja: