Grandezas físicas – Noções e conceitos
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CNF Física _________________________________________________________________________________________________________________________ GRANDEZAS FÍSICAS *MÓDULO 1* Conheça as sete ordens de grandezas básicas do Sistema Internacional de Unidades (SI) Grandezas físicas – Noções e conceitos GRANDEZA comprimento massa tempo corrente elétrica temperatura termodinâmica quantidade de matéria intensidade luminosa Em busca de padronizações e medidas Para entendermos e nos situarmos no mundo em que vivemos, é essencial que possamos mensurar uma infinidade de coisas no nosso dia a dia. A distância entre sua casa e a escola, a quantidade de carne comprada no açougue, o tempo que falta para terminar uma partida de futebol, o volume de chuva que caiu num determinado UNIDADE metro quilograma segundo ampère kelvin mol candela SÍMBOLO m kg s A K mol cd ... e algumas outras derivadas delas dia etc. É para nos ajudar nessas tarefas que servem as grandezas físicas, que podem ser divididas em dois significa compará-la com outra grandeza de mesma GRANDEZA área volume força velocidade espécie tomada como padrão. Esse padrão é o que aceleração grupos: escalares ou vetoriais. Medir uma grandeza física escalar, por exemplo, chamamos de unidade de medida. A expressão dessa energia potência medida é sempre dada por duas partes: o valor numérico e a unidade-padrão. Para as grandezas vetoriais, deve- UNIDADE metro quadrado metro cúbico newton metro por segundo metro por segundo ao quadrado joule watt SÍMBOLO m2 m3 N m/s m/s2 J W -se atentar ainda para a direção e o sentido. Quer um MUNDO DE EXTREMOS exemplo? Se alguém lhe contar que um casal de Veja abaixo alguns prefixos de múltiplos e submúltiplos das unidades do SI com suas abreviações pássaros precisou voar 50 até chegar ao ninho, você não PREFIXO tera giga mega kilo hecto deca deci centi mili micro nano pico vai entender o que ele disse. Faltou especificar a unidade: foram 50 metros ou 50 quilômetros? Comprimento, tempo, massa, velocidade, aceleração, energia, trabalho e potência são algumas das principais grandezas físicas existentes. Na década de 1960, a Organização Internacional de Normalização (ISO) criou um sistema baseado em sete grandezas de base — ou grandezas básicas — e denominou-o de Sistema Internacional de Unidades (SI), adotado por quase todos os países. Não é exagero dizer que, sem um referencial como esse, as ciências perderiam sentido. As grandezas básicas, por sua vez, deram origem a todas as demais Grandezas físicas: para a Física, coisas que podem ser medidas e padronizadas constituem grandezas. A medida de uma grandeza física é dada pelo número de vezes que a unidade-padrão, tomada como referência, está na grandeza a ser medida. Sistema Internacional de Unidades (SI) é um conjunto de unidades que servem para medir e comparar as espécies de grandeza. Foi instituído nos anos 1960, em substituição ao sistema métrico decimal, e é composto de sete grandezas: comprimento, massa, tempo, intensidade de corrente elétrica, temperatura termodinâmica, quantidade de matéria e intensidade luminosa. Notação científica é uma forma criada pelos cientistas para expressar medidas grandes ou pequenas demais. Ela está baseada nas potências de 10. Internacional de Unidades e algumas grandezas físicas derivadas das sete básicas). Além de usar as medidas das grandezas físicas para fazer algumas conversões de outras unidades de medida que não fazem parte do Sistema Internacional de Unidades. Esse conhecimento é útil, por exemplo, para transformar polegadas em centímetros, milhas em quilômetros e libras em quilogramas — e vice-versa. Embora a maioria dos países utilize o sistema métrico para fazer suas medidas, alguns, como os Estados Unidos, usam outro sistema. Lá, as medidas das distâncias são feitas em milhas ou pés e as de temperatura, em Fahrenheit. 72 n p FATOR 1012 109 106 103 102 101 10–1 10–2 10–3 10–6 10–9 10–12 grandezas existentes (veja nas tabelas ao lado o Sistema realizar os cálculos mais diversos, é importante saber SÍMBOLO T G M k h da d c m _____________________________________________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________ ______________ _____________________________________________________________________________________________________________ SEE-AC Coordenação de Ensino Médio CNF Física CNF Física _________________________________________________________________________________________________________________________ Partícula: de acordo com esse conceito básico da Cinemática, um corpo recebe o nome de partícula quando suas dimensões são insignificantes ao serem comparadas às demais dimensões do fenômeno. para o movimento horizontal (MU) para o movimento vertical (MUV) No movimento retilíneo uniforme, o valor da velocidade de deslocamento do corpo permanece constante. A fórmula para chegar à distância percorrida é simples: , em que é a velocidade e , o tempo gasto no deslocamento. A diferença em relação ao movimento retilíneo uniformemente variado é que a velocidade não é constante. Neste segundo caso, o corpo sofre uma aceleração. O conceito de aceleração está sempre atrelado a uma mudança de velocidade. A fórmula para obter a aceleração de um corpo é a seguinte: *********** ATIVIDADES *********** percorrido ou Aceleração Velocidade Distância percorrida Grandezas vetoriais: as grandezas escalares (massa, temperatura etc.) ficam totalmente definidas quando se conhecem seu valor (ou módulo) e a unidade usada na medida. Com as grandezas vetoriais é preciso também conhecer a direção e o sentido. A aceleração centrípeta faz parte do movimento de uma partícula que descreve uma trajetória em curva. Também chamado de normal, esse tipo de aceleração é um vetor perpendicular à velocidade e dirigido ao centro da trajetória curvilínea. O movimento de um projétil (bala de canhão, bola de futebol, pedra lançada por uma catapulta) descreve uma trajetória parabólica. Seu movimento é acelerado pela gravidade, já que a única força que atua sobre ele, desprezando-se a resistência do ar, é seu próprio peso. Texto para as questões de 1 a 3. Queda livre é o nome dado ao movimento que resulta exclusivamente da aceleração provocada pela gravidade, calculada em 9,8 m/s2. Alcance máximo horizontal: num lançamento oblíquo, sem resistência do ar, o alcance máximo horizontal é alcançado quando o arremesso é feito com um ângulo de 45º. *ATENÇÃO, ESTUDANTE!* Para complementar o estudo deste Módulo, utilize seu LIVRO DIDÁTICO. variação da velocidade / intervalo de tempo Equações para o movimento oblíquo: Gigante da década O superacelerador de partículas ajuda a entender a origem do universo em acontecimentos de escala infinitesimal © AFP No interior do túnel de 27 km de circunferência, cientistas recriaram condições equivalentes às do Big Bang A formação do universo é um dos mistérios mais fascinantes da ciência. Do minúsculo quark aos aglomerados de galáxias, estamos agora mais próximos de conhecer, em detalhes, o mundo infinitesimal das partículas para entender a estrutura da matéria e do Cosmo. O grande marco da história da Física aconteceu com o início das operações do maior acelerador de partículas que já existiu — o LHC, sigla em inglês para Grande Colisor de Hádrons (Large Hadrons Collider), em 2010. O princípio da independência dos movimentos foi descrito por Galileu e seu enunciado é o seguinte: “Quando um móvel realiza um movimento composto, cada um dos movimentos componentes se realiza como se os demais não existissem”. É fundamental para entender o movimento de corpos em um lançamento oblíquo. 73 _____________________________________________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________ ______________ _____________________________________________________________________________________________________________ SEE-AC Coordenação de Ensino Médio CNF Física CNF Física _________________________________________________________________________________________________________________________ O hádron, palavra grega que significa grosso, é uma partícula subatômica com massa — um próton, no caso dos primeiros testes no LHC. Essas pequenas partículas são uma alegria para os cientistas por serem altamente interativas. Os físicos, tanto quanto os paparazzi de celebridades, estão sempre interessados em flagrar interações. Sob essa ótica, o LHC é um reality show que pode produzir e acompanhar as interações mais íntimas no interior da matéria. O LHC tem o formato de um túnel com circunferência de 27 quilômetros, onde duas pistas se juntam em uma única para forçar a colisão entre os prótons. Ao se chocarem, despedaçam-se em partículas menores, como quarks e fótons. A energia liberada chega a atingir a ordem de 14 teraelétrons-volt (TeV), energia equivalente à que existiu no Big Bang, a “súbita expansão inicial” do universo. O funcionamento do LHC dominou a atenção da comunidade científica, e fãs do experimento afirmam tratar-se do maior “brinquedo de Física”. Os cientistas da CERN (sigla em inglês para European Organization for Nuclear Research), responsáveis pelo colisor, recriaram as condições do universo quando ele tinha apenas um trilionésimo de segundo de existência (ou 10–12 segundo) e buscam encontrar o Bóson de Higgs, partícula fundamental que, em tese, dotou todas as outras de massa logo depois da “grande explosão”. Isso quer dizer que ainda não se sabe o que concede “materialidade” ao mundo. O Bóson de Higgs funcionaria como agregador de elétrons e prótons e de todas as outras partículas fundamentais, que formam o átomo e assim por diante. Próximo dessas partículas, o Bóson de Higgs as concederia massa. Afastadas dele, elas não têm massa. A cada nova descoberta, os cientistas se aproximam mais do Bóson de Higgs e já deduzem que esteja no intervalo entre 115 e 200 bilhões de elétrons-volt (eV). Em comparação, o próton, uma das partículas centrais da matéria, possui uma energia de 1 bilhão de elétrons-volt. Um eV é extremamente pequeno. São mais comuns unidades de milhões de elétrons-volt, como o mega eV (MeV = 1 milhão de elétrons-volt ou 106 eV) ou, ainda, o giga eV (GeV = 1 bilhão de elétrons-volt ou 109 eV). A última geração de aceleradores de partículas alcança muitos milhões de elétrons-volt, representados por TeV (mil bilhões ou 1012 eV). Para se ter uma ideia, um TeV é a quantidade de energia que uma mosca utiliza para voar. O LHC é um feito de extraordinárias consequências práticas e teóricas. A máquina demorou catorze anos para ser construída e custou 8 bilhões de dólares. O mais poderoso acelerador do mundo está enterrado no solo da fronteira entre a França e a Suíça. .1. (AED-SP) Que ordens de grandeza você consegue identificar no texto? ___________________________________________________ ___________________________________________________ ___________________________________________________ ___________________________________________________ ___________________________________________________ ___________________________________________________ ___________________________________________________ ___________________________________________________ .2. (AED-SP) O que é maior: um hádron ou um átomo? Justifique. ___________________________________________________ ___________________________________________________ ___________________________________________________ ___________________________________________________ ___________________________________________________ .3. (AED-SP) A energia gerada no LHC, ao reproduzir a quantidade de energia presente no Big Bang, é quantas vezes maior ou menor do que a quantidade de energia que uma mosca utiliza para voar? Justifique. ___________________________________________________ ___________________________________________________ ___________________________________________________ ___________________________________________________ ___________________________________________________ .4. (ENEM-MEC) Dados divulgados pelo Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais mostraram o processo de devastação sofrido pela Região Amazônica entre agosto de 1999 e agosto de 2000. Analisando fotos de satélites, os especialistas concluíram que, nesse período, sumiu do mapa um total de 20.000 quilômetros quadrados de floresta. Um órgão de imprensa noticiou o fato com o seguinte texto: O assustador ritmo de destruição é de um campo de futebol a cada oito segundos. Considerando que um ano tem aproximadamente 32 x 106 s (trinta e dois milhões de segundos) e que a medida da área oficial de um campo de futebol é aproximadamente 10–2 km2 (um centésimo de quilômetro quadrado), as informações apresentadas nessa notícia permitem concluir que tal ritmo de desmatamento, em um ano, implica a destruição de uma área de Veja, 25/6/2008 (adaptado). 74 _____________________________________________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________ ______________ _____________________________________________________________________________________________________________ SEE-AC Coordenação de Ensino Médio CNF Física CNF Física _________________________________________________________________________________________________________________________ (A) 10.000 km2, e a comparação dá a ideia de que a devastação não é tão grave quanto o dado numérico nos indica. (B) 10.000 km2, e a comparação dá a ideia de que a devastação é mais grave do que o dado numérico nos indica. (C) 20.000 km2, e a comparação retrata exatamente o ritmo da destruição. (D) 40.000 km2, e o autor da notícia exagerou na comparação, dando a falsa impressão de gravidade a um fenômeno natural. (E) 40.000 km2 e, ao chamar a atenção para um fato realmente grave, o autor da notícia exagerou na comparação. .6. (ENEM-MEC) Para medir o tempo de reação de uma pessoa, pode-se realizar a seguinte experiência: .5. (ENEM-MEC) I. Mantenha uma régua (com cerca de 30 cm) suspensa verticalmente, segurando-a pela extremidade superior, de modo que o zero da régua esteja situado na extremidade inferior. II. A pessoa deve colocar os dedos de sua mão, em forma de pinça, próximos do zero da régua, sem tocá-la. III. Sem aviso prévio, a pessoa que estiver segurando a régua deve soltá-la. A outra pessoa deve procurar segurá-la o mais rapidamente possível e observar a posição onde conseguiu segurar a régua, isto é, a distância que ela percorre durante a queda. O quadro seguinte mostra a posição em que três pessoas conseguiram segurar a régua e os respectivos tempos de reação. Disponível em: http://br.geocities.com. Acesso em: 1/2/2009. A distância percorrida pela régua aumenta rapidamente que o tempo de reação porque a mais (A) energia mecânica da régua aumenta, o que a faz cair mais rápido. (B) resistência do ar aumenta, o que faz a régua cair com menor velocidade. (C) aceleração de queda da régua varia, o que provoca um movimento acelerado. (D) força-peso da régua tem valor constante, o que gera um movimento acelerado. (E) velocidade da régua é constante, o que provoca uma passagem linear de tempo. Associação Brasileira de Defesa do Consumidor (com adaptações). As figuras acima apresentam dados referentes aos consumos de energia elétrica e de água relativos a cinco máquinas industriais de lavar roupa comercializadas no Brasil. A máquina ideal, quanto a rendimento econômico e ambiental, é aquela que gasta, simultaneamente, menos energia e água. .7. (ENEM-MEC) O Super-homem e as leis do movimento Com base nessas informações, conclui-se que, no conjunto pesquisado, Uma das razões para pensar sobre a física dos super-heróis é, acima de tudo, uma forma divertida de explorar muitos fenômenos físicos interessantes, desde fenômenos corriqueiros até eventos considerados fantásticos. A figura seguinte mostra o Super-homem lançando-se no espaço para chegar ao topo de um prédio de altura H. Seria possível admitir que com seus superpoderes ele estaria voando com propulsão própria, mas considere que ele tenha dado um forte salto. Neste caso, sua velocidade final no ponto mais alto do salto deve ser zero, caso contrário, ele continuaria subindo. (A) quanto mais uma máquina de lavar roupa economiza água, mais ela consome energia elétrica. (B) a quantidade de energia elétrica consumida por uma máquina de lavar roupa é inversamente proporcional à quantidade de água consumida por ela. (C) a máquina I é ideal, de acordo com a definição apresentada. (D) a máquina que menos consome energia elétrica não é a que consome menos água. (E) a máquina que mais consome energia elétrica não é a que consome mais água. 75 _____________________________________________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________ ______________ _____________________________________________________________________________________________________________ SEE-AC Coordenação de Ensino Médio CNF Física CNF Física _________________________________________________________________________________________________________________________ Sendo g a aceleração da gravidade, a relação entre a velocidade inicial do Super-homem e a altura atingida é dada por: v2 = 2gH. (A) (B) (C) (D) (E) tempo. aceleração. distância. velocidade. luminosidade. .9. (ENEM-MEC) As cidades de Quito e Cingapura encontram-se próximas à Linha do Equador e em pontos diametralmente opostos no globo terrestre. Considerando o raio da Terra igual a 6.370 km, pode-se afirmar que um avião saindo de Quito, voando em média 800 km/h, descontando as paradas de escala, chega a Cingapura em, aproximadamente, (A) (B) (C) (D) (E) KAKALIOS, J. The Physics of Superheroes. Gothan Books, USA, 2005. 16 horas. 20 horas. 25 horas. 32 horas. 36 horas. .10. (ENEM-MEC) A altura que o Super-homem alcança em seu salto depende do quadrado de sua velocidade inicial porque O tempo que um ônibus gasta para ir do ponto inicial ao ponto final de uma linha varia, durante o dia, conforme as condições do trânsito, demorando mais nos horários de maior movimento. A empresa que opera essa linha forneceu, no gráfico abaixo, o tempo médio de duração da viagem conforme o horário de saída do ponto inicial, no período da manhã. (A) a altura do seu pulo é proporcional à sua velocidade média multiplicada pelo tempo que ele permanece no ar ao quadrado. (B) o tempo que ele permanece no ar é diretamente proporcional à aceleração da gravidade, e essa é diretamente proporcional à velocidade. (C) o tempo que ele permanece no ar é inversamente proporcional à aceleração da gravidade, e essa é inversamente proporcional à velocidade média. (D) a aceleração do movimento deve ser elevada ao quadrado, pois existem duas acelerações envolvidas: a aceleração da gravidade e a aceleração do salto. (E) a altura do seu pulo é proporcional à sua velocidade média multiplicada pelo tempo que ele permanece no ar, e esse tempo também depende da sua velocidade inicial. De acordo com as informações do gráfico, um passageiro que necessita chegar até às 10.h.30.min ao ponto final dessa linha deve tomar o ônibus no ponto inicial, no máximo, até às .8. (ENEM-MEC) Seu olhar Na eternidade Eu quisera ter Tantos anos-luz Quantos fosse precisar Pra cruzar o túnel Do tempo do seu olhar (A) (B) (C) (D) (E) 9.h.20.min. 9.h.30.min. 9.h.00.min. 8.h.30.min. 8.h.50.min. ________________________________________________ (Gilberto Gil, 1984) *Anotações* Gilberto Gil usa na letra da música a palavra composta anos-luz. O sentido prático, em geral, não é obrigatoriamente o mesmo que na ciência. Na Física, um ano-luz é uma medida que relaciona a velocidade da luz e o tempo de um ano e que, portanto, se refere a 76 _____________________________________________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________ ______________ _____________________________________________________________________________________________________________ SEE-AC Coordenação de Ensino Médio CNF Física CNF Física _________________________________________________________________________________________________________________________ (A) (B) (C) (D) (E) .11. (ENEM-MEC) João e Antônio utilizam os ônibus da linha mencionada na questão anterior para ir trabalhar, no período considerado no gráfico, nas seguintes condições: trabalham vinte dias por mês; João viaja sempre no horário em que o ônibus faz o trajeto no menor tempo; Antônio viaja sempre no horário em que o ônibus faz o trajeto no maior tempo; na volta do trabalho, ambos fazem o trajeto no mesmo tempo de percurso. carroça – semana carro – dia caminhada – hora bicicleta – minuto avião – segundo .14. (ENEM-MEC) Em certa cidade, algumas de suas principais vias têm a designação “radial” ou “perimetral”, acrescentando-se ao nome da via uma referência ao ponto cardeal correspondente. As ruas 1 e 2 estão indicadas no esquema abaixo, em que não estão explicitados os pontos cardeais. Considerando-se a diferença de tempo de percurso, Antônio gasta, por mês, em média, (A) (B) (C) (D) (E) 05 horas a mais que João. 10 horas a mais que João. 20 horas a mais que João. 40 horas a mais que João. 60 horas a mais que João. Os nomes corretos respectivamente, ser: .12. (ENEM-MEC) Já são comercializados no Brasil veículos com motores que podem funcionar com o chamado combustível flexível, ou seja, com gasolina ou álcool em qualquer proporção. Uma orientação prática para o abastecimento mais econômico é que o motorista multiplique o preço do litro da gasolina por 0,7 e compare o resultado com o preço do litro de álcool. Se for maior, deve optar pelo álcool. A razão dessa orientação deve-se ao fato de que, em média, se com um certo volume de álcool o veículo roda dez quilômetros, com igual volume de gasolina rodaria cerca de (A) (B) (C) (D) (E) (A) (B) (C) (D) (E) das vias 1 e 2 podem, perimetral sul, radial leste. perimetral sul, radial oeste. perimetral norte, radial oeste. radial sul, perimetral norte. radial sul, perimetral oeste. .15. (ENEM-MEC) Leia o texto abaixo. O jardim de caminhos que se bifurcam [...] Uma lâmpada aclarava a plataforma, mas os rostos dos meninos ficavam na sombra. Um me perguntou: — O senhor vai à casa do Dr. Stephen Albert? Sem aguardar resposta, outro disse: — A casa fica longe daqui, mas o senhor não se perderá se tomar esse caminho à esquerda e se em cada encruzilhada do caminho dobrar à esquerda. 07 km. 10 km. 14 km. 17 km. 20 km. BORGES, J. L. Ficções. Rio de Janeiro: Globo, 1997, p. 96 (adaptado). .13. (ENEM-MEC) O gráfico ao lado modela a distância percorrida, em km, por uma pessoa em certo período de tempo. A escala de tempo a ser adotada para o eixo das abscissas depende da maneira como essa pessoa se desloca. Qual é a opção que apresenta a melhor associação entre meio ou forma de locomoção e unidade de tempo, quando são percorridos 10 km? Quanto à cena descrita acima, considere que: I. o Sol nasce à direita dos meninos; II. o senhor seguiu o conselho dos meninos, tendo encontrado duas encruzilhadas até a casa. Conclui-se que o senhor caminhou, respectivamente, nos sentidos: (A) (B) (C) (D) (E) 77 oeste, sul e leste. leste, sul e oeste. oeste, norte e leste. leste, norte e oeste. leste, norte e sul. _____________________________________________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________ ______________ _____________________________________________________________________________________________________________ SEE-AC Coordenação de Ensino Médio CNF Física CNF Física _________________________________________________________________________________________________________________________ de um quilograma-padrão, ao nível do mar e a 45º de latitude (figura ao lado). Outra, que integra o Sistema Internacional de Unidades (SI), é o newton — símbolo N. Um newton corresponde ao quilograma multiplicado pela aceleração da gravidade (9,8 m/s2). Assim, 1 kgf corresponde a 9,8 N. Agora, voltemos à inércia e ao equilíbrio dos corpos. Antes de Isaac Newton, o físico, matemático e astrônomo italiano Galileu Galilei (1564-1662) se interessou no século XVII pelas causas dos movimentos. A partir de suas experiências, cálculos e observações, ele percebeu que, se um corpo estiver parado, em repouso, é preciso que uma força incida sobre ele para que comece a se mover. Galileu percebeu que, uma vez iniciado o movimento, interrompendo a ação das forças que atuam sobre o corpo, ele continuaria a se mover indefinidamente, com velocidade constante e em linha reta — em movimento retilíneo uniforme, como já vimos no Módulo 1. Concluindo, o físico italiano atribuiu a todos os corpos uma propriedade, chamada de inércia, que é a tendência de os corpos se manterem em repouso ou em movimento retilíneo uniforme. Anos depois, Newton baseou-se nas conclusões de Galileu para estruturar os princípios da Dinâmica. Segundo a 1.ª Lei de Newton, na ausência de forças, um corpo em repouso continua em repouso e um corpo em movimento move-se em linha reta com velocidade constante. O mesmo ocorre quando a resultante das forças (a soma de todas as forças) que atuam em um corpo for nula. A 1.ª Lei de Newton explica por que, no momento da batida de um carro, os ocupantes são projetados para a frente. Durante a colisão, a velocidade do carro é interrompida bruscamente, mas os passageiros e objetos não são desacelerados. Eles mantêm a velocidade e se deslocam na mesma direção e no mesmo sentido seguido pelo carro no momento do impacto, pois a força da colisão atua somente sobre o carro, e não sobre os seus ocupantes. Daí a importância do airbag para amortecer o choque. *MÓDULO 2* Dinâmica – Leis de Newton As sacadas de Newton Para entender o que acontece dentro de um carro quando ele sofre uma brusca desaceleração — por exemplo, causada por uma batida —, é necessário conhecer alguns fundamentos da Dinâmica, a parte da Física que estuda as causas do movimento. O que provoca um movimento? O que é preciso para manter um movimento? O que causa as variações vistas num movimento? Essas são algumas questões que a Dinâmica vai resolver. Um dos maiores teóricos sobre o tema foi o físico e matemático inglês sir Isaac Newton (1642-1727), autor do livro Princípios Matemáticos da Filosofia Natural, publicado em 1686. Nessa obra, Newton formulou três princípios essenciais para a compreensão dos problemas relativos ao movimento. Esses princípios foram chamados de 1.ª, 2.ª e 3.ª Leis de Newton, que serão estudadas neste Módulo. A 1.ª Lei de Newton, também chamada de Lei da Inércia, descreve o que ocorre com os corpos que estão em equilíbrio. Para entendê-la — assim como as duas outras leis —, é preciso, antes, entrar em contato com alguns conceitos fundamentais da Dinâmica. O primeiro deles é o de força. Como já vimos no Módulo 1, força é uma grandeza vetorial. Isso significa que, além do módulo (o valor numérico da força), precisamos também conhecer sua direção e seu sentido. Um exemplo de força é a que colocamos para puxar ou empurrar um objeto qualquer, como um carro ou um carrinho de mão (veja a figura abaixo). Quando isso ocorre, estamos exercendo uma força sobre o objeto. Outra força presente no nosso dia a dia é a força de atração da Terra, que é denominada peso do corpo. Quando uma maçã cai de uma árvore, ela está sob a força da gravidade (figura ao lado). Nesse caso, a força foi exercida sem que houvesse necessidade de contato físico com a fruta — como ocorreu com o carro e com o carrinho de mão. Uma das unidades de medida utilizada para medir as forças é o quilograma-força (kgf), que equivale ao peso 78 A Dinâmica é a parte da Física que estuda a causa dos movimentos. Um de seus maiores teóricos foi sir Isaac Newton (1642-1727), que elaborou os princípios fundamentais para que os problemas relativos ao movimento dos corpos pudessem ser entendidos. _____________________________________________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________ ______________ _____________________________________________________________________________________________________________ SEE-AC Coordenação de Ensino Médio CNF Física CNF Física _________________________________________________________________________________________________________________________ Força é uma grandeza vetorial, o que significa que, para conhecê-la, precisamos saber seu valor (ou módulo), direção e sentido. É uma grandeza básica para a compreensão do movimento dos corpos. Existem duas unidades para medir força. A primeira é o quilograma-força (kgf), equivalente ao peso de um quilograma-padrão, ao nível do mar e a 45º de latitude. A outra é o newton (N), que corresponde ao quilograma multiplicado pela aceleração da gravidade (9,8 m/s2). Assim, 1 kgf corresponde a 9,8 N. A força de atrito estático se opõe ao início do movimento entre duas superfícies ou ao atrito de rolamento de uma superfície sobre a outra. Quando uma pessoa tenta empurrar um guarda-roupa no quarto, a dificuldade inicial encontrada para tirar o guarda-roupa do repouso, e fazê-lo mover-se, deve-se, em parte, à força de atrito estático. Na força de contato é indispensável que haja contato físico entre os corpos para que neles atue esse tipo de força. Por exemplo, uma pessoa empurrando uma mesa ou alguém caminhando. A força de atrito máxima é a máxima força de atrito estático ( ) que pode existir entre duas superfícies sem que essas deslizem uma sobre a outra. Esse valor máximo é dado pela seguinte equação: , em que é o coeficiente de atrito estático entre as superfícies e é a força normal. A força de atrito cinético é a existente entre superfícies que apresentam movimento relativo de deslizamento entre si. A força de atrito cinético (também chamado de dinâmico) se opõe sempre a esse deslizamento e atua nos corpos de forma a sempre contrariá-lo (tentar impedi-lo). Sua intensidade é dada por uma equação similar à da força de atrito estático máxima, apenas trocando-se o coeficiente de atrito estático pelo coeficiente de atrito cinético: , em que é o coeficiente de atrito cinético entre o corpo e a superfície. A força de campo atua a distância, sem necessidade de contato entre os corpos. Exemplo: a força da gravidade da Terra. Também chamada de Lei da Inércia, a 1.ª Lei de Newton descreve o que ocorre com os corpos em equilíbrio. Na ausência de forças, um corpo em repouso permanece em repouso e um corpo em movimento move-se em linha reta com velocidade constante. O mesmo ocorre quando a resultante das forças (a soma de todas as forças) que atuam em um corpo for nula. *ATENÇÃO, ESTUDANTE!* Para complementar o estudo deste Módulo, utilize seu LIVRO DIDÁTICO. De acordo com a 2.ª Lei de Newton (o Princípio Fundamental da Dinâmica), a aceleração que um corpo adquire é diretamente proporcional à resultante das forças que atuam nele e tem a mesma direção e o mesmo sentido dessa resultante. A equação que demonstra esse princípio é R . *********** ATIVIDADES *********** Texto para as questões 1 e 2. Conhecida como Lei da Ação e Reação, a 3.ª Lei de Newton enuncia que, quando um corpo A exerce uma força sobre o corpo B, o corpo B reage sobre o A com uma força de mesma intensidade (ou módulo), mesma direção e sentido contrário. Os elevadores permitem que verifiquemos, na prática, como funcionam as Leis de Newton, que são os princípios básicos da Dinâmica. Considerando que os elevadores são um bloco de massa , eles podem desenvolver um movimento uniforme, em que o módulo da velocidade é constante, acelerado (o módulo da velocidade aumenta) ou retardado (o módulo da velocidade diminui). Força é uma grandeza vetorial. A ocorrência da força de atrito implica a existência de movimentos relativos entre os corpos em contato (atrito cinético) ou, pelo menos, a tendência de um se movimentar em relação ao outro (atrito estático) por causa da ação de outras forças externas a eles aplicadas. Airbag obrigatório As bolsas infláveis protegem o motorista contra ferimentos na cabeça e no tórax. A partir de 2014, elas serão obrigatórias em todos os carros Atualmente, apenas veículos não populares saem de fábrica equipados com airbags, espécie de almofada de ar localizada dentro do volante e acima do porta-luvas que infla quando o carro bate, evitando que o motorista e o passageiro do banco dianteiro sejam projetados contra o vidro em decorrência da rápida desaceleração do carro. Com a aprovação da lei que obriga o airbag frontal duplo, todos os automóveis leves deverão vir de fábrica com o equipamento a partir de 2014. Os airbags terão de ser instalados tanto em veículos novos fabricados no Brasil quanto em carros importados. Apenas os automóveis destinados à exportação não precisarão cumprir essa norma. Muitos veículos — principalmente os tope de linha —, além do airbag frontal duplo, já vêm com mais quatro ou seis airbags, que também protegem os passageiros dos 79 _____________________________________________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________ ______________ _____________________________________________________________________________________________________________ SEE-AC Coordenação de Ensino Médio CNF Física CNF Física _________________________________________________________________________________________________________________________ bancos da frente contra colisões laterais, assim como os passageiros do banco de trás. O equipamento, complementar ao cinto de segurança, fornece uma proteção adicional aos ocupantes, reduzindo o risco de ferimentos na cabeça e na parte superior do corpo. Ele funciona da seguinte forma: sensores eletrônicos ligados ao sistema de aceleração detectam quando há uma brusca desaceleração do carro, como uma colisão. Os airbags são programados para inflar quando ocorre uma colisão equivalente a uma batida contra um muro de tijolos a uma velocidade a partir de 15 km/h. Quando isso acontece, é enviada uma informação para cápsulas geradoras de gás (ou cápsulas infladoras) localizadas no volante e no porta-luvas, que são acionadas e fazem a bolsa inflar, graças ao gás nitrogênio (N2) gerado por meio de uma reação química. Nesse mesmo instante, as capas protetoras do volante e do porta-luvas se rompem, abrindo passagem para a bolsa inflável. Com o impacto do carro, motorista e passageiro são lançados para a frente — pois estão sujeitos à Lei de Newton, como a Lei da Inércia — e batem no colchão de ar, que amortece o movimento dos ocupantes. Todo o processo acontece muito rapidamente. O airbag é inflado em cerca de 30 milissegundos (0,03 s), mais rápido do que um piscar de olhos, que leva por volta de 100 milissegundos. .1. (AED-SP) Qual a velocidade mínima, em km/h e m/s, para acionar o sistema de airbag de um carro em uma colisão com um muro? ___________________________________________________ ___________________________________________________ ___________________________________________________ ___________________________________________________ ___________________________________________________ ___________________________________________________ .2. (AED-SP) O gás normalmente usado para inflar o airbag é o mais comum ou o mais abundante da composição do ar? Que gás é esse? ___________________________________________________ ___________________________________________________ ___________________________________________________ ___________________________________________________ ___________________________________________________ ___________________________________________________ .3. (INEP-MEC) Na divulgação de um novo modelo, uma fábrica de automóveis destaca duas inovações em relação à prevenção de acidentes decorrentes de colisões traseiras: protetores móveis de cabeça e luzes intermitentes de freio. Em caso de colisão traseira, os protetores de cabeça, controlados por sensores, são movidos para a frente dentro de milissegundos, para proporcionar proteção para a cabeça do motorista e do passageiro dianteiro. Os protetores [...] previnem que a coluna vertebral se dobre, em caso de acidente, reduzindo o risco de ferimentos devido ao “efeito chicote” (a cabeça é forçada para trás e, em seguida, volta rápido para a frente). As luzes intermitentes de freio [...] alertam os motoristas que estão atrás com maior eficiência em relação às luzes de freio convencionais quando existe o risco de acidente. Testes [...] mostram que o tempo de reação de frenagem dos motoristas pode ser encurtado em média de até 0,20 segundo, se uma luz de aviso piscante for utilizada durante uma frenagem de emergência. Como resultado, a distância de frenagem pode ser reduzida em 5,5 metros, aproximadamente, quando o carro estiver a uma velocidade de 100 km/h. Muito, muito rápido O volume de gases que inflam o airbag provoca a expulsão da bolsa a uma velocidade de 320 km/h Disponível em: www.daimlerchrysler.com.br. Acesso em: 18/1/2006. Qual lei da Física explica a razão de a cabeça do motorista ser forçada para trás quando o seu carro sofre uma colisão traseira, dando origem ao “efeito chicote”? ESTÚDIO PINGADO Mundo Estranho, jun. 2010 (adaptado). 80 _____________________________________________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________ ______________ _____________________________________________________________________________________________________________ SEE-AC Coordenação de Ensino Médio CNF Física CNF Física _________________________________________________________________________________________________________________________ (A) (B) (C) (D) Lei da Atração Gravitacional. Lei da Conservação do Movimento Angular. 1.ª Lei de Newton (Lei da Inércia). 2.ª Lei de Newton (Princípio Fundamental da Dinâmica). (E) 3.ª Lei de Newton (Lei da Ação e Reação). (A) 14 N. .4. (INEP-MEC) (B) 08 N. O Código de Trânsito Brasileiro estabelece a obrigatoriedade do uso do cinto de segurança, tanto para o motorista e o caroneiro do banco da frente, assim como para os passageiros do banco traseiro. Essa medida tem por objetivo prevenir lesões mais graves em caso de acidentes. Fisicamente, a função do cinto está relacionada à (A) (B) (C) (D) (E) (C) 02 N. (D) 10 N. (E) 12 N. .7. (INEP-MEC) Um garoto de massa igual a 50 kg sobe em uma balança no piso de um elevador, com o elevador descendo 1.ª Lei de Newton. Lei de Snell-Descartes. Lei de Faraday. 1.ª Lei de Ohm. 1.ª Lei de Kepler. aceleradamente. A aceleração do elevador é de 2 m/s2. Considerando a aceleração da gravidade 10 m/s2, a indicação da balança, em newtons, é (A) (B) (C) (D) (E) .5. (UNIFESP) Na representação da figura, o bloco A desce verticalmente e traciona o bloco B, que se movimenta em um plano horizontal por meio de um fio inextensível. Considere desprezíveis as massas do fio e da roldana e todas as forças de resistência ao movimento. 40. 50. 400. 500. 600. .8. (INEP-MEC) Um homem, no interior de um elevador, está jogando dardos em um alvo fixado na parede interna do elevador. Inicialmente, o elevador está em repouso, em relação à Terra, e o homem acerta os dardos bem no centro do alvo. Em seguida, o elevador está em movimento uniforme (MU) em relação à Terra. Se o homem quiser continuar acertando o centro do alvo, como deverá fazer a mira, em relação ao seu procedimento com o elevador parado? Suponha que, no instante representado na figura, o fio se quebre. Pode-se afirmar que, a partir desse instante, (A) Mais alto se o elevador estiver subindo e mais baixo se estiver descendo. (B) Mais baixo se o elevador estiver subindo e mais alto se estiver descendo. (C) Mais alto, sempre. (D) Mais baixo, sempre. (E) Exatamente do mesmo modo. (A) o bloco A adquire aceleração igual à da gravidade; o bloco B para. (B) o bloco A adquire aceleração igual à da gravidade; o bloco B passa a se mover com velocidade constante. (C) o bloco A adquire aceleração igual à da gravidade; o bloco B reduz sua velocidade e tende a parar. (D) os dois blocos passam a se mover com velocidade constante. (E) os dois blocos passam a se mover com a mesma aceleração. ________________________________________________ *Anotações* .6. (INEP-MEC) Os corpos A, B e C a seguir representados possuem massas m(A) = 3 kg, m(B) = 2 kg e m(C) = 5 kg. Considerando que estão apoiados sobre uma superfície horizontal perfeitamente lisa e que a força F vale 20 N, determine a intensidade da força que o corpo A exerce no corpo B. 81 _____________________________________________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________ ______________ _____________________________________________________________________________________________________________ SEE-AC Coordenação de Ensino Médio CNF Física CNF Física _________________________________________________________________________________________________________________________ .9. (UNIFESP) .12. (UFMG) Conforme noticiou um site da internet em 30/8/2006, cientistas da Universidade de Berkeley, Estados Unidos, “criaram uma malha de microfibras sintéticas que utilizam um efeito de altíssima fricção para sustentar cargas em superfícies lisas”, à semelhança dos “incríveis pelos das patas das lagartixas” (www.inovacaotecnologica.com.br). Segundo esse site, os pesquisadores demonstraram que a malha criada “consegue suportar uma moeda sobre uma superfície de vidro inclinada a até 80º” (veja a foto). Um homem empurra um caixote para a direita, com velocidade constante, sobre uma superfície horizontal, como mostra a figura a seguir. Desprezando-se a resistência do ar, o diagrama que melhor representa as forças que atuam no caixote é: (A) Dados sen 80º = 0,98; cos 80º = 0,17 e tg 80º = 5,7, pode-se afirmar que, nessa situação, o módulo da força de atrito estático máxima entre essa malha, que reveste a face de apoio da moeda, e o vidro, em relação ao módulo do peso da moeda, equivale a, aproximadamente, (B) (A) (B) (C) (D) (E) (C) 5,7%. 11%. 17%. 57%. 98%. .10. (PUC-RJ) Uma caixa, cuja velocidade inicial é de 10 m/s, leva 5 s deslizando sobre uma superfície até parar completamente. Considerando a aceleração da gravidade g = 10 m/s2, determine o coeficiente de atrito cinético que atua entre a superfície e a caixa. (A) (B) (C) (D) (E) (D) 0,1. 0,2. 0,3. 0,4. 0,5. (E) .11. (PUC-RJ) Um balão de ar quente, de massa desprezível, é capaz de levantar uma carga de 100 kg mantendo durante a subida uma velocidade constante de 5,0 m/s. Considerando a aceleração da gravidade igual a 10 m/s2, a força que a gravidade exerce (peso) no sistema (balão + carga), em newtons, é: (A) (B) (C) (D) (E) ________________________________________________ *Anotações* 50. 100. 250. 500. 1.000. 82 _____________________________________________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________ ______________ _____________________________________________________________________________________________________________ SEE-AC Coordenação de Ensino Médio CNF Física CNF Física _________________________________________________________________________________________________________________________ E como se calcula o trabalho de uma força constante não paralela ao deslocamento, como na figura a seguir? *MÓDULO 3* Mecânica – Trabalho, potência, energia Uma grandeza importante A questão energética é um tema de vital importância na atualidade. Países com grandes reservas de energia estão, em tese, mais bem preparados para se desenvolver econômica e socialmente. Daí a importância da recente descoberta das reservas de petróleo na camada pré-sal na costa brasileira e dos investimentos feitos nas chamadas energias alternativas, como a solar, a eólica, o biodiesel e o etanol. Deve ficar claro que a energia não é criada, mas, sim, está num constante ciclo de transformações. Um bom caminho para iniciar o estudo de energia, do ponto de vista da Física, é conceituar uma grandeza chamada trabalho, que é a medida das transformações de energia. Dizemos que o trabalho de uma força constante ( ) sobre um corpo qualquer, que forma com o deslocamento ( ) do corpo um ângulo , é dado pela fórmula . Força e deslocamento com direções diferentes Nesse caso, o trabalho dependerá do ângulo que a força forma com a direção do deslocamento do corpo. Um bom exemplo é o de uma força perpendicular ao deslocamento. Como o ângulo é de 90º e o cosseno de 90º é zero, teremos que o trabalho realizado também é igual a zero. Outro cenário curioso é o de uma força atuando em sentido contrário ao deslocamento, o que significa que ela tenderia a frear o objeto e retardar seu deslocamento. O ângulo da força é de 180º e o cosseno, 1. O trabalho realizado pela força será negativo. Em resumo, a energia não é criada nem destruída, sempre transformada. O trabalho é uma forma de medida dessas transformações. Quando o ângulo formado entre a força e o deslocamento estiver compreendido entre 0º e 90º, o trabalho da força será positivo e a força estará atuando no sentido de elevar a velocidade do corpo; caso o ângulo esteja compreendido entre 90º e 180º, o trabalho será negativo e a força estará atuando para reduzir a velocidade do corpo. Quando o ângulo for 90º, o trabalho será zero. O trabalho realizado pela força depende do ângulo entre a força e o deslocamento O trabalho de uma força, portanto, depende do ângulo entre ela e o deslocamento do corpo. Quando a força é feita paralelamente ao deslocamento e no mesmo sentido (figura abaixo), o ângulo entre eles (força e deslocamento) é zero, o que faz com que o cosseno desse ângulo seja igual a , tornando a equação para cálculo do trabalho equivalente a . Na primeira representação, o trabalho é positivo; na segunda, é negativo É preciso saber também que, quando várias forças atuam sobre um determinado corpo, a soma algébrica dos trabalhos de cada uma delas é igual ao trabalho resultante dessas forças. Até agora, falamos do trabalho de forças constantes. Mas e no caso do trabalho de uma força variável? O cálculo de uma força variável pode ser aplicado, por exemplo, no trabalho de esticar uma mola. Para simplificar o cálculo, a melhor maneira de encontrar o valor do trabalho de uma força variável é com o auxílio de um gráfico, onde um dos eixos, normalmente o Força e deslocamento com mesma direção e mesmo sentido ________________________________________________ *Anotações* 83 _____________________________________________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________ ______________ _____________________________________________________________________________________________________________ SEE-AC Coordenação de Ensino Médio CNF Física CNF Física _________________________________________________________________________________________________________________________ vertical, representa o comportamento da força, e o outro eixo, horizontal, o deslocamento da força. Com o gráfico em mãos, para determinar o trabalho, basta calcular a área compreendida entre o gráfico e o eixo do deslocamento, desde um ponto inicial até um ponto final do movimento. Supomos que a força e o deslocamento estejam ao longo de dois eixos, como mostra o gráfico abaixo: andar, sua energia potencial será considerável, já que ao cair lá de cima será capaz de realizar um trabalho (amassar um carro, furar a calçada etc.). Quando a energia potencial de um corpo depende da força da gravidade — como a pedra citada acima —, dizemos que ela possui energia potencial gravitacional, calculada pela fórmula , em que é a força-peso que atua sobre o corpo e , seu deslocamento vertical. *ATENÇÃO, ESTUDANTE!* Para complementar o estudo deste Módulo, utilize seu LIVRO DIDÁTICO. *********** ATIVIDADES *********** Texto para as questões 1 e 2. FIGURAS: © ESTÚDIO KANNO Trabalho: essa grandeza, de símbolo , está associada com a medida de energia. O trabalho de uma força constante sobre um corpo qualquer, que forma com o deslocamento um ângulo , é dado pela fórmula . Potência ( ) é uma grandeza física definida como a razão entre a energia produzida, transferida ou transformada e o intervalo de tempo necessário para essa transformação. Energia representa a capacidade de realizar trabalho ou uma ação. Ela pode se apresentar de diversas formas: elétrica, solar, nuclear, térmica, química e mecânica, entre outras. Joule é a unidade de energia e trabalho no Sistema Internacional. Um joule equivale à aplicação da força de 1 newton pela distância de 1 metro. O kWh é outra unidade para medir energia, muito comum nas contas de luz das residências. Um kWh (o mesmo que 103 Wh) equivale a 3,6 x 106 J (ou 3,6 MJ). Por definição, 1 Wh é a quantidade de energia usada para alimentar uma carga com potência de 1 watt pelo período de uma hora. Energia cinética é a que um corpo possui em razão de seu movimento. A energia cinética depende da massa e da velocidade do corpo. Quanto maiores a massa e a velocidade, maior a energia cinética. A fórmula para calcular energia cinética é . Energia potencial é a que um corpo tem em razão de sua posição. Uma pedra sobre o solo terá uma energia potencial desprezível. Mas, se ela for segurada por uma pessoa na janela do terceiro A aposta nas energias renováveis Para conter o aquecimento global, países investem em fontes alternativas © ITAMAR AGUIAR A geração de energia eólica no Brasil é promissora principalmente no litoral do Nordeste, onde os ventos apresentam velocidades propícias A preocupação com o meio ambiente e as mudanças climáticas têm feito com que vários países, entre eles o Brasil, invistam cada vez mais em fontes energéticas limpas, renováveis e alternativas aos combustíveis fósseis, como o petróleo, um dos “vilões” do aquecimento global. Duas das mais promissoras são a energia solar e a eólica, que usam, respectivamente, a radiação solar e a força dos ventos como “combustível”. Em estágio não tão avançado se encontra a energia das marés — ou maremotriz —, que se vale do movimento das massas de água do mar para gerar eletricidade. 84 _____________________________________________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________ ______________ _____________________________________________________________________________________________________________ SEE-AC Coordenação de Ensino Médio CNF Física CNF Física _________________________________________________________________________________________________________________________ O Brasil tem grande potencial de obtenção de energia de natureza eólica, principalmente na costa nordestina. Essa região apresenta velocidades de vento propícias ao aproveitamento da energia eólica em larga escala. A energia eólica é medida por meio de sensores de velocidade e direção do vento, chamados anemômetros. A velocidade dos ventos é medida em metros por segundo (m/s), embora possa ser utilizado também quilômetro por hora (km/h). A instalação de turbinas eólicas é viável em locais onde a velocidade média anual seja superior a 3,6 m/s. Embora o potencial eólico seja grande no país, apenas 0,5% da nossa matriz energética, que é de 457,6 milhões de megawatt-hora (MWh), corresponde a essa fonte energética. Quando se trata de energia solar, o Brasil, em razão de sua localização no globo terrestre, entre a Linha do Equador e o Trópico de Capricórnio, apresenta condições bastante favoráveis à sua geração. Essa energia é obtida por meio da conversão direta da luz do Sol em eletricidade. Isso se faz por meio de painéis contendo um conjunto de células solares responsáveis pelo efeito fotovoltaico, que consiste na geração de uma diferença de potencial elétrico pela radiação. Esse efeito acontece quando fótons (energia que o Sol emite) incidem sobre átomos (normalmente átomos de silício das células solares), provocando a emissão de elétrons, produzindo corrente elétrica. Devido à facilidade (técnica e financeira), essa é uma fonte promissora não somente para os órgãos públicos para obtenção de energia em larga escala, mas também para o cidadão comum. Ela vem sendo cada vez mais utilizada por pequenos usuários em condomínios, prédios e casas, principalmente para o aquecimento de água. A energia solar é medida por aparelhos chamados de piranômetros, solarímetros ou radiômetros. A potência solar instantânea que incide por unidade de área costuma ser medida em watt por metro quadrado (W/m2), sendo que a energia incidente por unidade de área é representada em quilowatt-hora por metro quadrado (kWh/m2). Outras unidades, como joule por metro quadrado (J/m2) e caloria por centímetro quadrado (cal/cm2), também são utilizadas correntemente para energia incidente. Segundo estimativas, a média anual de energia solar incidente por dia na maior parte do Brasil varia entre 4 kWh/m2 e 5 kWh/m2. A energia das marés é obtida de forma similar à da energia hidrelétrica. Primeiro, é preciso construir uma barragem, formando um reservatório no mar. Quando a maré é alta, a água enche o reservatório, passando por uma turbina e produzindo energia elétrica. Na maré baixa, o reservatório é esvaziado e a água que sai dele passa novamente pela turbina, em sentido contrário, produzindo mais energia. O Brasil tem grande amplitude de marés em alguns pontos de sua costa, como na Baía de São Marcos, em São Luís (MA), mas a topografia do litoral inviabiliza economicamente a construção de reservatórios, o que dificulta a instalação de usinas para geração de energia das marés em nosso litoral. .1. (AED-SP) Qual é a velocidade mínima dos ventos para viabilizar a instalação de turbinas eólicas em determinado local? ___________________________________________________ ___________________________________________________ .2. (AED-SP) Que elemento químico compõe as células fotovoltaicas dos painéis solares? Justifique. ___________________________________________________ ___________________________________________________ ___________________________________________________ ___________________________________________________ .3. (ENEM-MEC) Uma das modalidades presentes nas Olimpíadas é o salto com vara. As etapas de um dos saltos de um atleta estão representadas na figura: Desprezando-se as forças dissipativas (resistência do ar e atrito), para que o salto atinja a maior altura possível, ou seja, o máximo de energia seja conservada, é necessário que (A) a energia cinética, representada na etapa I, seja totalmente convertida em energia potencial elástica, representada na etapa IV. (B) a energia cinética, representada na etapa II, seja totalmente convertida em energia potencial gravitacional, representada na etapa IV. (C) a energia cinética, representada na etapa I, seja totalmente convertida em energia potencial gravitacional, representada na etapa III. (D) a energia potencial gravitacional, representada na etapa II, seja totalmente convertida em energia potencial elástica, representada na etapa IV. (E) a energia potencial gravitacional, representada na etapa I, seja totalmente convertida em energia potencial elástica, representada na etapa III. Superinteressante, ago. 2010. 85 _____________________________________________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________ ______________ _____________________________________________________________________________________________________________ SEE-AC Coordenação de Ensino Médio CNF Física CNF Física _________________________________________________________________________________________________________________________ .4. (ENEM-MEC) .6. (ENEM-MEC) Com o objetivo de se testar a eficiência de fornos de micro-ondas, planejou-se o aquecimento em 10 ºC de amostras de diferentes substâncias, cada uma com determinada massa, em cinco fornos de marcas distintas. Nesse teste, cada forno operou à potência máxima. Deseja-se instalar uma estação de geração de energia elétrica em um município localizado no interior de um pequeno vale cercado de altas montanhas de difícil acesso. A cidade é cruzada por um rio, que é fonte de água para consumo, irrigação das lavouras de subsistência e pesca. Na região, que possui pequena extensão territorial, a incidência solar é alta o ano todo. A estação em questão irá abastecer apenas o município apresentado. O forno mais eficiente foi aquele que (A) forneceu a maior quantidade de energia às amostras. (B) cedeu energia à amostra de maior massa em mais tempo. (C) forneceu a maior quantidade de energia em menos tempo. (D) cedeu energia à amostra de menor calor específico mais lentamente. (E) forneceu a menor quantidade de energia às amostras em menos tempo. Qual forma de obtenção de energia, entre as apresentadas, é a mais indicada para ser implantada nesse município de modo a causar o menor impacto ambiental? (A) Termelétrica, pois é possível utilizar a água do rio no sistema de refrigeração. (B) Eólica, pois a geografia do local é própria para a captação desse tipo de energia. (C) Nuclear, pois o modo de resfriamento de seus sistemas não afetaria a população. (D) Fotovoltaica, pois é possível aproveitar a energia solar que chega à superfície do local. (E) Hidrelétrica, pois o rio que corta o município é suficiente para abastecer a usina construída. .5. (ENEM-MEC) A energia elétrica consumida nas residências é medida, em quilowatt-hora, por meio de um relógio medidor de consumo. Nesse relógio, da direita para a esquerda, tem-se o ponteiro da unidade, da dezena, da centena e do milhar. Se um ponteiro estiver entre dois números, considera-se o último número ultrapassado pelo ponteiro. Suponha que as medidas indicadas nos esquemas seguintes tenham sido feitas em uma cidade em que o preço do quilowatt-hora fosse de R$ 0,20. .7. (ENEM-MEC) A instalação elétrica de uma casa envolve várias etapas, desde a alocação dos dispositivos, instrumentos e aparelhos elétricos, até a escolha dos materiais que a compõem, passando pelo dimensionamento da potência requerida, da fiação necessária, dos eletrodutos*, entre outras. Para cada aparelho elétrico existe um valor de potência associado. Valores típicos de potências para alguns aparelhos elétricos são apresentados no quadro seguinte: Aparelhos Aparelho de som Chuveiro elétrico Ferro elétrico Televisor Geladeira Rádio * Eletrodutos são condutos por onde passa a fiação de uma instalação elétrica, com a finalidade de protegê-la. FILHO, A. G.; BAROLLI, E. Instalação Elétrica. São Paulo: Scipione, 1997. A escolha das lâmpadas é essencial para obtenção de uma boa iluminação. A potência da lâmpada deverá estar de acordo com o tamanho do cômodo a ser iluminado. O quadro a seguir mostra a relação entre as áreas dos cômodos (em m2) e as potências das lâmpadas (em W), e foi utilizado como referência para o primeiro pavimento de uma residência. O valor a ser pago pelo consumo de energia elétrica registrado seria de (A) (B) (C) (D) (E) Potência (W) 120 3.000 500 200 200 50 R$ 41,80. R$ 42,00. R$ 43,00. R$ 43,80. R$ 44,00. 86 _____________________________________________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________ ______________ _____________________________________________________________________________________________________________ SEE-AC Coordenação de Ensino Médio CNF Física CNF Física _________________________________________________________________________________________________________________________ Área do cômodo (m2) Até 6,0 6,0 a 7,5 7,5 a 10,5 (A) (B) (C) (D) (E) Potência da lâmpada (W) Sala/copa/ cozinha 60 100 100 Quarto, varanda e corredor 60 100 100 Banheiro 60 60 100 mecânica energia elétrica. nuclear energia elétrica. química energia elétrica. química energia térmica. radiante energia elétrica. .9. (ENEM-MEC) Obs.: Para efeitos desconsideradas. dos cálculos das áreas, as paredes Uma fonte de energia que não agride o ambiente, é totalmente segura e usa um tipo de matéria-prima infinita é a energia eólica, que gera eletricidade a partir da força dos ventos. O Brasil é um país privilegiado por ter o tipo de ventilação necessária para produzi-la. Todavia, ela é a menos usada na matriz energética brasileira. O Ministério de Minas e Energia estima que as turbinas eólicas produzam apenas 0,25% da energia consumida no país. Isso ocorre porque ela compete com uma usina mais barata e eficiente: a hidrelétrica, que responde por 80% da energia do Brasil. O investimento para se construir uma hidrelétrica é de aproximadamente US$ 100 por quilowatt. Os parques eólicos exigem investimento de cerca de US$ 2 mil por quilowatt e a construção de uma usina nuclear, de aproximadamente US$ 6 mil por quilowatt. Instalados os parques, a energia dos ventos é bastante competitiva, custando R$ 200,00 por megawatt-hora frente a R$ 150,00 por megawatt-hora das hidrelétricas e a R$ 600,00 por megawatt-hora das termelétricas. são Considerando a planta baixa fornecida, com todos os aparelhos em funcionamento, a potência total, em watts, será de (A) (B) (C) (D) (E) 4.070. 4.270. 4.320. 4.390. 4.470. Época, 21/4/2008 (com adaptações). De acordo com o texto, entre as razões que contribuem para a menor participação da energia eólica na matriz energética brasileira, inclui-se o fato de .8. (ENEM-MEC) A eficiência de um processo de conversão de energia, definida como sendo a razão entre a quantidade de energia ou trabalho útil e a quantidade de energia que entra no processo, é sempre menor que 100% devido a limitações impostas por leis físicas. A tabela a seguir, mostra a eficiência global de vários processos de conversão. (A) haver, no país, baixa disponibilidade de ventos que podem gerar energia elétrica. (B) o investimento por quilowatt exigido para a construção de parques eólicos ser de aproximadamente 20 vezes o necessário para a construção de hidrelétricas. (C) o investimento por quilowatt exigido para a construção de parques eólicos ser igual a 1/3 do necessário para a construção de usinas nucleares. (D) o custo médio por megawatt-hora de energia obtida após instalação de parques eólicos ser igual a 1,2 multiplicado pelo custo médio do megawatt-hora obtido das hidrelétricas. (E) o custo médio por megawatt-hora de energia obtida após instalação de parques eólicos ser igual a 1/3 do custo médio do megawatt-hora obtido das termelétricas. TABELA Eficiência de alguns sistemas de conversão de energia Sistema Geradores elétricos Motor elétrico Fornalha a gás Termelétrica a carvão Usina nuclear Lâmpada fluorescente Lâmpada incandescente Célula solar Eficiência 70 – 99% 50 – 95% 70 – 95% 30 – 40% 30 – 35% 20% 5% 5 – 28% HINRICHS, R. A.; KLEINBACH, M. Energia e meio ambiente. São Paulo: Pioneira Thompson Learning, 2003 (adaptado). ________________________________________________ *Anotações* Se essas limitações não existissem, os sistemas mostrados na tabela, que mais se beneficiariam de investimentos em pesquisa para terem suas eficiências aumentadas, seriam aqueles que envolvem as transformações de energia 87 _____________________________________________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________ ______________ _____________________________________________________________________________________________________________ SEE-AC Coordenação de Ensino Médio CNF Física CNF Física _________________________________________________________________________________________________________________________ .10. (ENEM-MEC) A energia geotérmica tem sua origem no núcleo derretido da Terra, onde as temperaturas atingem 4.000 ºC. Essa energia é primeiramente produzida pela decomposição de materiais radiativos dentro do planeta. Em fontes geotérmicas, a água, aprisionada em um reservatório subterrâneo, é aquecida pelas rochas ao redor e fica submetida a altas pressões, podendo atingir temperaturas de até 370 ºC sem entrar em ebulição. Ao ser liberada na superfície, à pressão ambiente, ela se vaporiza e se resfria, formando fontes ou gêiseres. O vapor de poços geotérmicos é separado da água e é utilizado no funcionamento de turbinas para gerar eletricidade. A água quente pode ser utilizada para aquecimento direto ou em usinas de dessalinização. As energias I e II, representadas no esquema acima, podem ser identificadas, respectivamente, como (A) (B) (C) (D) (E) HINRICHS, R. A.; KLEINBACH, M. Energia e meio ambiente. São Paulo: Ed. ABDR, 2001 (com adaptações). cinética e elétrica. térmica e cinética. térmica e elétrica. sonora e térmica. radiante e elétrica. .12. (ENEM-MEC) O uso mais popular de energia solar está associado ao fornecimento de água quente para fins domésticos. Na figura a seguir, é ilustrado um aquecedor de água constituído de dois tanques pretos dentro de uma caixa termicamente isolada e com cobertura de vidro, os quais absorvem energia solar. Depreende-se das informações acima que as usinas geotérmicas (A) utilizam a mesma fonte primária de energia que as usinas nucleares, sendo, portanto, semelhantes os riscos decorrentes de ambas. (B) funcionam com base na conversão de energia potencial gravitacional em energia térmica. (C) podem aproveitar a energia química transformada em térmica no processo de dessalinização. (D) assemelham-se às usinas nucleares no que diz respeito à conversão de energia térmica em cinética e, depois, em elétrica. (E) transformam inicialmente a energia solar em energia cinética e, depois, em energia térmica. .11. (ENEM-MEC) HINRICHS, R. A.; KLEINBACH, M. Energia e meio ambiente. 3.ª ed. São Paulo: Thompson, 2004, p. 529 (com adaptações). Nesse sistema de aquecimento, (A) os tanques, por serem de cor preta, são maus absorvedores de calor e reduzem as perdas de energia. (B) a cobertura de vidro deixa passar a energia luminosa e reduz a perda de energia térmica utilizada para o aquecimento. (C) a água circula devido à variação de energia luminosa existente entre os pontos X e Y. (D) a camada refletiva tem como função armazenar energia luminosa. (E) o vidro, por ser bom condutor de calor, permite que se mantenha constante a temperatura no interior da caixa. IstoÉ, n.º 1.864, set./2005, p. 69 (com adaptações). Com o projeto de mochila ilustrado acima, pretende-se aproveitar, na geração de energia elétrica para acionar dispositivos eletrônicos portáteis, parte da energia desperdiçada no ato de caminhar. As transformações de energia envolvidas na produção de eletricidade enquanto uma pessoa caminha com essa mochila podem ser assim esquematizadas: 88 _____________________________________________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________ ______________ _____________________________________________________________________________________________________________ SEE-AC Coordenação de Ensino Médio CNF Física CNF Física _________________________________________________________________________________________________________________________ .13. (ENEM-MEC) II. A figura abaixo ilustra uma gangorra de brinquedo feita com uma vela. A vela é acesa nas duas extremidades e, inicialmente, deixa-se uma das a metade das turbinas funcionando em capacidade máxima e o restante, com 20% da capacidade máxima. III. extremidades mais baixa que a outra. A combustão da quatorze turbinas funcionando em capacidade máxima, uma com 40% da capacidade máxima e parafina da extremidade mais baixa provoca a fusão. A as demais desligadas. parafina da extremidade mais baixa da vela pinga mais rapidamente que na outra extremidade. O pingar da Está correta a situação descrita parafina fundida resulta na diminuição da massa da vela (A) apenas em I. (B) apenas em II. (C) apenas em I e III. na extremidade mais baixa, o que ocasiona a inversão das posições. Assim, enquanto a vela queima, oscilam as duas extremidades. (D) apenas em II e III. (E) em I, II e III. .15. (ENEM-MEC) Observe a situação descrita na tirinha abaixo. Nesse brinquedo, observa-se a seguinte sequência de transformações de energia: (A) energia resultante de processo químico potencial gravitacional energia cinética energia (B) energia potencial gravitacional energia elástica energia cinética (C) energia cinética energia resultante de processo químico energia potencial gravitacional (D) energia mecânica energia luminosa energia potencial gravitacional (E) energia resultante de processo químico luminosa energia cinética energia CARUSO, Francisco; DAOU, Luísa. Tirinhas de Física. Rio de Janeiro: CBPF, 2000. Vol. 2. .14. (ENEM-MEC) Não é nova a ideia de se extrair energia dos oceanos aproveitando-se a diferença das marés alta e baixa. Em 1967, os franceses instalaram a primeira usina “maremotriz”, construindo uma barragem equipada de 24 turbinas, aproveitando-se a potência máxima instalada de 240 MW, suficiente para a demanda de uma cidade com 200 mil habitantes. Aproximadamente 10% da potência total instalada são demandados pelo consumo residencial. Nessa cidade francesa, aos domingos, quando Assim que o menino lança a flecha, há transformação de um tipo de energia em outra. A transformação, nesse caso, é de energia (A) (B) (C) (D) (E) ________________________________________________ parcela dos setores industrial e comercial para, a demanda diminui 40%. Assim, a produção de energia correspondente à demanda aos domingos será atingida mantendo-se I. potencial elástica em energia gravitacional. gravitacional em energia potencial. potencial elástica em energia cinética. cinética em energia potencial elástica. gravitacional em energia cinética. *Anotações* todas as turbinas em funcionamento, com 60% da capacidade máxima de produção de cada uma delas. 89 _____________________________________________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________ ______________ _____________________________________________________________________________________________________________ SEE-AC Coordenação de Ensino Médio CNF Física CNF Física _________________________________________________________________________________________________________________________ .16. (ENEM-MEC) .18. (ENEM-MEC) Podemos estimar o consumo de energia elétrica de uma casa considerando as principais fontes desse consumo. Pense na situação em que apenas os aparelhos que constam da tabela abaixo fossem utilizados diariamente da mesma forma. O setor de transporte, que concentra uma grande parcela da demanda de energia no país, continuamente busca alternativas de combustíveis. Investigando alternativas ao óleo diesel, alguns especialistas apontam para o uso do óleo de girassol, menos poluente e de fonte renovável, ainda em fase experimental. Foi constatado que um trator pode rodar, nas mesmas condições, mais tempo com um litro de óleo de girassol, que com um litro de óleo diesel. TABELA: A tabela fornece a potência e o tempo efetivo de uso diário de cada aparelho doméstico. Aparelho Ar-condicionado Chuveiro elétrico Freezer Geladeira Lâmpadas Potência (kW) 1,5 3,3 0,2 0,35 0,10 Tempo de uso diário (horas) 8 1/3 10 10 6 Portanto, essa constatação significaria que, usando óleo de girassol, (A) o consumo por km seria maior do que com óleo diesel. (B) as velocidades atingidas seriam maiores do que com óleo diesel. (C) o combustível do tanque acabaria em menos tempo do que com óleo diesel. (D) a potência desenvolvida pelo motor, em uma hora, seria menor do que com óleo diesel. (E) a energia liberada por um litro desse combustível seria maior do que por um de óleo diesel. Supondo que o mês tenha 30 dias e que o custo de 1 kWh é de R$ 0,40, o consumo de energia elétrica mensal dessa casa é de, aproximadamente, (A) (B) (C) (D) (E) R$ 135. R$ 165. R$ 190. R$ 210. R$ 230. .19. (ENEM-MEC) .17. (ENEM-MEC) No Brasil, o sistema de transporte depende do uso de combustíveis fósseis e de biomassa, cuja energia é convertida em movimento de veículos. Para esses combustíveis, a transformação de energia química em energia mecânica acontece Águas de março definem se falta luz este ano Esse foi o título de uma reportagem em jornal de circulação nacional, pouco antes do início do racionamento do consumo de energia elétrica, em 2001. (A) na combustão, que gera gases quentes para mover os pistões no motor. (B) nos eixos, que transferem torque às rodas e impulsionam o veículo. (C) na ignição, quando a energia elétrica é convertida em trabalho. (D) na exaustão, quando gases quentes são expelidos para trás. (E) na carburação, com a difusão do combustível no ar. No Brasil, a relação entre a produção de eletricidade e a utilização de recursos hídricos, estabelecida nessa manchete, se justifica porque (A) a geração de eletricidade nas usinas hidrelétricas exige a manutenção de um dado fluxo de água nas barragens. (B) o sistema de tratamento da água e sua distribuição consomem grande quantidade de energia elétrica. (C) a geração de eletricidade nas usinas termelétricas utiliza grande volume de água para refrigeração. (D) o consumo de água e de energia elétrica utilizadas na indústria compete com o da agricultura. (E) é grande o uso de chuveiros elétricos, cuja operação implica abundante consumo de água. .20. (ENEM-MEC) Em usinas hidrelétricas, a queda d’água move turbinas que acionam geradores. Em usinas eólicas, os geradores são acionados por hélices movidas pelo vento. Na conversão direta solar-elétrica, são células fotovoltaicas que produzem tensão elétrica. Além de todos produzirem eletricidade, esses processos têm em comum o fato de ________________________________________________ *Anotações* (A) (B) (C) (D) (E) 90 não provocarem impacto ambiental. independerem de condições climáticas. a energia gerada poder ser armazenada. utilizarem fontes de energia renováveis. dependerem das reservas de combustíveis fósseis. _____________________________________________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________ ______________ _____________________________________________________________________________________________________________ SEE-AC Coordenação de Ensino Médio CNF Física CNF Física _________________________________________________________________________________________________________________________ . Mas existem também as forças dissipativas ou não conservativas, que são aquelas cujo trabalho depende da trajetória do corpo. Um exemplo desse tipo de força é o atrito. Sabendo disso, como se dá a conservação da energia mecânica de um sistema fechado? Veja o exemplo a seguir: quando um corpo se encontra numa altura qualquer, ele é dotado de energia potencial — é o caso de um carrinho de montanha-russa. Ao ser abandonado e despencar lá de cima, num sistema ideal ou sem perdas, a energia total é conservada e sua energia potencial se transforma integralmente em cinética. Observe que houve transformação de um tipo de energia em outro. Como escrever essa relação matematicamente? Simples: se toda energia é convertida, então podemos dizer que a energia mecânica num ponto A é igual num ponto B, ou seja, . Normalmente, a energia mecânica é apresentada em forma de cinética e potencial. No caso do exemplo anterior, o carrinho de montanha-russa tem no ponto mais alto, ponto A, energia cinética e potencial gravitacional. Ao descer para um ponto B, sua energia potencial diminui e é convertida em energia cinética. Como a energia cinética aumenta, a velocidade do carrinho também aumenta. Num sistema real ou com perdas, a energia potencial também é transformada em cinética — garantindo o movimento —, mas parcialmente. Parte dela é transformada em térmica, por causa do atrito, e sonora, por exemplo. Mas onde estão as perdas? Esses dois tipos de energia (térmica e sonora) são considerados perdas, pois não são aproveitados no sistema — já que não são usados no movimento. Em resumo, podemos ter dois casos: sistema conservativo (quando não temos perdas) e sistema dissipativo (quando parte da energia não é aproveitada). É importante lembrar que a energia não é realmente criada nem perdida; ela é sempre transformada em outros tipos. Quando a energia da transformação não for aproveitável no sistema, então consideramos que houve perdas. *MÓDULO 4* Energia – Conservação e dissipação Nada se perde, tudo se conserva O texto de abertura da seção “Atividades” deste Módulo faz referência à lei ou ao princípio geral de conservação de energia. Ele estabelece que a quantidade de energia de um sistema isolado (que não interage com outro) permanece sempre constante. Uma consequência direta dessa lei é que a energia não pode ser criada nem destruída, mas, simplesmente, transformada. Isso acontece nas hidrelétricas, quando a energia potencial das quedas-d’água se transforma em energia cinética. Em seguida, ao mover os geradores das usinas, muda novamente de forma, gerando eletricidade. Nos automóveis, também ocorre uma transformação, mas de outra natureza: a energia térmica que faz o motor funcionar se transforma em energia cinética, movendo os veículos. Já no liquidificador que você tem em casa, a energia elétrica que chega ao aparelho é convertida em energia mecânica, fazendo suas hélices girar. Para entender como os físicos chegaram à formulação do princípio de conservação de energia, é preciso compreender antes os conceitos de forças conservativas e dissipativas. Quando um corpo qualquer se desloca do ponto A até o ponto B, seguindo uma trajetória 1, o trabalho que ele realizou é expresso pela diferença entre a energia potencial do corpo no ponto B e a energia potencial do corpo no ponto A . Essa regra vale para qualquer tipo de deslocamento, por mais irregular e tortuoso que ele seja. O princípio de conservação de energia estabelece que a quantidade de energia de um sistema isolado (que não interage com outro) é sempre constante. Com isso, podemos concluir que a energia não pode ser criada nem destruída, mas, simplesmente, transformada em alguma outra forma. Forças conservativas são aquelas cujo trabalho realizado não depende do caminho percorrido pelo corpo. A equação para calcular o trabalho que elas realizam será sempre . Se apenas forças conservativas atuarem sobre o corpo em movimento, sua energia mecânica total permanecerá constante para qualquer ponto da trajetória. Isso O gráfico mostra que, num sistema conservativo, a energia total se mantém constante Na natureza, encontramos vários exemplos de forças cujo trabalho realizado não depende da trajetória do corpo. Isso acontece, por exemplo, com a força elástica das molas e até com a força elétrica. Essas forças cujo trabalho realizado independe do caminho percorrido são chamadas forças conservativas. A fórmula para calcular o trabalho que elas realizam será sempre 91 _____________________________________________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________ ______________ _____________________________________________________________________________________________________________ SEE-AC Coordenação de Ensino Médio CNF Física CNF Física _________________________________________________________________________________________________________________________ quer dizer que a energia mecânica do sistema se conservará. Texto para as questões de 1 a 3. Também chamadas de não conservativas, as forças dissipativas são aquelas cujo trabalho depende da trajetória do corpo. Um exemplo desse tipo de força é o atrito. A noção de rendimento na Física está associada aos conceitos de energia e potência. Dizemos que o rendimento de uma máquina é expresso pela relação entre a potência útil (ou utilizada) e a potência total fornecida a ela. A fórmula para calcular rendimento é: . Força elástica: a força exercida por uma mola é dada pela equação , onde é a deformação sofrida pela mola a partir do seu comprimento natural e , uma constante, específica para cada mola, denominada constante elástica da mola. A deformação está relacionada ao acréscimo no comprimento sofrido pela mola quando ela é esticada ou à redução do comprimento quando ela é comprimida. *********** ATIVIDADES *********** Benditos rios Cerca de 70% da energia elétrica no Brasil é gerada pela força das águas. Embora seja uma fonte renovável, ela não está livre de problemas ambientais © DIVULGAÇÃO Construída no rio Paraná, na fronteira entre Brasil e Paraguai, a Usina de Itaipu é a maior do mundo em capacidade de geração de energia A energia potencial elástica é definida pelo trabalho que a mola realiza sobre o corpo ao empurrá-lo até a posição normal da mola, isto é, em que ela para de sofrer qualquer deformação. A fórmula para chegar ao cálculo da energia potencial elástica é . Quanto maiores forem a constante da mola e sua deformação , maior será a energia potencial elástica do corpo. A 1.ª Lei de Kepler afirma que, ao contrário do que defendia Copérnico, os planetas se movem em torno do Sol em órbitas elípticas (e não circulares), com o Sol num dos focos da elipse. A 2.ª Lei de Kepler diz que o vetor que liga o Sol aos planetas percorre áreas iguais em tempos iguais. A 3.ª Lei de Kepler diz que os quadrados dos tempos das revoluções siderais dos planetas são proporcionais aos cubos dos semieixos maiores de suas órbitas. A Lei da Gravitação Universal, formulada por Isaac Newton, diz que dois corpos quaisquer se atraem com uma força proporcional ao produto de suas massas e inversamente proporcional ao quadrado da distância entre eles. Equacionando: . O Brasil é um dos países que mais investem em energia hidrelétrica, gerada nos rios. Não por acaso, a Usina de Itaipu, a maior do planeta em geração de energia, está localizada em nosso território, na fronteira com o Paraguai. Segundo a Agência Nacional de Energia Elétrica (Aneel), por volta de 70% de toda a energia elétrica produzida no país vem de fonte hidráulica, que é considerada limpa e renovável. O princípio básico de funcionamento de uma usina é usar a força de uma queda-d’água para gerar energia elétrica. Fisicamente falando, dizemos que a energia potencial da queda-d’água se transforma em energia cinética e, em seguida, é convertida em eletricidade (energia elétrica). Esse processo é explicado pelo princípio geral de conservação de energia, que diz que a energia total de um sistema é constante. Ela pode sofrer transformações, mas não pode ser criada nem destruída. Para funcionar, as hidrelétricas precisam ter um grande reservatório de água, formado pelo represamento de um rio. Junto dele fica o vertedouro, a parte mais visível da usina. Ele é empregado para controlar o nível das águas do reservatório, evitando que transborde. O vertedouro da usina hidrelétrica de Tucuruí, no rio Tocantins, no Pará, é o maior do mundo. Um equipamento fundamental das hidrelétricas são suas enormes turbinas, parecidas com cata-ventos gigantes. Elas ficam embutidas na estrutura da hidrelétrica e não são visíveis. Impulsionadas pela pressão da água do rio represado, as turbinas acionam geradores que são responsáveis pela transformação de energia. Depois de “gerada” — termo popularmente usado —, a eletricidade é conduzida através de cabos *ATENÇÃO, ESTUDANTE!* Para complementar o estudo deste Módulo, utilize seu LIVRO DIDÁTICO. 92 _____________________________________________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________ ______________ _____________________________________________________________________________________________________________ SEE-AC Coordenação de Ensino Médio CNF Física CNF Física _________________________________________________________________________________________________________________________ até uma subestação, junto à hidrelétrica, onde transformadores irão elevar sua tensão (ou voltagem). Isso é essencial para que a energia possa ser transportada por grandes distâncias até as cidades. Mesmo com o considerável número de usinas hidrelétricas existentes no país, vivemos, no começo desta década, um período de racionamento provocado, entre outros motivos, pela falta de chuvas. Mas qual é a relação entre chuvas e eletricidade? Simples: quando há um período grande de seca, os rios perdem volume e o nível do reservatório das usinas cai, reduzindo a força da queda-d’água. Assim, as turbinas giram mais lentamente e produzem menos energia. Após a crise de 2001, que levou ao “apagão”, o governo tomou medidas para evitar que a situação se repetisse. Hoje, grandes empreendimentos hidrelétricos, como o complexo do rio Madeira, formado pelas usinas de Santo Antônio e Jirau, estão sendo construídos em Rondônia. Outra megausina, a de Belo Monte (um pouco menor do que Itaipu), deverá começar a ser construída em breve no rio Xingu, no Pará. Essa é a maior obra do Programa de Aceleração do Crescimento (PAC), do governo federal. Alvo de críticas de ambientalistas, pela inundação que causam para a formação dos reservatórios, as grandes hidrelétricas, segundo especialistas, são fundamentais para garantir o abastecimento energético do país nas próximas décadas. .4. (ENEM-MEC) A tabela a seguir apresenta alguns exemplos de processos, fenômenos ou objetos em que ocorrem transformações de energia. Nessa tabela, aparecem as direções de transformação de energia. Por exemplo, o termopar é um dispositivo onde energia térmica se transforma em energia elétrica. Dentre os processos indicados na tabela, ocorre conservação de energia (A) em todos os processos. (B) somente nos processos que envolvem transformações de energia sem dissipação de calor. (C) somente nos processos que envolvem transformações de energia mecânica. (D) somente nos processos que não envolvem energia química. (E) somente nos processos que não envolvem nem energia química nem energia térmica. Superinteressante, ago. 2010. .5. (ENEM-MEC) .1. (AED-SP) O esquema abaixo mostra, em termos de potência (energia/tempo), aproximadamente, o fluxo de energia, a partir de uma certa quantidade de combustível vinda do tanque de gasolina, em um carro viajando com velocidade constante. O texto acima faz referência ao princípio geral de conservação de energia. Você seria capaz de enunciá-lo? ___________________________________________________ ___________________________________________________ ___________________________________________________ ___________________________________________________ .2. (AED-SP) De acordo com a Agência Nacional de Energia Elétrica (Aneel), qual é a principal fonte energética brasileira e a que percentual ela corresponde de nossa matriz elétrica? ___________________________________________________ ___________________________________________________ ___________________________________________________ ___________________________________________________ O esquema mostra que, na queima da gasolina, no motor de combustão, uma parte considerável de sua energia é dissipada. Essa perda é da ordem de .3. (AED-SP) Que medidas o governo brasileiro tomou para evitar que ocorram racionamentos de energia no futuro? (A) (B) (C) (D) (E) ___________________________________________________ ___________________________________________________ ___________________________________________________ ___________________________________________________ 93 80%. 70%. 50%. 30%. 20%. _____________________________________________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________ ______________ _____________________________________________________________________________________________________________ SEE-AC Coordenação de Ensino Médio CNF Física CNF Física _________________________________________________________________________________________________________________________ altura máxima H, em relação a CD. A velocidade do esqueitista no trecho CD e a altura máxima H são, respectivamente, iguais a .6. (ENEM-MEC) Na avaliação da eficiência de usinas quanto à produção e aos impactos ambientais, utilizam-se vários critérios, tais como: razão entre produção efetiva anual de energia elétrica e potência instalada ou razão entre potência instalada e área inundada pelo reservatório. No quadro seguinte, esses parâmetros são aplicados às duas maiores hidrelétricas do mundo: Itaipu, no Brasil, e Três Gargantas, na China. parâmetros potência instalada produção efetiva de energia elétrica área inundada pelo reservatório Itaipu 12.600 MW 93 bilhões de kWh/ano Três Gargantas 18.200 MW 84 bilhões de kWh/ano 1.400 km2 1.000 km2 (A) (B) (C) (D) (E) NOTE E ADOTE g = 10 m/s2 Desconsiderar: Efeitos dissipativos. Movimentos do esqueitista em relação ao esqueite. .8. (INEP-MEC) www.itaipu.gov.br. O trabalho realizado por uma força conservativa independe da trajetória, o que não acontece com as forças dissipativas, cujo trabalho realizado depende da trajetória. São bons exemplos de forças conservativas e dissipativas, respectivamente, Com base nessas informações, avalie as afirmativas que se seguem: I. A energia elétrica gerada anualmente e a capacidade nominal máxima de geração da hidrelétrica de Itaipu são maiores que as da hidrelétrica de Três Gargantas. II. Itaipu é mais eficiente que Três Gargantas no uso da potência instalada na produção de energia elétrica. III. A razão entre potência instalada e área inundada pelo reservatório é mais favorável na hidrelétrica Três Gargantas do que em Itaipu. 5 m/s e 2,4 m. 7 m/s e 2,4 m. 7 m/s e 3,2 m. 8 m/s e 2,4 m. 8 m/s e 3,2 m. (A) (B) (C) (D) (E) peso e massa. peso e resistência do ar. força de contato e força normal. força elástica e força centrípeta. força centrípeta e força centrífuga. .9. (ENEM-MEC) A tabela abaixo resume alguns dados importantes sobre os satélites de Júpiter. É correto apenas o que se afirma em (A) (B) (C) (D) (E) I. II. III. I e III. II e III. Ao observar os satélites de Júpiter pela primeira vez, Galileu Galilei fez diversas anotações e tirou importantes conclusões sobre a estrutura de nosso universo. A figura abaixo reproduz uma anotação de Galileu referente a Júpiter e seus satélites. .7. (FUVEST-SP) Um esqueitista treina em uma pista cujo perfil está representado na figura a seguir. De acordo com essa representação e com os dados da tabela, os pontos indicados por 1, 2, 3 e 4 correspondem, respectivamente, a O trecho horizontal AB está a uma altura h = 2,4 m em relação ao trecho, também horizontal, CD. O esqueitista percorre a pista no sentido de A para D. No trecho AB, ele está com velocidade constante, de módulo v = 4 m/s; em seguida, desce a rampa BC, percorre o trecho CD, o mais baixo da pista, e sobe a outra rampa até atingir uma (A) (B) (C) (D) (E) 94 Io, Europa, Ganimedes e Calisto. Ganimedes, Io, Europa e Calisto. Europa, Calisto, Ganimedes e Io. Calisto, Ganimedes, Io e Europa. Calisto, Io, Europa e Ganimedes. _____________________________________________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________ ______________ _____________________________________________________________________________________________________________ SEE-AC Coordenação de Ensino Médio CNF Física CNF Física _________________________________________________________________________________________________________________________ .10. (ENEM-MEC) .12. (ENEM-MEC) O texto foi extraído da peça Tróilo e Créssida, de William Shakespeare, escrita, provavelmente, em 1601. Na linha de uma tradição antiga, o astrônomo grego Ptolomeu (100-170 d.C.) afirmou a tese do geocentrismo, segundo a qual a Terra seria o centro do universo, sendo “Os próprios céus, os planetas, e este centro reconhecem graus, prioridade, classe, constância, marcha, distância, estação, forma, função e regularidade, sempre iguais; eis por que o glorioso astro Sol está em nobre eminência entronizado e centralizado no meio dos outros, e o seu olhar benfazejo corrige os maus aspectos dos planetas malfazejos, e, qual rei que comanda, ordena sem entraves aos bons e aos maus.” que o Sol, a Lua e os planetas girariam em seu redor em órbitas circulares. A teoria de Ptolomeu resolvia de modo razoável os problemas astronômicos da sua época. Vários séculos mais tarde, o clérigo e astrônomo polonês Nicolau Copérnico (1473-1543), ao encontrar inexatidões na teoria de Ptolomeu, formulou a teoria do heliocentrismo, segundo a qual o Sol deveria ser considerado o centro do universo, com a Terra, a Lua e os planetas girando circularmente em torno dele. Por fim, o astrônomo e matemático alemão Johannes Kepler (1571-1630), depois de estudar o planeta Marte por cerca de trinta anos, verificou que a sua órbita é elíptica. Esse (personagem Ulysses, ato I, cena III) resultado generalizou-se para os demais planetas. SHAKESPEARE, W. Tróilo e Créssida: Porto: Lello & Irmão, 1948. A respeito dos estudiosos citados no texto, é correto afirmar que A descrição feita pelo dramaturgo renascentista inglês se aproxima da teoria (A) (B) (C) (D) (E) (A) Ptolomeu apresentou as ideias mais valiosas, por serem mais antigas e tradicionais. geocêntrica, do grego Claudius Ptolomeu. da reflexão da luz, do árabe Alhazen. heliocêntrica, do polonês Nicolau Copérnico. da rotação terrestre, do italiano Galileu Galilei. da gravitação universal, do inglês Isaac Newton. (B) Copérnico desenvolveu a teoria do heliocentrismo inspirado no contexto político do Rei Sol. (C) Copérnico viveu em uma época em que a pesquisa científica era livre e amplamente incentivada pelas autoridades. .11. (ENEM-MEC) (D) Kepler estudou o planeta Marte para atender às Para o registro de processos naturais e sociais, devem ser utilizadas diferentes escalas de tempo. Por exemplo, para a datação do sistema solar, é necessária uma escala de bilhões de anos, enquanto que, para a história do Brasil, basta uma escala de centenas de anos. necessidades de expansão econômica e científica da Alemanha. (E) Kepler apresentou uma teoria científica que, graças aos (A) (B) (C) (D) (E) aplicados, pôde ser testada e ________________________________________________ Assim, para os estudos relativos ao surgimento da vida no Planeta e para os estudos relativos ao surgimento da escrita, seria adequado utilizar, respectivamente, escalas de Vida no Planeta milhares de anos milhões de anos milhões de anos bilhões de anos bilhões de anos métodos generalizada. *Anotações* Escrita centenas de anos centenas de anos milhares de anos milhões de anos milhares de anos ________________________________________________ *Anotações* 95 _____________________________________________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________ ______________ _____________________________________________________________________________________________________________ SEE-AC Coordenação de Ensino Médio CNF Física CNF Física _________________________________________________________________________________________________________________________ .13. (ENEM-MEC) .14. (INEP-MEC) O ônibus espacial Atlantis foi lançado ao espaço com cinco astronautas a bordo e uma câmera nova, que iria substituir uma outra danificada por um curto-circuito no telescópio Hubble. Depois de entrarem em órbita a 560 km de altura, os astronautas se aproximaram do Hubble. Dois astronautas saíram da Atlantis e se dirigiram ao telescópio. Ao abrir a porta de acesso, um deles exclamou: “Esse telescópio tem a massa grande, mas o peso é pequeno.” Atualmente, o principal projeto da Nasa é a preparação da viagem tripulada a Marte, prevista para a segunda década do século XXI. Mais do que problemas técnicos, uma missão desse porte ainda é inviável pelo fator humano. No espaço, os astronautas sofrem de distúrbios do sono, alterações dos batimentos cardíacos, atrofias de músculos e ossos e depressão do sistema imunológico. Os cientistas precisam superar esses males antes de enviar uma tripulação para uma viagem de dois anos até Marte. A ida de Glenn ao espaço, aos 77 anos, faz parte desse projeto, já que os distúrbios sofridos pelos astronautas são semelhantes aos da velhice. Zero Hora, 23/10/1998. Sabe-se que a distância média de Marte ao Sol é maior que a da Terra ao Sol. Portanto, Marte leva _______ tempo que a Terra para dar uma volta completa em torno do Sol e sua velocidade orbital é _______ que a da Terra. As lacunas são respectivamente, por (A) (B) (C) (D) (E) AFP Considerando o texto e as leis de Kepler, pode-se afirmar que a frase dita pelo astronauta (A) se justifica, porque o tamanho do telescópio determina a sua massa, enquanto seu pequeno peso decorre da falta de ação da aceleração da gravidade. (B) se justifica, ao verificar que a inércia do telescópio é grande, comparada à dele próprio, e que o peso do telescópio é pequeno porque a atração gravitacional criada por sua massa era pequena. (C) não se justifica, porque a avaliação da massa e do peso de objetos em órbita tem por base as leis de Kepler, que não se aplicam a satélites artificiais. (D) não se justifica, porque a força-peso é a força exercida pela gravidade terrestre, neste caso, sobre o telescópio, e é a responsável por manter o próprio telescópio em órbita. (E) não se justifica, pois a ação da força-peso implica a ação de uma força de reação contrária, que não existe naquele ambiente. A massa do telescópio poderia ser avaliada simplesmente pelo seu volume. corretamente preenchidas, menos; menor. menos; maior. o mesmo; menor. mais; maior. mais; menor. .15. (PUC-SP) A sonda Galileo terminou sua tarefa de capturar imagens do planeta Júpiter quando, em 29 de setembro deste ano, foi lançada em direção ao planeta depois de orbitá-lo por um intervalo de tempo correspondente a 8 anos terrestres. Folha de S. Paulo, 22/11/2004. Considerando que Júpiter está cerca de 5 vezes mais afastado do Sol do que a Terra, é correto afirmar que, nesse intervalo de tempo, Júpiter completou, em torno do Sol, (A) (B) (C) (D) (E) cerca de 1,6 volta. menos de meia volta. aproximadamente 8 voltas. aproximadamente 11 voltas. aproximadamente 3/4 de volta. ________________________________________________ ________________________________________________ *Anotações* *Anotações* 96 _____________________________________________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________ ______________ _____________________________________________________________________________________________________________ SEE-AC Coordenação de Ensino Médio CNF Física
