Energia 3 - Loop e perda de energia de um hot Whells

Estudando um loop de um carrinho e a perda de
energia durante o trajeto
Nesta atividade você irá se divertir com um carrinho da Hot Wheels! Você fará a predição de
qual é a altura mínima da rampa para que o carrinho percorra o loop sem desgrudar do trilho.
Depois, com os dados do experimento, fará as correções do primeiro cálculo que havia feito da
altura da rampa, agora considerando a perda de energia.
I.
Loop sem atrito
1. Monte a rampa, coloque o carrinho para descer a rampa. Coloque a rampa em
diferentes inclinações e observe o que ocorre com o carrinho durante o loop, com
grandes e com pequenas inclinações.
2. Desenhe o loop e o carrinho na parte mais baixa e na parte mais alta do loop. Desenhe
o diagrama de forças sobre o carrinho em cada uma das duas situações.
3. Há força resultante nesses dois instantes? Para onde ela aponta? Como você poderia
calcular a força resultante? Registre suas conclusões.
4. Vamos supor inicialmente que o carrinho não perde energia mecânica ao descer a
rampa. Utilize a conservação da energia mecânica para calcular uma expressão para
a velocidade do carrinho na parte inferior e na parte superior do loop em função da
altura da rampa.
5. Como você deve ter observado, se o carrinho não tiver velocidade suficiente, ele cai
do trilho.
a) Nesse instante quando perde o contato com o trilho, quanto vale a força normal
sobre ele?
b) O ponto mais crítico para ele cair do trilho é na parte superior do loop, se ele não
cair dali, não cairá mais. Utilize a resposta da pergunta anterior e o diagrama de
forças do carrinho no ponto mais alto do loop para calcular qual deve ser a
velocidade mínima do carrinho no ponto mais alto do loop de forma que ele
não caia. É possível encontrar essa velocidade mínima em função do raio do loop,
faça isso.
(Dica: A velocidade mínima é quando ele chega a desgrudar do trilho, mas
mantendo o movimento circular, então a força normal chega a ser zero, mas ele
continua tendo uma força centrípeta. Quem faz o papel da força centrípeta nesse
caso?)
c) Sabendo a velocidade mínima que o carrinho deve ter no alto do loop para que
não saia do trilho, calcule qual é a altura mínima de partida, me relação ao chão,
que dará a ele essa velocidade mínima.
II.
Estudando o papel do atrito
1. Coloque a rampa na altura calculada como altura mínima para o carrinho percorrer
o loop sem desgrudar do trilho. Ele desgruda ou não?
2. Busque, por tentativa e erro, qual é a altura mínima para o carrinho percorrer o loop.
Meça essa altura.
3. Na altura mínima para o carrinho fazer o loop, você sabe qual é a velocidade no ponto
mais alto do loop. Calcule então a energia do carrinho nesse ponto mais alto do loop.
4. Calcule a energia do carrinho no ponto inicial, no alto da rampa.
5. O carrinho perdeu energia? Quanto?
6. Qual foi o trabalho realizado pelas forças que promoveram as perdas de energia?
Quais são essas forças? O que aconteceu com essa energia?
III. Potência
1. Meça o tempo gasto pelo carrinho para percorrer o trecho, desde que é solto do alto
da rampa até chegar ao ponto mais alto do loop.
2. Calcule a potência média relacionada ao trabalho de cada uma das forças que atua
sobre o carrinho durante o percurso. A potência relacionada a uma força é a taxa de
∆𝑊
realização de trabalho, 𝑃𝑚𝑒𝑑 = ∆𝑡 .