Parte II

Energia Elemento Transformador da Sociedade
Parte II.
Autores
Américo Sheitiro Tabata
Carlos Alberto Fonzar Pintão
Carlos Alberto Soufen
Geraldo Luís Palma
Momotaro Imaizumi
Renato Carlos Tonin Ghiotto
Introdução
Esta apostila foi feita para seguir de guia para uma das atividades do curso “Energia:
elemento transformador da sociedade” onde discutiremos os aspectos formais do
conceito de Força e Energia. Iniciaremos nossa discussão falando sobre a Força no
conceito de Aristóteles e no conceito atual de Newton. Aristóteles foi o pensador da
chamada fase pré-científica de maior reputação. Viveu na Grécia entre 384 e 332 A. C.
e foi contemporâneo de Platão, Tales de Mileto e Pitágoras. Isaac Newton (1643-1727)
é considerado o mais proeminente cientista da fase do Renascimento. Após discutir o
conceito antigo e atual de Força, falaremos uma breve discussão sobre os quatro tipos
de força:
a) Força Gravitacional
b) Força Eletromagnética
c) Força Nuclear Fraca
d) Força Nuclear Forte
Munidos dos conceitos de Força discutiremos, então, o conceito de Energia,
com tópicos em Energia Cinética, Energia Potencial, Trabalho e Dissipação de
Energia. Para finalizar este documento, faço uma breve discussão sobre maquinas
térmicas, instrumentos que possibilitou a primeira revolução industrial. Mas para
isso, discuto inicialmente o que vem a ser calor e energia térmica.
Gostaria de salientar neste início desta apostila, que este documento é uma
compilação de trabalhos encontrados na internet, onde frases, parágrafos e
figuras ou foram modificados ou postos em sua integra a partir do original. A
lista destes trabalhos se encontra no fim do trabalho. Desta forma, o direito
autoral deve ser resguardado aos seus respectivos autores.
Força
O conceito de força, como todos os conceitos em ciência, é fruto de um longo e
penoso desenvolvimento histórico. Para se chegar a ela, como enunciado por Newton,
muitas formulações surgiram e deixaram sua marca e contribuição. Como a maioria dos
conceitos em Física, a origem primeira do conceito de força vem da experiência
cotidiana dos homens. Surgiu de especulações sobre esta e, na sua maior parte, daquilo
que chamamos senso comum. O conceito de força é uma destes conceitos cujas origens
não poderemos datar com precisão. No que poderíamos denominar estágio précientífico, a idéia de força surgiu provavelmente da consciência do esforço despedido
em ações como movimentar os braços e as pernas, da sensação de superar a resistência
de um corpo pesado ao levantá-lo do solo, ou ao levá-lo de um lugar a outro.
Claramente, as noções de força, esforço, potência, trabalho, intensidade aparecem como
sinônimos na linguagem do senso comum. É importante salientar que estas construções
do chamado senso comum estão presentes em cada um de nós e formam a base sobre a
qual vai se superpuser o conhecimento estabelecido.
Força no conceito de Aristóteles
Para Aristóteles, a força não pode ser dissociada da ação de puxar e empurrar,
pois ela não pode ser separada do elemento que a produz. Desse pensamento segue que
o que se move e o que causa o movimento devem estar em contato. Portanto, para ele,
ação a distância era impensável. Assim, segundo Aristóteles, "tudo que se move é
movido por alguma outra coisa". Além do que, o que move e o que é movido devem
estar em contato. Daí deduz-se que aquele que causa o movimento também se
move.
A situação mais corriqueira e que gerava maior polêmica na física de
Aristóteles era o movimento de projétil, como o de uma flecha, por exemplo. A
grande questão era; o que mantém o movimento da flecha depois que ela perde o
contato com a corda do arco? Aristóteles explicava este movimento da seguinte
forma: Ao ser mover, a flecha ocupa um espaço que antes era ocupado pelo ar. A
quantidade de ar que aí estava se movimenta para ocupar o vazio deixado pela
flecha na parte traseira, o que a impulsiona. Desta forma, meio (ar) funciona
como suporte e mantém o corpo em movimento. Para explicar a resistência do
meio, Aristóteles afirma que o processo de reocupação do vazio deixado pela
flecha não é um processo perfeito o que faz com que o movimento vá perdendo
força e o corpo parando, de tal forma que o movimento é finito em extensão.
Na física aristotélica tem que ser sempre finito em extensão, visto que o
mundo para ele é um mundo limitado pela abóbada celeste. Este mundo fechado
e limitado exigia, por coerência, um movimento finito em extensão e com
velocidade finita também. Isto exigia que todo movimento ocorresse com
resistência do meio, pois sem ela não haveria perdas e o corpo teria uma
velocidade infinita. Este tipo de argumentação levou Aristóteles a firmar que não
havia vazio e, por ironia, enunciar a prova de inexistência do vazio, ele termina
por formular, de maneira límpida, o princípio da inércia. Ninguém pode dizer
por que uma coisa uma vez posta em movimento pode parar em qualquer lugar,
pois por que pararia aqui ou lá? Assim sendo, o corpo ou estaria parado ou se
movimentaria ad infinitum amenos que alguma coisa mais forte modificasse este
comportamento.
Da análise do movimento dos corpos, Aristóteles enunciou sua lei de
força. Uma tradução livre de suas próprias palavras é apresentada a seguir.
Aquilo que causa o movimento sempre move alguma coisa durante um intervalo
de tempo até algum lugar, ou seja, a distância. Assim, se A é o causador do
movimento e B o objeto que se move, teremos que:
VB= FA/RB
(1)
Onde: VB é a velocidade adquirida pelo copo B, FA força aplicada pelo corpo A
B
no corpo B e R significa algum tipo de resistência ao movimento do corpo B,
como por exempla a sua massa. Notemos dois pontos fundamentais na lei de
força de Aristóteles:
1- A força está sempre ligada a um corpo causador de força (o corpo A). Isto
é, a força é propriedade deste corpo.
2- A força é proporcional à velocidade
O conceito de força aristotélico permaneceu e pouco se adicionou a ele, nem
mesmo O grande Arquimedes fez modificações significativas. Durante a Idade Média
ou das trevas, os ensinamentos de Aristóteles foram conservados e transformados
em dogmas. Por essa razão, a Física Aristotélica perdurou por tantos séculos.
Força no conceito atual
A palavra Força possui uma definição intuitiva. Em física, Força designa um
agente capaz de modificar o estado de repouso ou de movimento de um determinado
corpo, ou de deforma-lo. Porém, falar de força parece ser muito abstrato, mas basta
pensar em todas as tarefas diárias que realizamos para que possamos perceber que força
é algo que está presente em nosso dia a dia. Por exemplo: quando empurramos ou
puxamos um objeto dizemos que estamos fazendo força sobre ele.
Galileu Galilei (1564-1642) já tinha descoberto que os objetos aceleravam à
medida que caíam, (ou seja, que sofriam alterações em sua velocidade), e que os corpos
próximos à superfície terrestre caem (em queda livre) com a mesma aceleração: a
aceleração da gravidade. Newton justificou este fato "definindo" e descrevendo o
comportamento de uma força que um corpo exerce sobre outro corpo: a força da
gravidade. Os objetos próximos à Terra caem devido à força de atração gravitacional
entre a Terra e o objeto. Pelo mesmo motivo, os objetos celestes são mantidos em suas
órbitas uns ao redor dos outros (Por exemplo: a Terra ao redor do Sol, e a Lua ao redor
da Terra).
As unidades de medida de força comumente utilizadas são o quilograma-força
(kgf) e o newton (N). Um quilograma-força é a força com que a Terra atrai a massa de
um quilograma ao nível do Mar e a 45 graus de latitude. No sistema internacional a
unidade de massa é o newton, em homenagem a Isaac Newton. A relação entre newton
e quilograma-força é 1N = 1kgf.
A intensidade de uma força pode ser medida através de um aparelho
denominado dinamômetro. O dinamômetro é um instrumento constituído de uma mola
que se deforma quando recebe a ação de uma força. Logo, para cada deformação
produzida, temos o dispositivo indicando a intensidade da força aplicada. No SI, a
unidade de medida de força é o newton (N). Eventualmente pode-se utilizar a unidade
prática quilograma-força (kgf), sendo que 1 kgf = 9,8 N.
Força no contexto da Dinâmica
Dinâmica é a parte da Mecânica que estuda o movimento e as forças que causam
o movimento, ou seja, é a parte da física que estuda a relação entre a força e o
movimento. Sabe-se, pela experiência, que um objeto parado nunca começa a se mover
sem que seja puxado ou empurrado. Da mesma forma, é preciso uma força para
diminuir ou aumentar a velocidade de um corpo que já está em movimento. A expressão
matemática que estabelece uma relação entre a força e o movimento causado por esta
forço em um corpo de massa m é conhecida como “princípio fundamental da dinâmica”
estabelecido por Isaac Newton. Também conhecida como a segunda Lei de Newton, ela
estabelece que, de uma forma simplificada ( Força e aceleração são grandezas vetorias,
aqui nós vamos trabalhar com estas grandezas em módulo supondo que ambas tem a
mesma direção e sentido. Também estamos supondo que F é a única força atuando no
corpo) :
F = ma (2)
Onde a é aceleração adquirida pelo corpo de massa m após ser submetida a uma força F.
Entende-se por aceleração a variação no tempo da velocidade. Da expressão acima se
pode tirar as seguintes conclusões:
1) Contrariamente a Aristóteles a força não esta associada à velocidade e sim a sua
variação temporal, ou seja, a sua aceleração.
2) Quanto maior a massa do objeto maior será a força necessária para alterar seu
estado de movimento ou de repouso.
3) Se houver só esta força atuando no corpo ele ficara indefinidamente acelerado.
Forças fundamentais na natureza
Na natureza todos os corpos são compostos por partículas contento uma massa e
uma carga elétrica (a cargo pode ser zero – ex. nêutrons) As forças que mantêm unidas
estes corpos são quatro e são conhecidas com forças fundamentais. Discutiremos
individualmente cada uma delas:
Força gravitacional
A força gravitacional constitui-se a força, sobre a qual Newton se debruçou,
questionando-se sobre o motivo dos objectos caírem no solo (fábula da maçã caindo
junto ao nascer da lua no horizonte).
Figura-1. Relação de forças entre duas massas.
Sejam duas massas m1 e m2, em que d é a distância entre seus centros. Segundo
Newton, a força F de atração entre as massas tem sua intensidade dada por:
F = G. m1.m2
(3)
d2
Onde G é denominado constante da gravitação universal, sendo seu valor
expresso, no Sistema Internacional, por:
G=6,67 . 10-11 N . m2 . Kg-2
(4)
Podemos, ainda, enunciar a lei da gravitação universal do seguinte modo: Dois
corpos se atraem gravitacionalmente com força cuja intensidade é diretamente
proporcional ao produto de suas massas e inversamente proporcional ao quadrado da
distância entre seus centros de massa. Três observações podem ser feita:
1) A força gravitacional é sempre de atração
2) A força gravitacional não depende do meio onde os corpos se encontram
imersos.
3) A constante da gravitação universal G teve seu valor comprovado
experimentalmente por Henry Cavendish por meio de um instrumento denominado
balança de torção.
Força eletro-magnética
Lei de Coulomb
Esta lei diz respeito à intensidade das forças de atração ou repulsão que
aparecem entre duas cargas elétricas puntiformes, isto é, entre cargas de dois
corpos eletrizados que possuem dimensões desprezíveis, quando colocados em
presença um do outro. Isto acontece devido à ação de forças de natureza elétrica
sobre elas. Estas forças são de ação e reação. Portanto, têm a corpos diferentes.
Portanto, não se anulam.
Figura-2. Relação de forças entre duas cargas.
Em 1784, o físico francês Charles Augustin de Coulomb verificou
experimentalmente que: A intensidade da força elétrica de interação entre duas
cargas puntiformes é diretamente proporcional ao produto dos módulos das
cargas e inversamente proporcional ao quadrado da distância que as separa:
(5)
K0 – constante eletrostática
Q1 e Q2 – cargas elétricas
r – distância entre as cargas
F – força elétrica
No sistema internacional de medidas as cargas são dadas em Coulomb
(C), a distância em metros (m). A constante K é uma constante de
proporcionalidade que depende do meio onde as cargas, se encontram e do
sistema de unidades adotado. No vácuo, a constante é indicada por K0 e é
denominada constante eletrostática. Seu valor no SI é 8,99 x109 N.m2/C2.
As forças magnéticas são as forças que se exercem, por exemplo, entre um
ímã e um pedaço de metal, ou entre dois imãs. Ímã é o mesmo que magneto, a
palavra ímã significa “pedra que ama” e a palavra magneto vem de Magnésia,
região da Ásia onde há rochas que são magnéticas. Inicialmente se pensou que
fenômenos magnéticos teriam origem em cargas magnéticas, mas após trabalhos
de Ampére e Faraday, é sabido que fenômenos magnéticos possuem origens em
cargas elétricas em movimentos. Deste modo não se fala em uma força elétrica e
uma força magnética, mas sim em uma única força eletro-magnética, pois ambas
tem a mesma origem, ou seja, cargas elétricas.
Forças nuclear fraca
A força nuclear fraca é uma das forças fundamentais menos familiares.
Ela opera somente em escalas de distâncias extremamente curtas, encontradas
nos núcleos atômicos. A força nuclear fraca causa a degradação radioativa de
certos núcleos atómicos. Em particular, esta força governa o processo chamado
decaimento beta no qual um neutron divide-se espontaneamente num proton, um
electron e um anti-neutrino. Se um neutron dentro de um núcleo atômico decair
desde modo, o núcleo emite um electrom e o neutron transforma-se num proton.
Isto aumenta (por um) o número de proton nesse núcleo, mudando assim o seu
número atômico e transformando-o no núcleo de um elemento químico diferente.
A força nuclear fraca é responsável por sintetizar elementos químicos diferentes
no interior de estrelas e em explosões de supernovas, através de processos que
envolvem a captura e decaimento de neutron. Um neutron é estável (não é
radioactivo), e tem vida longa, quando confinado dentro do núcleo atômico. Uma
vez que removido do núcleo atômico, um neutron livre sofrerá decaimento beta,
tipicamente em cerca de vinte minutos.
Figura-3. Representação gráfica da força nuclear fraca.
Forças nucleares fortes
A força nuclear forte é outra força fundamental menos familiar. Como a
força nuclear fraca, seu alcance é limitado a distâncias subatômicas. Sua "tarefa"
é manter os quarks juntos dentro dos prótons e nêutrons, e manter os prótons e
nêutrons dentro do núcleo atômico. Sua partícula mensageira é o glúon, que não
tem massa, chamado assim por que "cola" (em inglês, "glue") partículas
elementares. Por causa da força nuclear forte unir as partículas nucleares com
tanta coesão, dá-se uma libertação de quantidades enormes de energia quando
núcleos leves são fundidos (reação de fusão nuclear) ou quando núcleos pesados
são desfeitos (reação de fissão nuclear). A interação da força nuclear forte é a
fonte básica das quantidades vastas de energia que são libertadas pelas reações
nucleares que alimentam as estrelas e em menor escalas nos reatores de energia
nuclear.
Figura-4. Representação gráfica da força nuclear forte.
Comparação entre as forças
A gravidade, a mais fraca das quatro forças, é cerca de 10-36 vezes mais
fraca que a força mais forte. Esta fraqueza é facilmente demonstrável - em um
dia seco, esfregue um pente em sua para carregá-lo estaticamente, então passe ele
sobre um pedaço de papel sobre a mesa. Se você tiver sucesso, o papel salta da
mesa em direção ao pente. É preciso um planeta inteiro para manter o papel na
mesa, mas esta força é facilmente suplantada por materiais comuns que exerçam
a força eletromagnética.
A força eletromagnética é a segunda em força efetiva, perdendo somente
para a força nuclear forte, mas está listada fora de ordem aqui por que, como a
gravidade, é mais familiar a maioria das pessoas. Sua força é menos de 1% da
força nuclear forte, mas, como a gravidade, ela tem alcance infinito. Entretanto,
diferente da gravidade, o eletromagnetismo tem propriedades tanto atrativas
quanto repulsivas que podem se combinar de forma a cancelar uma à outra. Onde
a gravidade é sempre atrativa, o eletromagnetismo vem em duas cargas: positiva
e negativa. Duas coisas negativas ou positivas irão repelir uma à outra, mas uma
positiva e outra negativa irão atrair-se. Esta propriedade pode ser facilmente
demonstrada com ímãs: dois pólos idênticos irão se repelir, mas dois pólos
opostos irão se atrair. Este é o princípio que mantém os átomos juntos: o núcleo
com carga positiva e os elétrons com carga negativa atraem-se. Também é este o
princípio do tamanho atômico: mais elétrons têm uma força repulsiva maior,
assim átomos com mais elétrons são maiores por causa da repulsão mútua dos
elétrons. De forma similar, átomos com núcleos maiores e o mesmo número de
elétrons são menores por que exercem uma força de atração maior aos elétrons.
Conceito de Energia e trabalha
No estudo da Ciência, a composição do Universo é dividida em duas
entidades – matéria e energia. A matéria inclui os materiais que formam o
Universo: as rochas, a água, o ar e a multiplicidade de coisas vivas. Tudo que é
sólido liquido ou gasoso é uma forma de matéria. Uma propriedade básica da
matéria é sua massa: A massa de uma substância é a medida da quantidade de
matéria nela contida. A massa de uma substância não varia. com a temperatura;
pressão ou localização no espaço. Um objeto com a massa de 1kg terá esta massa
na Terra, na Lua, em Marte ou quando flutuando no espaço. Um termo que é
muito confundido com massa é peso. Peso é uma medida da força gravitacional
que atua sobre uma substância. Como esta força varia com a distância entre dois
objetos, o pêlo de um corpo não é constante, e na ausência desta força será nulo,
mas sua massa permanece inalterada.
A energia é ainda mais difícil de definir que a matéria. Ela não tem peso e
só pode ser medida quando está sendo transformada, ou ao ser liberada ou
absorvida. Por isso, a energia não possui unidades físicas próprias, sendo
expressa em termos das unidades do trabalho que realiza. Em outras palavras,
energia é a capacidade de realizar trabalho. Tomemos, por exemplo, a energia
que gastamos em um passeio a pé. Nós a recebemos dos alimentos que comemos.
As diversas formas de energia classificam-se logicamente em duas categorias:
energia de movimento e energia de posição ou configuração. A primeira é
chamada energia cinética, enquanto que a segunda recebe o nome de energia
potencial.
A energia é algo com que convivemos constantemente. Para nos
mantermos vivos, precisamos nos alimentar e, para isso, extrair a energia dos
alimentos. Historicamente, o homem se encontra em uma busca constante por
formas de energia. A queda das águas para gerar energia elétrica, a queima de
combustíveis para a geração de movimento e mais um enorme número de
exemplos. A energia é algo com que convivemos constantemente. Para nos
mantermos vivos, precisamos nos alimentar e, para isso, extrair a energia dos
alimentos. Historicamente, o homem se encontra em uma busca constante por
formas de energia. A queda das águas para gerar energia elétrica, a queima de
combustíveis para a geração de movimento e mais um enorme número de
exemplos. Aqui vamos explicar as formas de energia que são estudadas na
mecânica, como o trabalho e as energias cinética, potencial e mecânica.
Trabalho
Para se colocar algum objeto em movimento, é necessária a aplicação de
uma força e, simultaneamente, uma transformação de energia. Quando há a
aplicação de uma força e um deslocamento do ponto de aplicação dessa força,
pode-se dizer que houve uma realização de trabalho. Note que, para realizar-se
um trabalho, existe a necessidade de um deslocamento. Caso algum objeto esteja
sob a ação de uma força, mas em repouso, não haverá a realização de trabalho.
As forças que atuam sobre uma pessoa parada segurando uma mala não realizam
trabalho, pois não há deslocamento do ponto de aplicação dessas forças.
Considere um objeto que está submetido a uma força F e, devido a essa força,
esse objeto sofre um deslocamento d, como se vê abaixo. A força F pode ser
dividida em dois componentes, Fx e Fy, como se mostra a seguir:
Figura-5. Representação gráfica de força e suas projeções.
Observe que o componente de F que realiza o trabalho é Fx, pois é o que
tem a mesma direção do deslocamento. O componente Fy não realiza trabalho,
pois é perpendicular ao deslocamento e, por isso, não interfere diretamente no
movimento. O trabalho é definido como sendo o produto do componente Fx pelo
deslocamento sofrido pelo objeto e como Fx = F·cos , teremos a seguinte
definição matemática para o trabalho:
W = Fx·d ou W = F·d·cosθ (6)
No Sistema Internacional, a unidade de trabalho é o joule (J)
Energia Cinética
Considere um corpo inicialmente em repouso, como por exemplo, uma
bicicleta. Para colocá-la em movimento será necessária a aplicação de uma força
e, com isso, a realização de trabalho. Se essa força for paralela ao deslocamento,
o trabalho será determinado pelo produto da força pelo deslocamento.
W=F·d
(7)
A força aplicada é determinada pela Segunda lei de Newton, ou seja:
F=m·a (8)
Considerando que a força aplicada foi constante e que a bicicleta partiu do
repouso, então a ela realizará um movimento uniformemente variado e o seu
deslocamento e a sua velocidade serão determinadas da seguinte forma:
d = at2/2 e v=a·t (9)
Substituindo as equações de força e deslocamento na definição de
trabalho, teremos equação que determina o trabalho realizado pela força aplicada
a essa bicicleta, para que ela atinja a velocidade v.
W = m (at)2/2
(10)
A expressão acima é definida como energia cinética, e expressa a
capacidade de um corpo em movimento para realizar trabalho.
(10)
Energia cinética é a energia que está relacionada à movimentação dos
corpos, ou seja, é a energia que um corpo possui em virtude de ele estar em
movimento. Ao fazer algumas observações sobre os movimentos dos corpos,
podemos concluir que a energia cinética de um corpo será cada vez maior quanto
maior for a sua velocidade. Do mesmo modo, poderemos concluir que quanto
maior for a massa de um corpo maior será sua energia cinética.
Energia Potencial
A energia armazenada em um corpo é chamada energia potencial. Como a
energia potencial pode sei convertida em trabalho, empregam-se as unidades de
trabalho para medir e descrever esta forma de energia. Qualquer objeto em
movimento possui energia cinética. Isto é o mesmo que dizer que tudo tem
energia cinética, pois os cientistas estão convencidos de que tudo que existe no
universo está-se movendo de algum modo. Existe uma interação constante entre
energia potencial e energia cinética. Consideremos novamente o pêndulo; quando
está no ponto mais alto de sua oscilação, fica momentaneamente estacionário, e
neste ponto toda sua energia é potencial, exceto a energia cinética interna. À
medida que começa a descer, parte da energia potencial se transforma em energia
cinética, e no ponto mais baixo da trajetória, que consideraremos como nível zero
para a energia potencial, a energia cinética do pêndulo é máxima, pois tem a
máxima velocidade. À medida que sobe no outro lado do arco, o intercâmbio de
energia se inverte. Durante todas estas transformações, a quantidade total de
energia é a mesma - trata-se somente da passagem de um tipo para outro. Esta
constância da energia total de um sistema é chamada conservação da energia.
Formalmente, defini-se como sendo a energia potencial de um corpo em
uma determinada posição em relação a um referencial, como sendo o trabalho
necessário para levar o corpo deste ponto de referência até o ponto em questão.
Energia mecânica
A soma da energia cinética (Ec )com a energia potencial (Ep) é definida
como energia mecânica Em = Ec + Ep e se o movimento estiver sob ação
exclusiva de forças conservativas, como por exemplo, na mecânica, a força peso
e a força elástica Em(inicial) = Em (final) . Sistemas físicos que se encontram sob
essa situação são definidos como sistemas conservativos. No nosso dia-a-dia, é
muito difícil encontrarmos um sistema conservativo. Em uma queda real existe o atrito
com o ar e isso fará com que a energia mecânica inicial seja diferente da energia
mecânica final, e tal diferença ocorre porque o atrito provoca a dissipação em forma de
calor. Essa energia dissipada tem o seu valor, em módulo, igual à diferença da energia
mecânica inicial pela energia mecânica final ou seja:
Edissipada = Em (inicial) – Em (final)
Força de atrito
(11)
A força de atrito é uma força de importância indiscutível, pois ela está presente
em praticamente todos os momentos do nosso dia-a-dia. Sem ela, seria impossível você
estar agora sentado lendo esse texto, pois você já teria escorregado pela sua cadeira. O
simples ato de andar também seria inviável, pois sem o atrito você não teria apoio nem
para ficar de pé. Para que exista a força de atrito, é necessário existir o contato entre
duas superfícies, como por exemplo, o pneu de um automóvel e o asfalto. O pneu é
aderente e o asfalto é áspero, e essa combinação gera uma força de atrito que fará o
automóvel se movimentar sem derrapar pela pista. Define-se a força de atrito como uma
força de oposição à tendência do escorregamento. Tal força é gerada devido a
irregularidades entre as duas superfícies que estão em contato. É isto que caracteriza a
força de atrito:
A) Se opõe ao movimento;
B) Depende da natureza (meio) que o corpo esta interagindo (coeficiente de atrito);
C) Transforma a energia cinética do corpo em outro tipo de energia que é liberada
ao meio.
Potência
A idéia de potência é a quantidade de energia gasta por um operador em
um determinado intervalo de tempo. Se ele imprime certa potência em um
intervalo de tempo, se ele gastar a mesma energia em um espaço menor de
tempo, a potência será menor. A fórmula de potência é simples: P = DE / Dt, ou
mais rigorosamente P = dE / dt. A idéia de potência é muito útil em se tratando
de máquinas, pois toda máquina tem um limite de energia gasta por um intervalo
de tempo, e a potência vem a determinar essa capacidade de cada máquina.
Energia térmica
As moléculas constituintes da matéria estão em contínuo movimento,
denominado agitação térmica. A energia cinética associada a esse movimento é
chamada energia térmica. A energia térmica de um corpo pode variar. Assim, se
colocarmos água em presença da chama de um bico de gás, o movimento de suas
moléculas tornar-se-á mais intenso: a energia térmica aumentará. Se colocarmos
a água em presença de gelo, ocorrerá uma diminuição do movimento molecular:
a energia térmica diminuirá. Nos exemplos anteriores, há corpos quentes (o bico
de gás) e corpos frios (o gelo). Observe que, ao utilizar o termo quente e frio,
estamos introduzindo uma noção subjetiva de temperatura, baseada em sensações
apreendidas pelo tato. Assim, dizemos que um corpo quente está a uma
temperatura mais elevada que um corpo frio. A energia térmica pode transferir-se
de um corpo para outro quando entre eles houver uma diferença de temperatura.
A energia térmica em trânsito é denominada calor. A idéia de que o calor é uma
forma de energia só foi estabelecida em Física a partir do século passado; até
então se entendia erroneamente o calor como uma substância que se incorporava
aos corpos ou sistemas. Joule, no século passado, estabeleceu definitivamente
que calor é energia. A medida da quantidade de calor trocada entre dois corpos é,
portanto, uma medida de energia. A unidade de energia no Sistema Internacional
é o joule (J). No entanto, utiliza-se, também, como medida das quantidades de
calor, a caloria (símbolo cal), unidade estabelecida antes de se entender o calor
como forma de energia. Sabe-se atualmente que: 1 caloria = 4,186 joules
Energia Interna
As partículas de um sistema têm vários tipos de energia, e a soma de todas
elas é o que chamamos Energia interna de um sistema. Para que este somatório
seja calculado, são consideradas as energias cinéticas de agitação, potencial de
agregação, de ligação e nuclear entre as partículas. Nem todas estas energias
consideradas são térmicas. Fornecendo energia térmica a um corpo, provoca-se
uma variação na energia interna deste corpo.
Calor
Cientificamente, calor é a energia em transição. Quando um corpo de
temperatura “X” é colocado próximo a outro corpo de temperatura “Y”, um
corpo com mais energia térmica irá compartilhar sua energia em excesso com o
outro corpo, essa transição de energia é chamada de “calor”. Essa energia pode
tanto igualar as temperaturas como modificar a matéria, mudar o estado de outra
matéria ou até mesmo modificar o próprio material.
Caldeiras
O vapor de alta pressão para um motor a vapor vem de uma caldeira. O
trabalho da caldeira é aquecer a água para gerar vapor. Há dois métodos: tubo de
fogo e tubo de água. A caldeira com tubos de fogo era mais comum nos anos
1800. Ela consiste em um tanque de água atravessado por canos. Os gases
quentes do fogo de carvão ou madeira atravessam os canos para esquentar a água
no tanque, como mostrado aqui:
Figura 6. Representação de uma caldeira do estilo “tubo de
fogo”.
Numa caldeira com tubos de fogo, o tanque todo está sob pressão, então se
o tanque estourar, isto pode gerar uma grande explosão. Mais comuns hoje são as
caldeiras tubulares de água, nas quais a água corre através de um conjunto de
tubos que ficam na passagem dos gases quentes do fogo. O diagrama
simplificado a seguir mostra um esboço de uma caldeira de tubos de água:
Figura 7. Representação de uma caldeira do estilo “tubo de
agua”.
Numa caldeira real, tudo é muito mais complicado porque o objetivo dela
é extrair todo o calor possível do combustível queimado para melhorar a
eficiência.
EDUTEC – MAQUINA A VAPOR
Máquina a vapor
Herão, matemático e físico que viveu na Alexandria, Egito, descreveu a
primeira máquina à vapor conhecida em 120 a.C. A máquina consistia em uma
esfera metálica, pequena e oca montada sobre um suporte decano proveniente de
uma caldeira de vapor. Dois canos em forma de L eram fixados na esfera.
Quando o vapor escapa por esses canos em forma de L, a esfera adquiria
movimento de rotação. Este motor, entretanto não realizava nenhum trabalho útil.
Figura-8. Máquina a vapor de Herão.
Centenas de anos depois, no séc. XVII, as primeiras máquinas à vapor
bem sucedida foram desenvolvidas. Uma máquina a vapor não cria energia,
utiliza o vapor para transformar a energia calorífica produzida pela queima de
combustível em movimento de rotação e movimento alternado de vaivém, a fim
de realizar trabalho
Figura-9. Máquina a vapor de Watt e Newcomer
Definição de cavalo vapor
O termo cavalo vapor ou horse power (hp) foi criado por James Watt (1736 –
1819) que foi um notável engenheiro escocês, conhecido pelo seu enorme contributo no
desenvolvimento das máquinas a vapor e precursor da revolução industrial. Watt
utilizava cavalos que, na época, eram o instrumento de trabalho pesado ao qual mais se
recorria. Para poder expressar a potência da sua máquina a vapor, James Watt realizou
diversas experiências avaliando o poder de tracção dos cavalos, em elevarem baldes de
carvão de uma mina. Watt determinou que, em média, um cavalo necessitava de 1
minuto para elevar elevar um balde de carvão pesando 22,000 lb, numa distância de um
pé (22,000libras-pé). Ou seja, em unidades do sistema internacional: 9,97 kgf numa
distância de 0.3048 m. Posteriormente, sem que se conheçam exactamente as razões
para tal, Watt decidiu aumentar o trabalho realizado pelos cavalos para 33,000 libras-pé,
estabelecendo em definitivo a unidade de potência horsepower. Em unidades SI temos
que 1 hp = 745,69987158227022 W (Watt).
Ainda assim, esta definição acabou por não ser universal pois existem outras
unidades que é preciso não confundir:
1 CV = 735,49875 W (cavalo-vapor métrico)
1 HP = 745,6987158227022 W (cavalo-vapor de potência)
1 HP = 980.95 W (cavalo-vapor de caldeiras: trabalho despendido na
evaporação de 34,5 libras de água por hora à temperatura de 212 F para vapor saturado
seco à mesma temperatura)
Figura-10. Representação gráfica da definição de cavalo vapor.
Referência
O CONCEITO DE FORÇA NA IDADE MÉDIA.F. F. de Souza Cruz,Departamento de Física
UFSC,Florianópolis SC
O CONCEITO DE FORÇA NO PENSAMENTO GREGO, F. F. de Souza Cruz,Departamento de Física
UFSC, Florianópolis SC
O CONCEITO DE FORÇA NO CODITIANO, Romero Tavares
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http://www.blogers.com.br/o-que-e-calor/
http://ciencia.hsw.uol.com.br/motor-a-vapor2.htm
http://www.scribd.com/doc/9717602/EDUTEC-Maquina-a-Vapor
http://autosport.aeiou.pt/gen.pl?p=stories&op=view&fokey=as.stories/25552