Física – Primeiro ano 2015 – COLTEC – UFMG 1 - helder-fisica

Física – Primeiro ano 2015 – COLTEC – UFMG
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EXERCÍCIOS SOBRE ENERGIA E TRABALHO
1) Utilize a definição de trabalho dada pela Física e verifique se as forças que atuam nas situações ilustradas nas
figuras abaixo realizam trabalho. Em caso negativo explique porque não. Em caso positivo, identifique a
manifestação da energia está sendo transferida ou transformada pela ação da força, bem como se o trabalho
dessa força é positivo ou negativo.
a) Mulher andando e carregando
uma mala com velocidade e
altura constantes.
F
F
b) Força alongando uma mola.
c) Corpo em queda livre.
P
x
h
F
P
2) Usando uma corda, um menino puxa uma caixa sobre um piso horizontal com velocidade constante. Fazendo
isso, ele mantém a energia cinética da caixa inalterada, pois, sua força equilibra a força de atrito entre a caixa
e o piso que contraria a continuidade do movimento da caixa. Sabendo que, ao realizar trabalho sobre a caixa,
o menino transfere energia para ela, como é possível que a energia cinética da caixa se mantenha inalterada?
3) Os freios de um automóvel são constituídos por discos que giram junto
com as rodas, além de um par de pastilhas que podem ser pressionadas
contra cada disco. A pressão das pastilhas sobre o discos impedem que
eles continuem girando. No sistema ABS, um conjunto de sensores
percebe o início do travamento dos discos e reduz o atrito para evitar
um travamento completo. Sucessivamente, o atrito é elevado e reduzido
rapidamente. Com isso, os discos não chegam a travar completamente,
em nenhum momento. Se o disco e a roda do carro pararem de girar: (i)
uma mesma área dos pneus deslizará sobre o solo, ocasionando danos
aos pneus; (ii) o atrito entre os pneus e o solo tende a ser diferente de
uma roda para outra e, com isso, o carro irá a girar e, talvez, capotar; (iii) o atrito entre os pneus e o solo não é
tão intenso quanto o atrito entre as pastilhas e os discos. Responda aos itens abaixo após considerar essas
informações sobre o sistema ABS e os resultados seguintes obtidos em um teste de frenagem com um carro de
passeio: Dado 1: V(inicial) de 60 Km/h  frenagem em 8,0 metros. Dado 2: V(inicial) de 120 Km/h  frenagem
em 32,0 metros.
a)
b)
c)
d)
Quantas vezes a energia cinética inicial do veículo aumenta quando sua velocidade inicial dobra de valor?
Que transformações e/ou transferências de energia ocorrem durante a frenagem?
Qual é a força responsável ou quais são as forças responsáveis por essa(s) transformação(ões)?
Sabendo que o sistema ABS aplica a mesma força de atrito sobre os discos de freio nas duas situações
acima mencionadas, explique, por que, dobrar a velocidade inicial quadruplicamos o espaço de frenagem.
4) Segundo dados do site http://www.aerospaceweb.org/ (acesso em novembro de 2014), um avião Boeing 757
possui uma massa aproximadamente igual a 110 toneladas (ou 1,1x105 Kg). O mesmo site nos informa que a
velocidade mínima de decolagem desse avião é igual a 260 Km/h (aproximadamente 72 m/s). Este modelo de
aeronave está apto a pousar e decolar do Aeroporto de Confins (MG) cujas pistas possuem 3.000 metros de
comprimento. Considerando todos esses dados, determine:
a) O trabalho realizado pela força resultante responsável pela propulsão da aeronave desde a partida em
repouso até o momento da decolagem.
b) A energia cinética adquirida pelo avião desde a partida em repouso até o momento da decolagem.
c) A intensidade média da força resultante responsável pela propulsão da aeronave durante a decolagem.
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5) Observe as imagens de discos de freio de carros de fórmula 1, carros de passeio e carros esportivos, que estão
disponíveis no link https://sites.google.com/site/1anofisicacoltecufmg/materiais-de-apoio-1/imagens/04-transformacoes-e-transferencias-de-energia-mecanica. Para interpretar essas imagens, você precisa saber que
os discos de freio de um carro de Fórmula 1 são confeccionados com um material cerâmico especial que fica
incandescente, já que os discos chegam a atingir temperaturas da ordem de 1.300 oC durante frenagens mais
intensas. Os discos de freio dos carros de passeio não ficam incandescentes, em situações normais de uso. Por
isso, esses discos, geralmente, são metálicos e menores do que os discos usados nos carros de fórmula 1.
Levando essas informações em consideração:
a) Descreva o processo de transformação de energia responsável pelo intenso aquecimento dos discos de
freios de um carro de Fórmula 1.
b) Apresente hipóteses fundamentadas em conhecimentos da Física que possam explicar o fato de que as
temperaturas atingidas pelos discos de freio dos carros de Fórmula 1 sejam bem superiores àquelas
atingidas por carros de passeio.
6) Nas situações onde a força é constante, mas não está na mesma direção do
deslocamento, o trabalho realizado pela força é dado pela expressão
W = F d cos θ, onde θ é o ângulo entre a direção da força e a direção do
deslocamento, como mostra a figura ao lado. Considerando essa expressão,
responda:
F
θ
d
a) Para qual ângulo o trabalho é máximo?
b) Para qual ângulo o trabalho é nulo?
7) Nas situações onde a força está na mesma direção do deslocamento, mas não é constante, o trabalho realizado
pode ser calculado a partir do gráfico de força por deslocamento, conforme ilustrado a seguir.
F
Força constante
Trabalho
W= F d
W= Área abaixo
da reta
d
F
Força variável
Trabalho
W = Área abaixo
da reta ou curva
d
A força F aplicada sobre uma mola não é constante. Para molas com rigidez constante, a força varia
proporcionalmente ao deslocamento x que ela produz sobre a extremidade da mola. O valor da força e o valor
desse deslocamento estão relacionados pela expressão F = K.x, onde K é a constante elástica da mola.
Considerando essa situação e as informações dadas acima sobre o cálculo do trabalho quando a força
aplicada não é constante e produza um gráfico que corresponda à expressão F = K.x para uma mola cuja
constante elástica é K = 500 N/m e cuja extremidade é deslocada por uma força desde x = zero até x = 0,02
m. Utilize o gráfico para:
a) Determinar quanta energia foi armazenada no processo de deformação da mola.
b) Determinar uma expressão que permita o cálculo o trabalho realizado por forças que atuam em molas
para um valor qualquer de x e um valor qualquer de K.