Explorando o aplicativo Parque Energético para Skatistas

 Colégio Técnico da Escola de Educação Básica e Profissional da UFMG – Física – 1º Ano/2015 1
Explorando o aplicativo Parque Energético para Skatistas
I-
Instruções iniciais
O aplicativo Parque Energético para Skatistas (http://phet.colorado.edu/pt_BR/simulation/energy-skatepark-basics) permite explorar o movimento de uma pessoa numa pista de skate do ponto de vista das
energias envolvidas.
Na parte superior há três abas: Introduction,
Friction e Track Playground. O programa sempre
abre na primeira aba (Introduction) e iremos
trabalhar nela primeiro. Na parte inferior há uma
opção para mudar a velocidade da simulação e dois
botões, um para parar a simulação e outro que
avançar quadro a quadro após o acionamento do
botão de parada. À direita da tela há vários
comandos: reiniciar a simulação, retornar com o
skatista, mudar a massa (skater mass) e exibir
gráficos, grade e velocidade. Na parte superior
esquerda há três opções para mudar a forma da
rampa. Podemos também colocar o skatista em
posições definidas da rampa clicando com o mouse
e arrastando-o até a posição desejada. Faça isso e
observe o movimento do skatista.
II-
Notas sobre os conceitos de energia e energia mecânica
II.1- Energia
Energia é uma quantidade que se conserva durante as transformações. Essa definição, bastante abstrata, é
conhecida como Princípio da Conservação da Energia e associa o conceito de energia a um raciocínio que
estrutura toda a compreensão e o conhecimento humanos.
Desde o tempo dos gregos antigos, fundadores da filosofia e do estudo sistemático da natureza, percebeuse que deveria haver algo estável ou imutável em um mundo que, aparentemente, está em constante
transformação. Afinal, se tudo se transformasse e, por conseguinte, se nada permanecesse constante durante
as transformações, seria impossível relacionar o passado ao presente, de modo a conceber ou prever o futuro.
Em outras palavras, para compreender qualquer mudança, nós precisamos encontrar algo que, efetivamente,
não muda. No caso dos fenômenos estudados pela Biologia, Física e Química, a quantidade que não muda
durante uma transformação recebe o nome de Energia.
Nas ciências, existem outras grandezas que se conservam durante as transformações. Contudo, apenas a
energia é uma grandeza que se manifesta de formas diversas. Assim, devido à conservação, o surgimento
de uma nova manifestação de energia está acompanhado, necessariamente, do desaparecimento de uma
quantidade igual de energia que se manifestava, anteriormente, de outra forma. Como exemplo, podemos
citar: (a) a energia elétrica “consumida” por uma lâmpada é igual à soma das energias luminosa e térmica
produzidas por esse dispositivo; (b) a energia luminosa absorvida no processo de fotossíntese é igual à
diferença de energia potencial química existente na ligação dos átomos da molécula de glicose e a energia
existente na ligação dos átomos das moléculas de dióxido de carbono e água a partir das quais a glicose foi
formada; (c) etc.
II.2- Energia mecânica
Dentre as inúmeras formas pelas quais a Energia pode se manifestar, as ciências postularam a existência de
três manifestações cujo “aparecimento” ou “desaparecimento” estão associados à realização de forças e
deslocamentos. Essas três formas ou manifestações da energia são: (i) energia cinética ou “de movimento”;
(ii) energia potencial gravitacional; (iii) energia potencial elástica. Todas essas três formas de energia são
consideradas manifestações de energia mecânica. Assim, a energia mecânica de um corpo, em dada
situação, é a soma das energias cinética, potencial gravitacional e potencial elástica, como indicado no
diagrama a seguir. As três manifestações
de energia mecânica mencionadas no
diagrama convertem-se facilmente umas
nas outras e esse é o sentido das duplas
setas inseridas nesse diagrama.
Veja, a seguir, alguns exemplos de transformações ou transferências de uma forma de manifestação de
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energia mecânica em outra. Além disso, avalie se nos exemplos apresentados as transformações de energia
podem ser identificadas com as setas duplas inseridas no diagrama acima.
1. Mediante a realização de forças e deslocamentos, um corpo inicialmente em repouso pode adquirir certa
velocidade, desde que lhe seja transferida certa energia cinética ou que ocorra a transformação de alguma
forma anterior de energia em energia cinética, como acontece na transformação da energia química dos
combustíveis em energia cinética de rotação do motor dos veículos automotivos.
2. Mediante a atuação de forças de atrito ao longo de um determinado
deslocamento, a energia cinética adquirida por um veículo pode ser
O atrito é uma força contrária transformada em energia térmica, o que provocará o aquecimento das
ao movimento que transforma peças que compõem o sistema de freios, redundando na transmissão de
a energia mecânica (EM) em calor dessas peças para o ambiente ao seu redor.
3. Mediante a realização de forças e deslocamentos, o sistema elástico
energia térmica (ET); essa constituído por um arco e flecha pode armazenar certa energia potencial
última, por sua vez, se dissipa elástica. Essa energia, posteriormente, será transformada em energia
para o ambiente como calor. cinética e se manifestará no movimento da flecha em direção a seu alvo.
4. Mediante a atuação da força de atração gravitacional, a energia cinética
de um objeto lançado verticalmente para cima irá se transformar em
energia potencial gravitacional. Essa última, posteriormente, será transformada, novamente, em energia
cinética durante a queda do mesmo objeto.
II.3- Cálculo das manifestações de energia mecânica
O cálculo das energias cinética (EC), potencial gravitacional (EPG) e potencial elástica (EPE) é realizado por
meio de equações que permitem medir como cada uma dessas manifestações da energia surge como
resultado da realização de forças e deslocamentos. Tais equações são definidas a partir do conceito de
trabalho, que será apresentado posteriormente em nosso curso. Contudo, mesmo antes do tratamento desse
conceito e da dedução das equações apresentadas abaixo, nós as utilizaremos em cálculos de valores de
energia cinética, potencial gravitacional e potencial elástica. A equação da energia potencial elástica só
apresenta o formato a seguir para molas cuja rigidez se mantém constante. O cálculo desse tipo de
manifestação da energia em outros sistemas elásticos é feito a partir de equações diferentes. Ainda assim,
no Ensino Médio, usamos a equação da energia potencial elástica de uma mola como modelo geral de
situações nas quais a energia mecânica é armazenada mediante a deformação de uma estrutura elástica.
. .
.
onde EPG é a energia potencial gravitacional (dada em joules), m é a massa do corpo
(dada em kg), g é a aceleração da gravidade (dada em m/s2) e h é a altura em relação
a um nível de referência (dada em m).
onde EC é a energia cinética (dada em joules), m é a massa do corpo (dada em kg) e
V é sua velocidade em um dado instante (dada em m/s).
.
onde EPE é a energia potencial elástica (dada em joules), K é uma constante que
identifica a rigidez da mola e X é a deformação da mola.
Exploração 1 – Energia cinética e potencial gravitacional no movimento sem atrito
1.1- Escolha a primeira opção de pista (quadro
superior), reinicie a simulação e marque as
opções: Gráficos de barras, Mostrar grade e
Velocidade.
 Posicione o skatista em um ponto no alto da
rampa observando, na grade, a sua altura
inicial. Observe o movimento do skatista. O
que acontece com as energias mostradas no
gráfico de barras durante o movimento? Em
que posições as energias cinética e potencial
são máximas e mínimas? Relacione essas
energias com a velocidade do skatista.
 Qual é a altura máxima atingida pelo skatista
no outro lado da rampa? Mude a posição
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largada do skatista para um ponto numa altura diferente e observe de novo a altura máxima atingida por
ele no outro lado da pista bem como as variações das energias. Explique, a partir das mudanças
observadas nos gráficos de energia, o valor da altura máxima observada.
1.2- Escolha a segunda opção de pista (quadro do meio), reinicie a simulação e marque as opções:
Gráficos de barras, Mostrar grade e Velocidade.
 Posicione novamente skatista em um ponto no alto da rampa e observe o movimento do skatista.
O que acontece com as energias mostradas no gráfico de barras durante o movimento? Podemos
dizer ainda que há conservação da energia total?
 Mude a posição do skatista para uma posição no meio da rampa e observe as mudanças na
velocidade do skatista quando ele abandona a rampa, comparada com a velocidade observada
quando o skatista parte do ponto mais alto da pista. Como podemos explicar isso a partir das
transformações de energia que ocorrem durante o movimento?
 Aumente a massa do skatista e o posicione no alto da rampa. Observe a sua velocidade ao abandonar
a rampa comparando com a sua velocidade anterior com massa menor. Houve mudanças na
velocidade ao mudarmos a massa do skatista? Como podemos explicar isso a partir das
transformações de energia que ocorrem durante o movimento?
1.3 Escolha a terceira opção de pista (quadro de baixo), reinicie a simulação e marque as opções:
Gráficos de barras, Mostrar grade e Velocidade. Descreve as mudanças que ocorrem nas
manifestações e transformações de energia durante o movimento do skatista.
Exploração 2 – Energia cinética e potencial gravitacional no movimento com atrito
2.1- Escolha agora a aba Friction no alto da tela. Veja
que há uma mudança no quadro de comanda na
parte direita da tela onde foi acrescentada uma
opção Friction para ligar ou desligar a força de
atrito e logo abaixo há um botão deslizante que
varia a intensidade dessa força. Há também a
opção para ligar ou desligar o tracejado da pista.
Escolha inicialmente um valor pequeno para a
força de atrito e marque as opções: Gráficos de
barras, Mostrar grade e Velocidade
 Posicione o skatista em um ponto da rampa
observando, na grade, a sua altura inicial. Qual é a
altura máxima atingida por ele no outro lado da
rampa? Como podemos explicar isso a partir das transformações de energia mostradas no gráfico de
barras?
 Aumente o valor da força de atrito e repita o procedimento anterior. O que você pode concluir sobre
o efeito da força de atrito sobre o movimento do skatista?
 É correto dizer que ainda há conservação da energia mecânica contida no sistema skatista + Terra?
 É correto dizer que, apesar da presença do atrito, o fenômeno respeita o princípio geral da
conservação da energia?
Exploração 3 – Construindo a sua pista
Escolha agora a aba Track Playground no alto da tela.
Nessa tela você poderá construir a sua pista arrastando os
objetos da parte superior esquerda da tela. Esse objeto é
um pedaço da pista que pode ser modificado clicando com
o mouse nos pequenos círculos e arrastando-os a vontade
para modelar a rampa. Você pode também juntar dois
objetos desses para fazer pistas mais complexas.
Construa várias pistas como, por exemplo, uma pista com
um loop, e descreva as transformações de energia
observadas.