Trabalho
De
Física
Alunos: Aline, Daiane, Edivânia, Joice, Poliana e Wesley
Professor: Genivaldo B. Gomes
Série: 1° ano A
Tema: resumo do capitulo do livro, Energia.
Escola Estadual Vinícius de Moraes
Colniza-MT 28/10/2010
Trabalho afim de obtenção de nota da disciplina de Física
Introdução
Hoje em dia, com os formidáveis computadores disponíveis, desde que as forças sejam conhecidas, podemos determinar o movimento do corpo, por mais complexas que sejam essas forças.
Felizmente foram encontrados outros modos de analisar os movimentos, sem depender da aplicação direta das leis de Newton, os quais apresentaremos ao longo desse trabalho.
1- O que é energia
Até hoje ninguém conseguiu dar uma definição satisfatória de energia. Às vezes é possível dar uma definição que serve para alguns casos, mas não serve para todos. O fato de não se ter uma definição geral não aflige os físicos. O importante mesmo é um fato revelado pela experiência: o total de energia do universo é constante; a energia pode se transformar de uma forma em outra, mas, quando calculamos o valor de cada uma delas, o total é sempre o mesmo.
É importante observar que hoje nós não sabemos o que é energia. O que sabemos é que existe uma lei governando todos os fenômenos naturais conhecidos até hoje. Ela exprime o fato de que, quando calculamos certo número no início de um processo e no fim do processo, os resultados são iguais.
· Uma definição parcial de energia
Uma definição informal de energia, mas que é adequado para um grande número de fenômenos com que defrontamos no dia-dia.
Uma faísca elétrica produzida por um sistema elétrico provoca uma reação química denominada combustão causando uma pequena explosão de gás.
Portanto, houve transformação de energia química em energia sintética. Porém, nem toda a energia química liberada na explosão é transformada em energia cinética.
· O calor também é energia
O motor do automóvel se aquece durante o funcionamento, isso significa que uma outra parte da energia química da gasolina transforma-se em calor.
Um exemplo: o calor do sol aquece as águas dos rios e dos oceanos, fazendo com que o vapor de água suba, transformando-se em nuvens. O calor faz com que a água ferva, produzindo o vapor; essa força do vapor é à base de funcionamento das máquinas a vapor, que começaram a ser construídas em 1698.
Queimando-se o carvão, obtenha-se o calor necessário para ferver a água contida em uma caldeira. As primeiras máquinas a vapor foram utilizadas para movimentar as bombas que acumulavam água no fundo das minas profundas.
· Energia potencial
Uma pessoa segura uma pedra a certa altura do solo. A pedra está em repouso, mas, se solta-la, a força da gravidade (peso) fará com que a pedra ganhe velocidade. Em outras palavras à medida que cai vai ganhando energia cinética que poderá ser usada para movimentar “coisas” como, fincar uma estaca ou movimentar uma menina. Quando a pedra estava no ponto de altura, ela possuía energia potencial gravitacional. A palavra potencial é usada num sentido como da linguagem cotidiana.
Uma outra forma de energia é a energia elástica um arco ou um estilingue, esse objeto tem energia potencial. Se o objeto for solto, a energia potencial se transformará em energia cinética. Todas as energias armazenadas são potenciais, por exemplo, a energia química de uma bateria é uma energia potencial armazenadas nas ligações químicas dos átomos.
· Energia radiante
A luz é um caso de onda eletromagnética. Além da luz, há outras das quais já devem ter ouvido falar, como raios-X, ondas de rádio, ondas de TV, microondas, raios infravermelhos, raios ultravioletas e raios goma. Dessas ondas só podemos enxergar a luz. As ondas eletromagnéticas transportam uma energia, denominada energia radiante essa energia é transportada na forma de pequenos “pacotes” de energia, denominados fótons.
A energia radiante que recebemos do sol transforma-se em calor. A fotossíntese é uma reação química em que, a partir da água e do gás carbônico, as plantas produzem glicose, substância que armazena energia. É s fotossíntese que garante os alimentos de todos os animais. Ao ingerirmos os alimentos, o nosso organismo executa algumas reações químicas, liberando a energia de que precisamos para nos movimentar e movimentar nosso próprio organismo.
· Usinas elétricas
As usinas que fornecem energia elétrica para as indústrias e residências, existem aparelhos chamados geradores. A movimentação desse aparelho ocasiona a produção de energia elétrica.
Nas grandes usinas o movimento do gerador é obtido pelas quedas da água ou pela força do vapor da água. Durante a queda da água, a energia potencial gravitacional transforma-se em energia cinética, que movimentará o gerador produzindo a corrente elétrica.
Nas usinas termelétricas usa-se uma caldeira. Aquecendo a água, há a formação de vapor. O calor para aquecer a água pode ser obtido pela queima de combustível ou por reações nucleares.
· A energia do sol
A nossa principal fonte de energia é o sol. Ele mantém a terra aquecida, por meio da fotossíntese ele nos propicia os alimentos e os combustíveis orgânicos. Ele é também responsável pela evaporação da água dos rios e dos oceanos, que forma as nuvens e possibilita a chuva e irá alimentar os rios que tornarão possível a construção de usinas hidrelétricas.
2- Trabalho e energia cinética
O conceito de energia teve uma gestação lenta. Ele começou a ser esboçado no final do século XVII, más só apresentou um contorno mais definido em meados do século XIX, quando foi reconhecido o Princípio da Conservação da Energia.
Na formação do conceito de energia, as primeiras máquinas a vapor desempenharam um importante papel. Portanto, a tarefa dessas máquinas era “suspender” a água. Más, para fazer isso, era necessário aplicar uma força, a qual produzia um deslocamento.
Então surgiu a idéia de medir a tarefa realizada a partir do produto da força pelo deslocamento:
Tarefa= (força). (deslocamento)
Logo se percebeu que essa era uma boa maneira de medir a tarefa. Desse modo o valor da tarefa podia servir como medida da energia gasta para suspender a água ou como medida da energia transferida para a água. Os físicos passaram a utilizar a palavra trabalho, o valor desse trabalho é igual à energia gasta para realizá-lo, energia essa que foi transferida ao corpo.
Definição inicial de trabalho
Consideremos um bloco inicialmente em repouso sobre uma superfície horizontal sem atrito. A partir do instante t=0 aplicamos ao corpo uma força f, constante e horizontal. O bloco deverá mover-se para a direita e após um deslocamento d sua velocidade será v. Apenas para fixar idéias, suponhamos que a massa do corpo seja m= 4,0 kg que:
f= 24 n e d = 3,0 m
No sistema internacional de unidades, a unidade de trabalho chama-se joule (cujo símbolo é j), em homenagem ao físico inglês James Prescott Joule (1818-1889), sua obra foi muito importante para o estabelecimento do Princípio da Conservação da energia. Esse trabalho representa a energia transferida ao bloco.
Resumindo:
· Um corpo com velocidade v possui energia cinética. Essa energia cinética é igual ao trabalho total que esse corpo é capaz de realizar até atingir o repouso.
· Quando uma força realiza trabalho positivo sobre um corpo, esse trabalho é transformado em energia cinética.
· Quando uma força realiza trabalho negativo sobre um corpo, o efeito é uma diminuição da energia cinética do corpo.
Um bloco apoiado em uma superfície horizontal é puxado
Para a direita pela aplicação de uma força f de intensidade f=30N.
Exemplo: Um bloco apoiado em uma superfície horizontal é puxado para a direita pela aplicação de uma força F de intensidade f=30 N.
Resolução: Como a força F tem o mesmo sentido do deslocamento, seu trabalho é positivo:
Discussão: Se quisermos obter o trabalho total (ՇTOTAL), podemos proceder de dois modos. Um deles é simplesmente adicionar os trabalhos de todas as forças:
Veja os exemplos a seguir ￫
3-Trabalho de uma força constante em trajetória Retilínea
Consideremos um corpo que se move em trajetória retilínea, efetuando um deslocamento d. Seja f uma das forças que atuam no corpo e suponhamos que essa força seja constante.
Vamos decompor a força f em duas componentes: a componente tangencial f e a componente normal fN.
F = F.cos O e FN=F. Sem O.
A componente normal , pelo fato de ser perpendicular ao deslocamento, não contribui para a aceleração e, portanto, não produz variação de energia cinética.
Em resumo, o trabalho da força f é igual ao trabalho realizado pela sua componente tangencial fT:
Más, como o componente tangencial tem o mesmo sentido do deslocamento, temos:
De I e II, tiramos:
Façamos novamente a decomposição de F em uma componente tangencial FN:
Mas os ângulos d e O são suplementares (sua somo é igual a 180º). Portanto, temos:
Assim:
Duas componentes de F, a única que realiza trabalho é a componente tangencial FT, a qual tem sentido oposto ao do deslocamento. Portanto:
De IV E V, tiramos:
Podemos observar que as formulas III e IV são iguais, isto é, elas servem para calcular o trabalho tanto no caso em que O é agudo como no caso em que O é obtuso.
Podemos observar que a formula VI serve também para os casos particulares vistos anteriormente.
· O trabalho total
Como vimos nos capítulos anteriores, frequentemente encontramos situações em que um corpo está sob a ação de várias forças. O trabalho total realizado durante um deslocamento é simplesmente a soma dos dotrabalhos realizados por cada força:
Sendo F a resultante das forças que atuam no corpo, é possível demonstrar que o trabalho total é igual ao trabalho de F:
4-Trabalho de força variável ou trajetória curva
Há muitas situações em que a força não se mantém constante durante o deslocamento, ou então a trajetória não é retilínea (ou ambos). Nessas situações, o cálculo do trabalho em geral exige a aplicação do Cálculo Integral, que está além do nível do nosso curso.
Nos gráficos de FT em função de s usamos a convenção, gráfico acima do eixo s significa que FT tem o mesmo sentido do movimento e, portanto, o trabalho é positivo; gráfico abaixo do eixo s significa que FT tem sentido oposto ao do movimento e, assim, o trabalho é negativo.
· Trabalho da força peso
Usando-se o Cálculo Integral é possível demonstrar que o trabalho realiza pelo peso (P) da partícula é dado por:
Onde h é o desnível entre os pontos A e B, independentemente da trajetória seguida.
Indo de A para B, a partícula moveu-se a favor do peso e, assim, o trabalho é positivo.
Quando o trabalho de uma força depende apenas do ponto inicial e do ponto final e não da trajetória seguida, a força é chamada de conservativa (a razão desse nome será dada mais tarde). Assim, o peso é uma força conservativa.
· Trabalho de uma força centrípeta
Quando quisermos calcular o trabalho da força centrípeta, devemos dividir a circunferência em pequenos pedaços e calcular o trabalho em cada pedaço.
· Trabalho da força normal sobre corpo que desliza em contato com superfície fixa
Nos trechos retos a força normal FN é perpendicular ao deslocamento e seu trabalho é nulo. Se a superfície de contato for móvel, o trabalho da força normal poderá ser diferente de zero.
· Trabalho da força elástica
Um fato importante sobre a força elástica é que ela é conservativa. Suponhamos a situação em que a deformação é x1 para uma posição em que a deformação é x2, ao longo da trajetória t. É possível demonstrar que o trabalho da força elástica não depende da trajetória.
· Linguagem física e linguagem comum
Frequentemente a Física se apropria de palavras da comum para dar nomes a seus conceitos. A força F exercida pela moça sobre o pacote é perpendicular ao deslocamento d; novamente, um físico dirá que a força F não realiza trabalho. Portanto, em vez de dizer que o atleta e a moça não estão trabalhando, é mais adequado dizer: a força exercida pelo atleta sobre os halteres não realiza trabalho e a força exercida pela moça sobre o pacote não realiza trabalho.
5-Teorema da energia cinética
Quando um corpo de massa M tem velocidade escalar v, dizemos que ele possui energia cinética (EC). Também admitimos que essa energia cinética corresponde ao trabalho realizado sobre o corpo.
Usando o Cálculo Integral é possível demonstrar que o trabalho total realizado por essas forças, entre os pontos A e B (ՇAB), é dado por:
Com base nesse resultado a energia cinética (EC) de um corpo de massa M e velocidade V seja dado por:
Desse modo, na equação I, é a energia cinética no ponto B (E ) e é a energia cinética no ponto A (E ). Podemos, então, dar outra forma à equação I.
Շ AB=E –E EC =Variação de energia cinética III.
As equações I e III são os modos matemáticos de anunciar o Teorema da Energia Cinética (TEC):
O trabalho total das forças atuantes numa partícula é igual à variação da energia cinética dessas partículas.
Se esse trabalho total for positivo, haverá um aumento de energia cinética; se ele for negativo, haverá uma diminuição de energia cinética.
Um bloco de massa M tem movimento retilíneo sobre uma superfície horizontal plana, de modo que a força resultante F tem o mesmo sentido do movimento. Sendo VA a velocidade do bloco no ponto A e VB a velocidade no ponto B, demonstra o Teorema da Energia Cinética para esse caso.