FÍSICA CONCEITUAL PARA ENGENHARIA��Módulo 4

ENERGIA

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Prof. Joares Junior

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Engenharia Básica

Prof. Dr. Joares Junior – Engenharia SJC

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Trabalho

• Trabalho é o esforço exercido sobre algo que fará sua energia variar. Quando erguemos uma carga contra a gravidade da Terra, estamos realizando trabalho. Quanto mais pesada for a carga ou quanto mais alto ela for erguida, maior será o trabalho realizado. Dois ingredientes entram em cena sempre que é realizado trabalho: (1) a aplicação de uma força e (2) o movimento de alguma coisa pela força aplicada. No caso mais simples, em que a força é constante e o movimento é retilíneo e na mesma direção e sentido da força, definimos o trabalho que a força aplicada realiza sobre um objeto como o produto do valor da força pela distância ao longo da qual o objeto foi movimentado

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A unidade de medida para trabalho combina uma unidade de força (N) com uma unidade de distância (m); a unidade de trabalho, então, é o newton-metro (N·m), também chamada de joule (J). Um joule de trabalho é realizado quando uma força de 1 newton é exercida ao longo de uma distância de 1 metro, como ao erguer uma maçã sobre sua cabeça

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Pausa para teste...

• 1. Quanto trabalho é necessário para erguer um saco de compras de 200 N a uma altura de 3 m?
• 2. Quanto trabalho é necessário para erguê-lo ao dobro dessa altura?

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Problema

• 46. Quanto trabalho é necessário para levar um eletrodoméstico de 250 kg ao segundo andar de uma casa, 6,0 m acima do nível do calçamento?

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Potência

• A definição de trabalho não diz nada sobre o tempo durante o qual o trabalho é realizado. A mesma quantidade de trabalho é realizada enquanto levamos uma carga escada acima, não importando se fazemos isso caminhando ou correndo (quanto tempo). Para compreender a diferença, precisamos falar sobre uma medida de quão rapidamente o trabalho é realizado – a potência. Potência é igual à quantidade de trabalho realizado pelo tempo que levou para realizá-lo:

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• A unidade de potência é o joule por segundo (J/s), também chamado de watt (em homenagem a James Watt, o inventor da máquina a vapor do século XVIII). Um watt (W) de potência é despendido quando 1 joule de trabalho é realizado em 1 segundo

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Pausa para teste...

• 1. Quanta potência é gasta para erguer um piano de 4.000 N a uma distância vertical de 4 m em 2 s? Quanta potência é necessária para fazer o mesmo em 1 s?

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• 2. Se uma retroescavadeira for substituída por uma nova de potência duas vezes maior, quanta terra a mais ela poderá erguer no mesmo intervalo de tempo? Se a nova escavadeira erguer a mesma quantidade de terra que a outra, em quanto ela será mais rápida no serviço?

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Problema

• 53. Quantos watts de potência você produz quando exerce uma força de 50 N que move um caixote em 6,0 m durante um intervalo de 3,0 s?

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Energia mecânica

• O “algo” que torna um objeto capaz de realizar trabalho é a energia. Como o trabalho, a energia é medida em joules. Ela aparece em diversas formas, que serão discutidas mais a frente. Por ora, focaremos nossa atenção nas duas formas mais comuns de energia mecânica: a energia devido à posição de algo (energia potencial) ou ao movimento de alguma coisa (energia cinética). A energia é mais evidente quando varia.

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Energia Potencial

• Um objeto pode armazenar energia devido à sua posição. A energia armazenada e mantida pronta para ser usada é chamada de energia potencial (EP), porque no estado de armazenagem ela tem potencial para realizar trabalho. Por exemplo, uma mola esticada ou comprimida tem o potencial de realizar trabalho.

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Energia potencial gravitacional

• É necessário realizar trabalho para erguer objetos contra a gravidade terrestre. A energia de um corpo devido à sua posição elevada é chamada de energia potencial gravitacional. A água num reservatório elevado e o martelo de um bate-estacas têm energia potencial gravitacional. Sempre que trabalho for realizado, haverá uma transferência de energia. A quantidade dessa energia que um objeto elevado tem é igual ao trabalho que foi realizado contra a gravidade para erguê-lo.
• A força para cima necessária para se mover com velocidade constante é igual ao peso do objeto, mg, de modo que o trabalho realizado para erguê-lo em uma altura h é igual ao produto mgh:

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Pausa para teste...

• Quanto trabalho deve ser realizado para erguer um bloco de gelo de 100 N em uma distância vertical de 2 m, como mostrado na Figura ?
• 2. Quanto trabalho deve ser realizado para empurrar o mesmo bloco de gelo e fazê-lo subir 4 m ao longo de uma rampa? (A força necessária para tal é de apenas 50 N, por isso usamos rampas.)
• 3. Qual é o aumento da energia potencial do bloco em cada caso?

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Problema

• 49. Bernie salta do topo de um alto mastro de bandeira para dentro de uma piscina. Sua energia potencial no topo vale 10.000 J (em relação à superfície da piscina). Qual será sua energia cinética quando sua energia potencial tiver se reduzido a 1.000 J?

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A Energia Cinética

• Se um objeto está em movimento, então ele é capaz de realizar trabalho. Ele tem energia de movimento, então dizemos que ele tem uma energia cinética (EC). A energia cinética de um objeto depende de sua massa e de sua rapidez. Ela é igual ao produto da massa pelo quadrado da velocidade, multiplicado pela constante ½.

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Teorema Trabalho resultante – variação de energia cinética

• Quando um carro acelera, seu ganho de energia cinética provém do trabalho realizado sobre ele. Quando um carro torna-se mais lento, é porque um trabalho foi realizado para reduzir sua energia cinética. O trabalho é igual à variação da energia cinética. Esse é o teorema trabalho-energia. O trabalho nessa equação é o trabalho resultante – ou seja, o trabalho realizado pela força resultante.

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Pausa para teste...

• Qual é o nome dado para a grandeza força × distância, que grandeza ela afeta e em que unidade ambas são expressas?

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• 2. Enquanto viaja de avião, um inseto o incomoda à sua frente no instante que o capitão anuncia velocidade de cruzeiro de 800 km/h. Isso significa que a EC do inseto é incrivelmente alta?

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Continuando os teste...

• 1.Quando você está dirigindo a 90 km/h, que distância a mais precisa percorrer até parar em comparação à situação em que você dirige a 30 km/h?

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• 2. Para uma mesma força, por que o canhão de cano mais longo transmite maior rapidez a uma bala?

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• 3. Um objeto pode ter energia?

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• 4. Um objeto pode ter trabalho?

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Problema

• 48. Quanto trabalho é realizado quando você empurra um caixote horizontalmente com 100 N de força ao longo de 10 m do piso de uma fábrica?
• Se a força de atrito sobre o caixote é de 70 N, mostre que a EC adquirida pelo caixote é de 300 J.
• O que acontece com a “energia perdida”?
• 54. A EC de um carro varia mais quando ele vai de 10 km/h para 20 km/h ou quando ele vai de 20 km/h para 30 km/h?

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Conservação de energia

• A energia não pode ser criada ou destruída; ela pode ser transferida de um objeto para outro ou transformada de uma forma em outra, mas a quantidade total de energia jamais muda.

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Problema

• 56. Uma moeda de 2,5 g é derrubada do alto do edifício Empire State e cai 381 m até atingir a calçada. Se a moeda quase não encontrar resistência do ar enquanto cai (nada realista!), mostre que a sua energia cinética logo antes de atingir a calçada é de quase 10,0 J.

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Obrigado a todos!

Até a próxima.

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