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Transformação de energia
Teoria
Energia
As grandezas Trabalho e Energia são grandezas de mesma dimensão. Realizar trabalho é fazer uma transferência de energia entre os corpos. Mas o que é energia? Definir energia é muito difícil, mas podemos tentar entender como “algo” que pode ser guardado ou usado em diferentes formas. Essas formas estão presentes no dia a dia: energia térmica, mecânica, elétrica, eólica, nuclear, química, etc. Energia é uma palavra para designar uma quantidade que pode ser expressa matematicamente e que não se altera após mudanças possíveis que ocorram na natureza. Aqui vamos nos ater a energia mecânica, que é o conceito de energia aplicado a mecânica. A energia mecânica pode ser calculada como a soma da energia potencial com a cinética em um sistema.
𝐸𝑚𝑒𝑐â𝑛𝑖𝑐𝑎 = 𝐸𝑐𝑖𝑛é𝑡𝑖𝑐𝑎 + 𝐸𝑝𝑜𝑡ê𝑛𝑐𝑖𝑎
A energia potencial é o “joule guardado”, isto é, a energia que está disponível para ser usada, aguardando para ser usada. A energia cinética é a energia do movimento, é o “joule usado”, é o trabalho sendo realizado. Como você já deve ter percebido, a unidade de energia é o joule (J) no Sistema Internacional. A energia possui ainda outras unidades usuais (caloria [cal], quilowatt-hora [kWh], eletron-volt [eV] entre outras) que dependem mais do hábito cotidiano do que da ciência. Você já imaginou perguntar quantos kWh tem um iogurte?
Energia Potencial
A energia potencial é dividida em dois tipos de energia: a energia potencial gravitacional e a energia potencial elástica. A energia potencial gravitacional é a energia armazenada ao corpo quando o mesmo apresenta uma determinada altura de acordo com um determinada referencial.
Como vamos calcular a energia em Joule, precisamos manter todas as demais grandezas em suas unidades do SI. Isso garante que a massa seja medida em quilograma (kg), a aceleração da gravidade em metro por segundo ao quadrado (m/s²) e a altura em metros (m) A energia potencial elástica é a energia armazenada a um determinado corpo elástico ao ser deformado.
𝑘. 𝑥^2
Igualmente a potencial gravitacional, devemos garantir que as grandezas associadas estejam no SI. Logo, a deformação “x” deve ser medida em metros (m) e a constante elástica “k” deve ser medida em newton por metro (N/m).
Energia Cinética
A energia cinética é a energia utilizada pelo corpo para ter movimento. Esse energia é responsável pelo corpo apresentar velocidade.
𝑚. 𝑣^2
Para a energia cinética também vamos manter as grandezas no SI. Para isso, devemos media a massa em quilograma (kg) e a velocidade em metro por segundo (m/s) Obs.: Para a solução de exercícios de energia é preciso pensar da seguinte forma: Qual tipo de energia mecânica o corpo possui? Se tiver velocidade – tem energia cinética; se tiver altura em relação a um referencial – tem energia potencial gravitacional; se tiver mola ou meio elástico deformado – tem energia potencial elástica.
Conservação de Energia
O Princípio da Conservação da Energia diz que quando um número é calculado no início de um processo (o valor da energia), ele será o mesmo no fim do processo. A energia poderá sofrer mudanças na sua classificação, mas continuará sendo expressa pelo mesmo número. Assim, ao ligarmos uma torradeira na tomada, estamos transformando a energia elétrica em energia térmica. Um liquidificador transforma energia elétrica em energia cinética e energia térmica. Uma usina nuclear transforma energia nuclear em calor que será transformado em energia cinética que será transformada em energia elétrica. Quando aplicamos o Princípio da Conservação de Energia em sistemas mecânicos, estamos dizendo que a energia mecânica será mecânica até o fim do processo, isto é, não será transformada em outra forma de energia.
5. (G1 - IFSC 2012) A ilustração abaixo representa um bloco de 2 kg de massa, que é comprimido contra uma mola de constante elástica K = 200 N/m. Desprezando qualquer tipo de atrito, é CORRETO afirmar que, para que o bloco atinja o ponto B com uma velocidade de 1,0 m/s, é necessário comprimir a mola em: a) 0,90 cm. b) 90,0 cm. c) 0,81 m. d) 81,0 cm. e) 9,0 cm.
Gabarito
1. C
Como a nossa energia mecânica se conserva. Podemos dizer que a Energia total tem o mesmo valor em todos os pontos. Com isso :
𝑚𝑉𝑏^2
𝑉𝑏^2
2. A
Como a nossa energia mecânica se conserva. Podemos dizer que a Energia total tem o mesmo valor em todos os pontos. Com isso:
𝐾𝑥^2
𝑚𝑣^2
200. ( 0 , 1 )^2 = 2 𝑣^2
3. D
A expressão da energia potencial é: EPot = m g h. Se ele está subindo, a altura está aumentando, portanto, o centro de massa do corpo do Arlindo está ganhando energia potencial.
4. C
Epot = m g h = 50(10)(30) Epot = 15.000 J.
5. B
Dados: m = 2 kg; K = 200 N/m; v = 1 m/s; h = 4 m. O sistema é conservativo. Então:
𝐸𝑀𝑒𝑐^ 𝐴^ = 𝐸𝑀𝑒𝑐^ 𝐵^ ⇒
K𝑥^2
= mg ℎ +
m𝑣^2
200 𝑥^2
= 2 ( 10 )( 4 )^ +
2 ( 1 )^2
𝑥 = ±√^
Ignorando a resposta negativa: x = 90,0 cm.
