Telecurso 2000. Física Completo. - 15fis

Telecurso 2000. Física Completo. - 15fis

15 AULA

Quanto mais alto o coqueiro, maior Ø o tombo

“Quanto mais alto o coqueiro, maior Ø o tombo”, “pra baixo todo santo ajuda, pra cima Ø um Deus nos acuda”...

Essas sªo frases conhecidas, ditos populares que expressam a mesma idØia: na subida hÆ consumo de energia, na queda ou descida, a energia Ø fornecida ou devolvida. É por isso que o nosso amigo Roberto tinha esperanças de gastar a energia do chocolate subindo escadas. O que ele nªo imaginava Ø que o chocolate fosse capaz de fornecer tanta energia. Agora Ø a hora de saber como Maristela chegou à conclusªo surpreendente de que Roberto poderia subir milhares de degraus, comendo uma barrinha de chocolate!

A primeira pergunta que se pode fazer Ø: por que subir Ø difícil e descer Ø fÆcil? Por que “todo santo ajuda”? A resposta estÆ na lei da gravitaçªolei da gravitaçªolei da gravitaçªolei da gravitaçªolei da gravitaçªo universaluniversaluniversaluniversaluniversal: a Terra nos atrai, puxa a gente para baixo. Na linguagem dos físicos, isso significa que a Terra exerce sobre cada corpo uma força proporcional à massa desse corpo, dirigida para baixo (para o centro da Terra).

Quando levantamos algum objeto, devemos fazer uma força no mínimo igual ao seu peso (no começo ela deve ser um pouquinho maior, Ø claro). Para baixar esse objeto, nªo Ø preciso fazer força alguma, basta largÆ-lo que a Terra se encarrega do serviço.

Em outras palavras: para levantar um corpo Ø preciso exercer uma força sobre ele, realizar um trabalhorealizar um trabalhorealizar um trabalhorealizar um trabalhorealizar um trabalho. Em compensaçªo, esse trabalho nªo se perde. O corpo adquire uma energia energia energia energia energia. E essa energia fica armazenada no corpo porque ele pode, ao cair, devolver o trabalho que realizamos sobre ele. Mais ainda, a energia depende da posiçªo, da altura em que ele estÆ. É, portanto, uma energiaenergiaenergiaenergiaenergia potencialpotencialpotencialpotencialpotencial. E, como jÆ vimos, sendo a origem dessa energia a atraçªo gravitacional da Terra, ela Ø uma energia potencial gravitacionalenergia potencial gravitacionalenergia potencial gravitacionalenergia potencial gravitacionalenergia potencial gravitacional.

Estudaremos agora essa energia e vamos aprender, finalmente, como Maristela fez aquela conta maluca.

Energia potencial gravitacional

Suponha que um corpo de massa m estava no chªo e vocŒ o levantou atØ uma altura h (ver a Figura 1). Que trabalho vocŒ realizou? Uma das maneiras de responder a essa pergunta Ø imaginar o que aconteceria se ele caísse livremente, sob a açªo da gravidade. Para trazŒ-lo de volta ao chªo a Terra deve realizar um trabalho igual ao que fizemos para colocÆ-lo lÆ em cima. Portanto, o trabalho que realizamos sobre o corpo Ø igual ao trabalho realizado pela Terra.

15 A U L A h mg

W = mghFigura1 t

AULALembre-se da a expressªo do trabalho de uma força:

tFFFFF = F · d · cos = F · d · cos = F · d · cos = F · d · cos = F · d · cos a

O trabalho realizado pela Terra serÆ o trabalho da força que ela exerce sobre o corpo, isto Ø, o peso do corpo peso do corpo peso do corpo peso do corpo peso do corpo (ρ P). Entªo, o trabalho realizado pela Terra Ø o trabalho do peso do corpo (tP) ao longo de um deslocamento d = h, altura de queda. Como o peso atua na mesma direçªo e sentido do deslocamento, o ângulo a Ø zero. Aplicando-se a expressªo do trabalho temos, entªo:

tP = P · h · cos a = P · h · cos 0 = P · h · 1,0 = P · h Mas, como P = mg, podemos escrever:

tP = mgh

Se esse Ø o trabalho realizado pelo peso do corpo durante a queda, essa Ø a energia que ele tinha armazenado quando nós o levantamos atØ a altura h. Em outras palavras, essa Ø a sua energia potencial gravitacional, EP. Portanto, a energia potencial gravitacional de um corpo de massa m, a uma altura h do solo, num lugar onde a aceleraçªo da gravidade Ø g, pode ser definida pela expressªo:

EP = mgh

cozinha do seu apartamento(ver a Figura 2).

A unidade de energia potencial Ø a mesma de trabalho e energia cinØtica, o joule (J). Quanto ao valor de h, Ø importante notar que ele depende do referencial adotado. Suponha que o nosso amigo Roberto, que mora no 5” andar, queira calcular a energia potencial gravitacional de um pacote de açœcar em cima da mesa da

Que valor de h ele deve usar? O da altura da mesa atØ o chªo da cozinha ou da altura da mesa atØ o piso do andar tØrreo? A resposta Ø: “depende do“depende do“depende do“depende do“depende do referencial adotado”referencial adotado”referencial adotado”referencial adotado”referencial adotado”. Ele tanto pode calcular a energia potencial gravitacional em relaçªo a um piso ou a outro. Em geral, essa escolha Ø feita em funçªo do nosso interesse. Por exemplo, se quisermos saber com que velocidade o pacote atinge o solo, vamos utilizar o valor de h em relaçªo ao chªo da cozinha, jÆ que o pacote nªo pode atravessÆ-lo. Se quisermos calcular a energia que podemos aproveitar de uma queda d’Ægua, vamos utilizar como referŒncia a altura onde vªo ser colocadas as turbinas e assim por diante.

Uma conclusªo mais importante ainda Ø que a altura h nªo depende da trajetória, mas apenas do desnível entre os pontos inicial e final desnível entre os pontos inicial e final desnível entre os pontos inicial e final desnível entre os pontos inicial e final desnível entre os pontos inicial e final. Observe a Figura 3: imagine que o trenzinho da figura seja solto a uma altura h do ponto mais baixo da sua trajetória. Pode-se mostrar que o trabalho realizado pela Terra sobre o trenzinho Ø, sempre, mgh, qualquer que seja a trajetória do trenzinho. Isso porque sempre Ø possível decompor qualquer trajetória em pequeninos trechos verticais e horizontais. Como nos horizontais a Terra nªo realiza trabalho, porque o peso Ø perpendicular ao deslocamento, sobram só os verticais, que somados, dªo sempre o mesmo valor h (veja o destaque da Figura 3).

T•rreo h h

Figura 2

15 AULA

Passo-a-passo

Suponha que o pacote de açœcar que estÆ sobre a mesa da cozinha do Roberto tenha 2 kg. Qual Ø a energia potencial gravitacional desse pacote em relaçªo ao piso da cozinha e em relaçªo ao piso do andar tØrreo?

Vamos admitir que a altura da mesa seja hc = 0,8 m e que a altura do piso da cozinha ao piso do andar tØrreo seja 15 m. Portanto, a altura do pacote ao piso do andar tØrreo Ø ht = 15,8 m. Entªo, a energia potencial gravitacional (EPc) do pacote em relaçªo ao piso da cozinha Ø

EPc = m · g · hc = 2 · 10 · 0,8 = 16 J

Em relaçªo ao piso do andar tØrreo, a energia potencial gravitacional (EPt) Ø EPt = m · g · ht = 2 · 10 · 15,8 = 316 J

Passo-a-passo

Um sitiante pretende instalar um gerador elØtrico para aproveitar a energia de uma queda d’Ægua de 20 m de altura e vazªo de 200 litros por segundo. Sabendo que cada litro de Ægua tem massa de 1 kg e admitindo g = 10 m/s2, qual a potŒncia mÆxima que ele pode obter dessa queda d’Ægua?

Lembrando a definiçªo de potŒncia, P = t/Dt, para saber a potŒncia mÆxima que pode ser aproveitada dessa queda d’Ægua Ø preciso saber qual o trabalho (t) que a Ægua pode realizar sobre o gerador (movendo uma roda-d’Ægua, por exemplo) localizado no ponto mais baixo da queda. Esse trabalho deve ser realizado num intervalo de tempo Dt. Como a Ægua cai continuamente, vamos considerar um intervalo de tempo Dt = 1,0 s. Sendo de 200 litros por segundo a vazªo da queda d’Ægua e como 1,0 litro de Ægua tem uma massa de 1,0 kg, podese concluir que, no intervalo de tempo considerado, cai sobre o gerador uma massa m = 200 kg de Ægua. Por outro lado, o trabalho que essa Ægua realiza sobre o gerador, no ponto mais baixo, Ø igual a sua energia potencial gravitacional no alto da queda d’Ægua, quando h = 20 m. Portanto, podemos escrever:

P = t

D t

= Ep

D t

= mgh

D t

Essa Ø a potŒncia mÆxima ou potŒncia total que poderia ser obtida dessa queda d’Ægua. Dizemos mÆximamÆximamÆximamÆximamÆxima porque nªo pode ser atingida, sendo que a potŒncia œtil Ø bem menor, pois ocorrem inœmeras perdas. A Ægua perde energia na queda devido ao atrito com o ar e com a roda-d’Ægua que ela deve fazer girar para acionar o gerador, que tambØm tem perdas por atrito e aquecimento. Para saber o que de fato se aproveita, isto Ø, o valor da potŒncia œtil, Ø necessÆrio conhecer o rendimento do sistema.

P Figura 3

AULANesse œltimo Passo-a-passo, vocŒ pôde perceber que, à medida que a Ægua cai, sua velocidade aumenta. Isso significa que, durante a queda, a Ægua adquire

energia cinØtica. Mais ainda: enquanto a Ægua cai, essa energia cinØtica aumenta pois a velocidade tambØm aumenta. Por outro lado, ao mesmo tempo, a altura vai diminuindo e, portanto, a energia potencial gravitacional tambØm vai diminuindo. SerÆ que nªo hÆ uma compensaçªo? O que se perde de uma forma de energia nªo se ganha de outra? Isso Ø verdade e Ø o assunto da nossa próxima aula.

Mas, antes de passar à outra aula, Ø hora de pagar a nossa dívida. Explicar aquela conta maluca da Maristela. Vamos ver como ela fez.

Em primeiro lugar, ela consultou numa tabela de alimentos as calorias que eles fornecem ao corpo humano. LÆ estÆ: 1,0 grama de chocolate fornece 4,7 quilocalorias (em algumas tabelas estÆ escrito apenas “calorias”, mas o correto

Ø quilocaloriasquilocaloriasquilocaloriasquilocaloriasquilocalorias). Quilocaloria Ø uma unidade de energia muito usada em termodinâmica e vale, aproximadamente, 4.200 J. Portanto, 1,0 g de chocolate fornece 4,7 · 4.200 J. Isso dÆ 19.740 J. Como o Roberto disse que a barrinha de chocolate tinha "só" 100 gramas, a energia que ele consumia era de 100 · 19.740 J, ou seja, 1.974.0 J! Agora, Ø só calcular a que altura um corpo de 80 kg (que Ø a massa do Roberto) pode ser elevado com essa energia.

Em outras palavras, se o organismo do Roberto tem disponível uma energia de 1.974.0 J para subir, qual a altura que ele pode atingir carregando o seu próprio peso? Para fazer esse cÆlculo, basta aplicar a definiçªo de energia potencial, admitindo-se que toda energia do chocolate seja transformada em energia potencial no corpo do Roberto, e calcular a altura h em que isso acontece. Teremos entªo:

EP = mgh = mgh = mgh = mgh = mgh Þ 1.974.0 = 80 · 10 · h 1.974.0 = 80 · 10 · h 1.974.0 = 80 · 10 · h 1.974.0 = 80 · 10 · h 1.974.0 = 80 · 10 · h Þ h = 2.467,5 m h = 2.467,5 m h = 2.467,5 m h = 2.467,5 m h = 2.467,5 m

Em geral, os degraus das escadas tŒm 20 cm de altura (0,2 m) e os andares tŒm 3,0 m. Entªo, 2.467,5 m correspondem a 2.467,5 ‚ 0,2 = 12.337,5 degraus e a 2.467,5 ‚ 3,0 = 822,5 andares. Para subir apenas os 5 andares (15 m), a energia necessÆria seria:

EP = mgh = mgh = mgh = mgh = mgh Þ E E E E EPPPPP = 80 · 10 · 15 = 12.0 J = 80 · 10 · 15 = 12.0 J = 80 · 10 · 15 = 12.0 J = 80 · 10 · 15 = 12.0 J = 80 · 10 · 15 = 12.0 J

Como 1,0 g de chocolate fornece 19.740 J, bastariam 12.0 ‚ 19740 = 0,6 g de chocolate, aproximadamente para subir atØ sua casa. Esses resultados sªo tªo fantÆsticos porque o organismo humano Ø, de fato, uma mÆquina fantÆstica. AlØm disso, estamos supondo que toda a energia do chocolate foi usada pelo organismo para fazer o Roberto subir, o que nªo Ø verdade. O valor real, certamente, Ø menor, mas uma conclusªo Ø, infelizmente, inevitÆvel: a œnica forma eficiente de emagrecer Ø nªo comer muito chocolate!

Nesta aula vocΠaprendeu:

lo conceito de energia potencial e como calculÆ-la; lcomo calcular a potŒncia fornecida por uma queda d’Ægua. lalguns exemplos de transformaçªo de energia.

AULA Exercício 1Exercício 1Exercício 1Exercício 1Exercício 1

Suponha que um pacote de açœcar com massa de 5 kg estÆ sobre o armÆrio da cozinha de sua casa. O armÆrio tem 1,8 m e vocŒ mora no 10” andar de um prØdio em que o piso do seu andar estÆ a 30 m do solo. Qual a energia potencial gravitacional desse pacote em relaçªo ao piso da cozinha e em relaçªo ao piso do andar tØrreo?

Exercício 2Exercício 2Exercício 2Exercício 2Exercício 2

Um sitiante pretende instalar um gerador elØtrico para aproveitar a energia de uma queda d’Ægua de 12 m de altura e vazªo de 60 litros por segundo. Sabendo que cada litro de Ægua tem massa de 1 kg e admitindo g = 10 m/s2, qual Ø a potŒncia mÆxima que ele poderÆ obter dessa queda d’Ægua?

Exercício 3Exercício 3Exercício 3Exercício 3Exercício 3

Suponha que o nosso amigo Roberto substitui o chocolate por um suco com 100 gramas de beterraba e cenoura, sem açœcar. Sabendo que 1,0 grama desses saudÆveis e saborosos vegetais tem 400 calorias, calcule a altura que ele seria capaz de subir se toda energia desses alimentos fosse aproveitada para isso. Admita que g = 10 m/s2, que 1 caloria vale 4,2J e lembre-se de que a massa do Roberto Ø de 80 kg.

Comentários