Telecurso 2000. Física Completo. - 13fis

Telecurso 2000. Física Completo. - 13fis

(Parte 1 de 2)

13 AULA

Chocolate, energia que alimenta

Cristiana e Roberto tŒm o saudÆvel hÆbito de correr quase todas as manhªs para manter a forma. Mesmo assim Roberto estÆ engordando, pelo menos Ø o que acha Cristiana.

“É essa sua mania de chocolate,” diz ela, “vocŒ Ø viciado em chocolate!” Roberto, Ø claro, nªo concorda. Ele come uma barrinha de chocolate de vez em quando e, sempre que come, nªo usa o elevador: sobe atØ o 5” andar, onde mora, pela escada, para compensar.

Quem conhece a vida de um casal sabe que essa conversa nªo acontece uma vez só; ela se repete atØ que alguØm proponha uma saída. E a saída foi recorrer à Física, consultar a vizinha Maristela, que, segundo diziam no prØdio, era estudante de Física.

Cristiana queria saber se, afinal, os cinco lances de escada que Roberto dizia subir (ela nunca tinha visto) compensavam o chocolate que ele comia.

Maristela consultou uma tabela de calorias de alimentos, perguntou o peso de Roberto (que diminuiu uns 5 quilos, segundo Cristiana), avaliou a altura dos degraus da escadaria do prØdio e chegou a uma dramÆtica conclusªo. Coçando a cabeça, decretou: “Para consumir a energia fornecida por uma barra de 100 gramas de chocolate, o vizinho deveria subir uma escadaria de uns 12.0 degraus, pelo menos - mais de 800 andares!” Para os cinco andares que ele subia, 1 grama jÆ dava e sobrava.

Bem que Maristela ainda tentou consolar Roberto. Falou que nªo era mØdica e, portanto, nªo entendia muito bem como funciona o corpo humano; que a conta feita por ela supunha que toda a energia do chocolate seria utilizada para subir a escada, o que certamente nªo era verdade; o nosso organismo tambØm consome energia para digerir os alimentos, respirar, pensar...

“Pra isso ele jÆ come mais que o suficiente”, fulminou Cristiana, vitoriosa. Conformado, Roberto começou a entender melhor por que a propaganda dizia que chocolate Ø “a energia que alimenta”. Mas nªo se deu por vencido: a vizinha devia ter errado. Como Ø que uma barra de chocolate podia fornecer tanta energia? Afinal, o que Ø energiaenergiaenergiaenergiaenergia?

Infelizmente, Roberto vai ter ainda alguma frustraçªo. Nªo Ø fÆcil responder a essas perguntas, principalmente a œltima. Uma definiçªo comum de energia, que tambØm vamos adotar, afirma que energia Ø a capacidade de realizarenergia Ø a capacidade de realizarenergia Ø a capacidade de realizarenergia Ø a capacidade de realizarenergia Ø a capacidade de realizar trabalhotrabalhotrabalhotrabalhotrabalho. Mas o que Ø trabalho? É uma grandeza física criada para medir energia.

Richard Feynman, um dos maiores físicos contemporâneos e ganhador do PrŒmio Nobel de 1965, afirmava que os físicos nªo sabem o que Ø a energianªo sabem o que Ø a energianªo sabem o que Ø a energianªo sabem o que Ø a energianªo sabem o que Ø a energia.

13 A U L A

AULADe qualquer forma, embora seja difícil definir energia, saber o que ela Øo que ela Øo que ela Øo que ela Øo que ela Ø, sabemos muito sobre ela. Conhecemos suas formas e transformaçıes, sabemos

como se conserva, embora mude de forma e, sobretudo, sabemos medi-la em funçªo de seus efeitos. Esta aula serÆ dedicada a algumas dessas idØias iniciais.

As formas de energia

Imaginemos algumas coisas e situaçıes bem diferentes: uma barra de chocolate, uma pilha, um litro de Ælcool, uma rocha à beira de um penhasco e uma ensolarada praia do Nordeste com dunas de areia modeladas pelo vento. O que esses objetos ou lugares tŒm em comum? Eles podem produzir algum efeito, realizar algum trabalhotrabalhotrabalhotrabalhotrabalho. Ilustram fontes ou formas de energia.

A barra de chocolate Ø um alimento, tem energia química que, por meio da digestªo em nosso organismo, pode se transformar em outras formas de energia.

A energia química da pilha só Ø œtil para nós quando se transforma em energia elØtrica, que por sua vez, pode se transformar em energia luminosa numa lanterna, em energia sonora num rÆdio, ou em energia mecânica num brinquedo.

A energia química do Ælcool pode se transformar em energia tØrmica, quando nos ajuda a acender a churrasqueira, ou em energia mecânica nos veículos a Ælcool.

Uma rocha à beira de um penhasco tem uma energia potencial gravitacional.

Ela pode cair, transformando-se em energia cinØtica e causar muitos prejuízos.

A praia do Nordeste nªo Ø só uma fonte de beleza, mas tambØm um lugar onde Ø abundante a energia solar e a energia cinØtica dos ventos.

Nessa descriçªo aparecem dois verbos que sªo a chave para a compreensªo do conceito de energia: poderpoderpoderpoderpoder e transformar.transformar.transformar.transformar.transformar. Sempre que alguma coisa podepodepodepodepode realizar um trabalho, direta ou indiretamente, por meio de alguma transforma- transforma- transforma- transforma- transformaçªoçªoçªoçªoçªo, Ø porque essa “alguma coisa” tem uma forma de energia.

Algumas vezes essas relaçıes sªo percebidas facilmente. Por exemplo, quando alguØm puxa o elÆstico de um estilingue e, soltando, faz uma pedra subir. Nªo Ø difícil perceber que o elÆstico esticado tem uma energia que se transfere à pedra.

Outras vezes essa relaçªo Ø menos visível como no caso da energia fornecida pelos alimentos, ou da energia elØtrica, da qual depende praticamente toda a civilizaçªo moderna.

Seja como for, todas as formas de energia podem ser resumidas em duas: potencial potencial potencial potencial potencial e cinØticacinØticacinØticacinØticacinØtica e todas as transformaçıes de energia sªo, essencialmente, transformaçıes de energia cinØtica em potencial e vice-versa.

Energia potencial

Se um corpo tem energia quando pode pode pode pode pode realizar um trabalho, pode-se classificar a sua energia pela propriedade que dÆ a ele a capacidade de realizar esse trabalho. Vamos voltar à rocha no alto do penhasco (Figura 1). Ela tem energia porque estÆ lÆ no alto e podepodepodepodepode cair. Mas por que ela pode cair? Porque a Terra a atrai, Ø o que afirma a lei da atraçªo gravitacional. Se nªo existisse essa propriedade, a rocha nªo cairia e, portanto, nªo teria energia.

Figura 1. A rocha no alto do penhasco e a pedra no elástico esticado têm energia potencial.

AULAUma situaçªo semelhante ocorre com a pedra que estÆ no elÆstico esticado do estilingue. Ela tem energia porque, se o elÆstico for solto, tenderÆ a voltar à sua

posiçªo inicial, levando a pedra que, por isso, podepodepodepodepode ser lançada à distância. Se o material nªo fosse elÆstico, como um chiclete que estica e nªo volta, a pedra tambØm nªo teria energia.

Nesses dois casos, a característica de cada corpo, e que dÆ a capacidade de realizar trabalho, Ø a posiçªo.posiçªo.posiçªo.posiçªo.posiçªo. É a posiçªo da rocha no alto do penhasco e da pedra no elÆstico esticado a origem da energia desses corpos.

Toda energia que se deve à posiçªoposiçªoposiçªoposiçªoposiçªo de um corpo do tipotipotipotipotipo potencial potencial potencial potencial potencial. No caso da rocha, essa energia Ø uma energia potencial gravitacionalenergia potencial gravitacionalenergia potencial gravitacionalenergia potencial gravitacionalenergia potencial gravitacional. É a atraçªo gravitacional que faz a rocha ter energia naquela posiçªo. Da mesma forma, Ø a elasticidade do elÆstico do estilingue que dÆ à pedra, naquela posiçªo, uma energia energia energia energia energia potencial elÆsticapotencial elÆsticapotencial elÆsticapotencial elÆsticapotencial elÆstica.

HÆ outras formas de energia potencial. Um corpo carregado eletricamente pode ser atraído ou repelido por outro tambØm carregado, adquirindo, energia potencial elØtrica.

É interessante notar que a energia potencial, como a própria palavra indica, Ø uma energia que pode vir a ser usada, mas, se nªo for, nªo se perderÆ. Por isso costuma-se dizer que energia potencial Ø uma energia armazenadaarmazenadaarmazenadaarmazenadaarmazenada no corpo. Isso nªo ocorre com a outra forma de energia, a energia cinØtica.

Energia cinØtica

O ar parado nªo realiza trabalho, mas o ar em movimento - o vento - Ø uma fonte de energia. Foi a energia dos ventos que trouxe as caravelas dos descobridores para o Novo Mundo, hÆ quinhentos anos. As Æguas paradas de um lago tranqüilo tambØm nªo realizam trabalho, ao contrÆrio da correnteza de um rio ou o vaivØm das Æguas do mar.

Mas nªo só a Ægua e o ar tŒm energia quando em movimento. Todo corpo em movimento tem energia, uma energia cinØticaenergia cinØticaenergia cinØticaenergia cinØticaenergia cinØtica.

No entanto, diferentemente da energia potencial, a energia cinØtica nªo fica “armazenada” no corpo, ela só pode ser aproveitada, diretamente, enquanto ele se move. Quando os ventos paravam, as caravelas paravam - era a calmariacalmariacalmariacalmariacalmaria, uma espØcie de “crise energØtica”, que só podia ser resolvida desviando a rota para regiıes onde havia vento. Nªo era possível guardar parte da energia dos dias em que ventava muito para utilizar nos dias em que ventava pouco.

É interessante lembrar que, na realidade, tudo estÆ em movimento, desde as estrelas, o Sol, a Terra e os planetas, atØ os Ætomos e molØculas que formam os corpos. Tudo, portanto, sempre tem energia cinØtica. Logo, vocŒ poderia dizer que nªo existe calmaria, certo? Certo e errado.

Como vimos no estudo da CinemÆtica, o movimento Ø um conceito relativo, pois um corpo pode estar em movimento em relaçªo a alguma coisa e parado em relaçªo a outra. O mesmo vale para a energia cinØtica. Na calmaria, a caravela estava parada em relaçªo ao mar ou à Terra, embora se movesse, junto com a Terra em relaçªo ao Sol. Em relaçªo ao Sol, portanto, a caravela tinha energia cinØtica, mas nªo em relaçªo ao mar. Se a caravela fosse uma nave espacial, nªo teria havido maiores problemas.

Por outro lado, os Ætomos e molØculas de um corpo estªo em permanente estado de agitaçªo, eles sempresempresempresempresempre tŒm energia cinØtica. Essa energia cinØtica, embora nªo seja visível, pode ser percebida por sua temperaturatemperaturatemperaturatemperaturatemperatura. Quanto maior a temperatura de um corpo, maior a energia cinØtica de seus Ætomos e molØculas.

AULASob o ponto de vista microscópico do mundo invisível dos Ætomos e molØculas, todo corpo tem, sempre, energia cinØtica. Sob o ponto de vista

macroscópico, do que podemos ver, um corpo pode ter ou nªo energia cinØtica: depende do referencial.

Voltemos à rocha no alto do penhasco. Ela estÆ parada; logo, nªo tem energia cinØtica, mas tem energia potencial. Se ela se desprender e cair, enquanto a altura de queda diminui, sua velocidade aumenta. À medida que a altura vai diminuindo, diminui a energia potencial gravitacional, porque o trabalho que essa rocha pode fazer depende da altura de queda. Se ela estiver no chªo, nªo haverÆ mais trabalho a realizar, a energia potencial gravitacional da rocha Ø nula. Por outro lado, como a velocidade da rocha vai aumentando, a sua energia cinØtica, que lÆ em cima nem existia, tambØm vai aumentando (Figura 2).

Conservaçªo da energia

HÆ, portanto, uma compensaçªo: enquanto a energia potencial gravitacional a energia potencial gravitacional a energia potencial gravitacional a energia potencial gravitacional a energia potencial gravitacional da rocha diminuida rocha diminuida rocha diminuida rocha diminuida rocha diminui, sua energia cinØtica aumentasua energia cinØtica aumentasua energia cinØtica aumentasua energia cinØtica aumentasua energia cinØtica aumenta. E quando ela pÆra, o que acontece com essas energias? Desaparecem? Nªo, a energia potencial inicial da rocha nªo se transforma apenas em energia cinØtica da própria rocha, mas tambØm na energia cinØtica de seus Ætomos e molØculas, pois ela se aquece no atrito com o penhasco.

AlØm disso, durante a queda ela transfere energia a outras rochas e pedras; a galhos de Ærvore que se vergam e quebram; ao chªo e ao ar, que tambØm se aquecem, vibram e se manifestam na forma de energia sonora, pelo ruído assustador do seu caótico movimento.

O mais importante Ø que, segundo a Física, a energia total em jogo nesse processo nªo se perde, apenas se transforma. Essa Ø uma conseqüŒncia de um dos seus princípios fundamentais, o princípio da conservaçªo da energia. princípio da conservaçªo da energia. princípio da conservaçªo da energia. princípio da conservaçªo da energia. princípio da conservaçªo da energia.

A idØia de que a energia sempre se conserva pode nos dar uma falsa impressªo: se nada se perde, nªo hÆ por que nos preocuparmos com a preservaçªo da energia. Essa Ø uma conclusªo errada, porque nem toda forma de energia pode ser aproveitada pelo homem. O que restou do movimento da rocha, por exemplo, foi um enorme ruído e um ligeiro acrØscimo na temperatura da rocha e em tudo que foi atingido por ela durante a queda. Em pouco tempo, tudo isso acabou por se transferir ao ambiente. A energia total nªo se perdeu, Ø verdade, mas nªo Ø mais possível aproveitÆ-la. Para a natureza, nada se alterou, para nós, seres humanos, hÆ agora menos energia disponível.

As fontes de energia disponíveis para nós sªo aquelas que sabemos aproveitar: a energia potencial gravitacional da Ægua; a energia química dos combustíveis, como os derivados do petróleo, o Ælcool e o carvªo; a energia nuclear e, em pequena escala, ainda, a energia solar, dos ventos e das marØs. A maior parte dessa energia Ø transformada em energia elØtrica e o restante na energia mecânica da maioria dos nossos meios de transporte. Nossas principais fontes de energia, porØm, sªo limitadas.

Mesmo nos poucos países, como o nosso, onde hÆ abundância de energia de rios e cachoeiras, a disponibilidade Ø cada vez menor, e mais caras as obras necessÆrias para o seu aproveitamento. O petróleo, pelo que se sabe atØ agora, deve durar apenas mais algumas dØcadas. A energia nuclear, alØm de limitada, apresenta problemas de armazenagem do lixo atômico que ainda nªo foram resolvidos. A energia renovÆvel do Ælcool freqüentemente ocupa terras fØrteis que poderiam produzir alimentos.

Figura 2. À medida que a rocha cai ou a pedra se desloca, a energia potencial transforma-se em energia cinética.

AULAEm resumo, como se vŒ, a ciŒncia alØm de nªo saber exatamente o que Ø energia, nªo sabe tambØm se, no futuro, haverÆ energia suficiente para a sobrevi- vŒncia da nossa civilizaçªo.

O mais sensato, hoje, Ø nªo desperdiçar. Apagar as lâmpadas desnecessariamente acesas, tomar banhos menos demorados, regular o motor do carro etc. Felizmente, o nosso organismo Ø muito mais eficiente e os alimentos, nossa fonte de energia, de uma variedade quase interminÆvel.

Graças a isso, o nosso amigo Roberto pôde deixar de comer chocolate, que lhe fornecia energia em excesso, transformado em gordura no seu eficiente organismo. Em compensaçªo, Cristiana tem preparado deliciosos pratos à base de pepino, abóbora, jiló, quiabo e outras iguarias menos energØticas, mas igualmente saborosas!

Nesta aula vocŒ aprendeu: •o que Ø energia;

•quais as formas de energia e suas transformaçıes;

•que a energia se conserva, mas nem toda forma de energia pode ser aproveitada pelo homem.

Use a figura e descreva as transformaçıes por que passa a energia nos exercícios a seguir.

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