ENERGIA
Mas que é Energia???
Energia não é uma grandeza tão fácil de se categorizar quanto as demais
com que trabalhamos devido à sua extensa gama de formas. Além disso,
ela não é uma grandeza palpável e não pode ser percebida ou medida a
menos que esteja em transformação. Entretanto sabemos por exemplo
como utilizar, armazenar, liberar, transportar e transformar energia.
Praticamente toda a energia da Terra pode de alguma maneira ser ligada
ao Sol e a energia térmica radiante que ele emana até nós. Essa energia se
apresenta em inúmeras outras formas após sofrer uma ou uma série de
transformações.
Focaremos no estudo de três tipos de Energia: Cinética, Potencial e
Mecânica
Energia Cinética (Ec)
Energia Cinética corresponde a energia ligada ao movimento de um
objeto. Seu valor é diretamente proporcional à massa e à velocidade
do corpo em movimento. Sendo m a massa do corpo e v a sua
velocidade, a Energia Cinética Ec será dada por:
𝑚 ∗ 𝑣²
𝐸𝑐 =
2
A unidade de medida da Energia é o Joule (J). Ele representa o
Newton vezes metro (N.m), portanto as unidades da massa e
velocidade são, respectivamente, o quilograma (kg) e o metro por
segundo m/s
Energia Potencial
Energia Potencial corresponde a toda energia capaz de ser
transformada em outro tipo de energia mas que por algum motivo
não se transforma, por isso ela tem justamente o potencial de virar
outra modalidade de energia.
Inicialmente nos preocuparemos com a Potencial Gravitacional e a
Potencial Elástica, modalidades que juntamente com a Energia
Cinética irão compor a Energia Mecânica
Energia Potencial Gravitacional Epg
Energia Potencial Gravitacional corresponde à energia adquirida por um corpo
que se encontra a uma certa altura do nível do chão ou a um certo nível de
referência, onde admitimos que a altura seja zero.
Se um corpo de massa m se encontra a uma certa altura h do nível de referência
num local onde atua uma aceleração da gravidade g, a energia potencial
gravitacional Epg adquirida por esse corpo é dada por:
𝐸𝑝𝑔 = 𝑚 ∗ 𝑔 ∗ ℎ
Novamente, as unidades de medida, na ordem das grandezas da equação, são o
Joule (J), o quilograma (kg), o metro por segundo ao quadrado (m/s²) e o
metro(m)
Energia Potencial Elástica Epel
Energia Potencial Elástica corresponde à energia adquirida por um corpo com
propriedades elásticas (como molas e borrachas por exemplo) quando este tem
seu comprimento deformado em relação à sua posição de equilíbrio.
Se uma mola de constante elástica k é deformada em um comprimento x em
relação à sua posição de equilíbrio, a energia potencial elástica Epel armazenada
pela mola é dada por:
𝐸𝑝𝑒𝑙
𝑘 ∗ 𝑥²
=
2
Novamente, as unidades de medida, na ordem das grandezas da equação, são o
Joule (J), o Newton por metro (N/m) e o metro(m)
Energia Mecânica Em
Energia Mecânica corresponde a soma das energias cinética e potenciais. Em
determinadas situações a energia mecânica será igual apenas a um dos tipos, e
em outras será uma combinação. Seja em que situação for, a energia mecânica
tem sempre de ter o mesmo valor.
A expressão matemática que descreve a energia cinética é dada por:
𝐸𝑚 = 𝐸𝑐 + 𝐸𝑝𝑔 + 𝐸𝑝𝑒𝑙
𝑚 ∗ 𝑣²
𝑘 ∗ 𝑥²
→ 𝐸𝑚 =
+𝑚∗𝑔∗ℎ+
2
2
Pode ocorrer em certas situações, como já dito, de alguma das três modalidades
que compõem a Energia Mecânica não atuarem, e dessa forma seu valor pode
ser considerado como zero
Lei da Conservação da Energia
A lei da conservação da energia diz que toda energia que um corpo possui é
conservada durante suas transformações, não podendo ser criada ou destruída.
Dessa forma toda energia do Universo começou como uma energia primordial
que ao longo do tempo foi sendo e ainda é transformada em diversas formas.
Trabalharemos sempre com sistemas perfeitamente conservativos, de forma que
em cada transformação nenhuma energia é dissipada em formas como calor,
som, luz ou semelhantes.
Para nossos estudos consideraremos a conservação da energia mecânica total.
Dessa forma, em quaisquer momentos de medição, a energia mecânica total do
sistema tem sempre o mesmo valor. Por mais que ocorram variações entre as
componentes cinética e potencial, elas ocorrem de tal forma que a variação da
mecânica é zero:
𝐸𝑚 𝑎𝑛𝑡𝑒𝑠 = 𝐸𝑚 𝑑𝑒𝑝𝑜𝑖𝑠 → 𝐸𝑚 𝑎𝑛𝑡𝑒𝑠 − 𝐸𝑚 𝑑𝑒𝑝𝑜𝑖𝑠 = 0
Máquinas Simples
As máquinas simples são todo instrumento feito pelo homem no intuito de
facilitar a realização de trabalho, ou seja, ela fará a mesma quantidade de
trabalho – transformará a mesma energia - com menos força.
A energia possibilita a realização de trabalho, e este por sua vez é definido
como a quantidade de força aplicada num corpo vezes o deslocamento do
corpo durante a aplicação da força. Matematicamente:
𝜏 =𝐹∗𝑑
Podemos encontrar esse tipo de princípio em diversos objetos do nosso
dia-a-dia, como alicates, martelos, chaves de fenda, tesouras e similares.
Alavancas
Alavancas existem há milênios, e sua função é bem simples: ajudar na
realização de trabalho envolvendo levantamento e compressão
Uma alavanca simples é composta por três pontos importantes: o
Apoio, a Força de Potência ou Força Potente e a Força de Resistência
ou Força Resistente. Alterando a localização destes pontos teremos
diferentes tipos de alavancas.
Alavancas interfixas são alavancas utilizadas no
levantamento e esmagamento de objetos. Neste tipo
o ponto de apoio se localiza entre as forças potente e
resistente. É o caso da gangorra, alicate e tesoura.
Alavancas
Alavancas inter-resistentes também são utilizadas no
levantamento e esmagamento de objetos, entretanto
nestes casos a força resistente se encontra entre o
apoio e a força potente. É o caso do quebrador de nozes,
abridor de garrafas e carrinho de mão.
Alavancas interpotentes são utilizadas no levantamento
e rebatimento de objetos. Neste tipo a força potente está
entre o apoio e a força resistente. É o caso da pá, pinça,
taco de golfe e raquete de tênis
Alavancas
Cada situação exige a atuação de uma alavanca específica que
executa melhor aquele trabalho. Entretanto a lei que rege o
funcionamento das alavancas é o mesmo para
todos os tipos. A regra matemática é da forma:
𝐹𝑝 ∗ 𝐵𝑝 = 𝐹𝑅 *𝐵𝑅
Na equação, 𝐹𝑝 é a força potente, 𝐵𝑝 é o braço
potente, 𝐹𝑅 a força resistente e 𝐵𝑅 o braço
resistente. Os braços potente e resistente são, respectivamente, a
distância entre o ponto de apoio e a força potente e resistente.
Polias
As polias, também conhecidas como roldanas, são discos que
possuem um eixo em seu centro em torno do qual pode girar
livremente. Pelos discos podem ser passadas cordas ou correntes que
se prendem a outros objetos.
As polias podem ser fixas ou móveis, dependendo da situação em
que ela é necessária. Em certos casos um conjunto de fixas e móveis
pode ser utilizada para realizar certos trabalhos. Polias são bastante
usadas em aparelhos que envolvem levantamento de pesos como
elevadores e guindastes, sua função é mudar a direção da força,
mantendo sua intensidade.
Polias
As polias fixas servem apenas para mudar o sentido da força,
mantendo sua intensidade. Ela tem de estar presa a um suporte fixo e
sua estrutura permite apenas movimento de rotação, e não de
translação. A Vantagem Mecânica, definida como a razão entre a
força potente e resistente, é igual a 1.
Polias
As polias móveis, além de alterarem a direção da força, promovem a
diminuição da força a ser feita para realizar um certo trabalho. Cada
polia móvel diminui a força a ser realizada por dois, mas em
consequência diminui o deslocamento na mesma proporção. A
Vantagem Mecânica da polia móvel é igual a 2
Associação de Polias
As polias móveis, além de alterarem a direção da força, promovem a
diminuição da força a ser feita para realizar um certo trabalho. Cada
polia móvel diminui a força a ser realizada por dois, mas em
consequência diminui o deslocamento na mesma proporção. A
Vantagem Mecânica da polia móvel é igual a 2