Princípio da Conservação da Energia (4 folhas em 1)

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<p>conservação de energia. Por seu turno, o conceito de energia está correlacionado às situações cogna Princípio da Conservação da Energia em que se encontram os corpos; estas podem ser de movimento (energia cinética), de separação entre os corpos (energia potencial gravitacional), de deformações sofridas por um corpo (energia elástica), dentre outras possibilidades. Um sistema tem propensão de conservar a energia, Apresentação sempre que realiza determinado trabalho num sentido e inverte o sinal num trabalho realizado em sentido oposto. Este cenário não ocorre quando estão presentes as chamadas forças resistentes, entre as quais se encontram a força de atrito e a resistência do ar. Para as pessoas de um modo geral, a energia é um conceito um tanto obscuro e difícil de ser 1. OBJETIVO definido em poucas palavras. A experiência cotidiana sugere que energia é algo capaz de Este experimento trata do princípio da conservação da energia. Iremos comprovar a produzir certas mudanças no mundo a nossa volta. A correnteza de um rio. o voo de um pássaro. transformação da Energia Potencial Gravitacional em Energia Cinética, esclarecendo o princípio Uma pick-up subindo uma ladeira Em todos esses casos sabemos apontar a presença da Conservação da Energia Mecânica. experimento evidenciará que, por causa da da energia. conservação da energia mecânica, quanto maior a energia potencial gravitacional do corpo Iremos restringir aqui à de energia, em mecânica (EM), como a capacidade de realizar (móvel) no início do movimento de queda ao longo do plano maior será sua energia trabalho. Um conceito completo inclui outras áreas como calor, etc. Por cinética na parte mais baixa de sua trajetória. Como parte das atividades você terá que fazer a enquanto, basta pensar na energia, como algo que pode ser transferido por meio de forças. A montagem e ajustes dos equipamentos e instrumentos necessários para a realização do energia mecânica total de um sistema é a soma da energia potencial (EP) com a energia cinética isto é, EM = EP + EC. E no caso de um sistema conservativo. a energia mecânica obedece ao princípio de conservação, EMinicial= Ao final deste experimento, você deverá ser capaz de: 3. o EXPERIMENTO descrever o movimento de corpos cilíndricos em um plano inclinado; relacionar as energéticas sofridas pela energia potencial inicial dos corpos Nesse experimento você irá utilizar a base de onde fará uso dois corpos cilíndricos sendo cilíndricos ao rolarem pelo plano um e outro Fará uso, também, de um nível bolha para nivelar a base de ensaio, um sensor Você irá medir também os intervalos do trajeto com cronômetro e posicionar a distinguir energia cinética de translação da energia cinética de rotação; base na angulação necessária para a realização do experimento. determinar experimentalmente a energia cinética de translação e energia cinética de rotação de corpos rígidos cilíndricos rolantes: 4. SEGURANÇA constatar o significado físico do momento de inércia; o experimento foi concebido para não trazer riscos físicos. Ainda assim, o experimento necessita de EPIs adequados para a realização da atividade no laboratório. verificar quantitativamente a transformação da energia mecânica gravitacional em energia cinética; 5. CENÁRIO observar o princípio da conservação da energia mecânica. Você irá encontrar sobre a bancada a base de ensaio, os dois corpos de prova cilíndricos, o 2. ONDE UTILIZAR ESSES CONCEITOS? sensor um cronômetro e o nível bolha. Quem nunca ouviu a famosa frase de Antoine Lavoisier: "Na natureza, nada se perde, nada se cria, tudo se transforma"? Na física, esta constatação remete diretamente ao princípio da Sumário teórico CONSERVAÇÃO DE ENERGIA Sensor de passagem Nível bolha 1. UM POUCO DE HISTÓRIA Corpos de prova A história da energia está profundamente relacionada com a história da própria humanidade. A Fuso elevador descoberta do fogo pelo homem pré-histórico, por meio do atrito entre pedras e madeiras, inicia o controle do ser humano sobre a produção de energia. Nível bolha: É utilizado para alinhar o plano inclinado. surgimento da extração de ferro, cerca de anos foi um marco importante do Fuso elevador: Usado para regular a angulação do plano inclinado no qual o corpo de prova irá ponto de vista do uso de energia, pois possibilitou a invenção de diversos equipamentos que percorrer. possibilitaram um aumento na produção de bens. o arado de ferro puxado por animais, a roda d'água e o moinho de vento, por exemplo, que proporcionaram uma considerável ampliação do Sensor de passagem: É utilizado para verificar o tempo que o corpo de prova leva para trabalho da moagem de percorrer o trajeto determinado. No século XVIII, a primeira Revolução Industrial só foi possível graças a abundante oferta (na Cronômetro: É utilizado para medir o tempo que o corpo de prova leva para percorrer do topo da da energia proveniente do carvão na Europa. Nela, ocorreu a invenção da máquina à haste até passar pelo sensor de passagem. vapor e o desenvolvimento da indústria têxtil e metalúrgica. Corpos de prova: Corpos de prova cilíndricos, sendo um OCO e outro e os dois com conceito de energia e, por conseguinte o seu princípio de constitui-se num dos diâmetro externo igual a 50 mm. conceitos centrais da Física. Ele possibilita o entendimento de uma vasta diversidade de fenômenos bem como a resolução de vários problemas de interesse teórico e prático. Bons estudos. Em um breve resumo do desenrolar histórico dos principais autores de estudos que para a formulação do conceito de energia podemos destacar: Galileu Galilei (1564-1642) em seu tratado "Diálogos sobre Duas Novas Ciências" chegou a fazer considerações a respeito de regularidades observadas em alguns processos de transformação envolvendo a força gravitacional, quando analisava o funcionamento do "bate Leibniz (1646-1716) e Huygens (1629-1695) contribuíram para o desenvolvimento da ideia de conservação em situações onde ocorrem colisões entre objetos. Thomas Young (1773-1829) em 1807 introduziu formalmente. pela primeira o termo energia. A opção pelo termo energia estava diretamente relacionada com a concepção que ele tinha de que a energia expressa a capacidade de um corpo realizar algum tipo de trabalho mecânico; Lagrange (1736-1813) estabeleceu o princípio da conservação da energia mecânica;</p><p>componente normal do peso, e a força de atrito f que é exercida pelo plano, conforme mostrado Joseph Black (1728-1799), Rumford (1753-1814) e Carnot (1796-1832) desenvolveram uma na figura 1, abaixo. ideia de conservação dentro da chamada "teoria do calórico". No período entre 1842 e Julius Robert von Mayer (1814-1878, Alemanha), L. A. Colding (1815-1888, Dinamarca), James Prescott Joule (1818-1889, Inglaterra), e Hermann von Helmholtz (1821-1894, Alemanha), anunciaram publicamente a hipótese de N conservação da energia. Estes anúncios tinham uma interessante singularidade: exceto por von Helmholtz, todos realizaram seus trabalhos em total desconhecimento do trabalho dos outros. Apesar disso, havia entre eles algo em comum: todos combinavam a "generalidade da formulação com as aplicações quantitativas concretas". mgsina A partir de agora, ao falarmos em energia, estaremos nos referindo à energia total de um Conforme os objetos se movem ao longo do tempo, a energia associada a eles (cinética, potencial gravitacional, calor, etc.) pode até mudar de forma, mas se o sistema é isolado, então a energia total se conserva, permanecendo com o mesmo valor. Figura 1 Forças atuantes em um cilindro em um plano inclinado. Por enquanto, iremos nos limitar, mais especificamente, ao estudo da energia mecânica; aquela que tem capacidade de realizar trabalho. A energia mecânica (EM) total de um sistema é a soma da energia potencial gravitacional e/ou elástica (U) com a energia cinética (K), que pode ser 3.1. VELOCIDADE ANGULAR (w) energia cinética de translação (Kt) e/ou cinética de rotação (Kr), dependendo da situação em estudo. No caso de um sistema conservativo, a energia mecânica obedece ao princípio de A velocidade angular de um corpo rígido girando em torno de um eixo fixo representa a taxa de conservação, ou seja, EMinicial = variação do ângulo, e é a mesma para todas as posições no corpo. Cada ponto deste corpo rígido descreve um círculo, cujo r é a distância entre o ponto e o eixo de rotação. 2. CARACTERÍSTICAS BÁSICAS A velocidade angular e a velocidade média (linear) V estão relacionadas pela expressão: Os objetos (corpos de prova) partem do repouso (vo=0), do topo do plano inclinado; o plano é posicionado em vários ângulos de inclinação, propiciando a análise de vários conjuntos de pares (posição, tempo); Os corpos de provas são cilindros e com massas diferentes; Onde: A trajetória do movimento retilínea; o movimento é de rolamento, sem deslizamento. = Velocidade angular V = Velocidade média linear 3. EQUAÇÕES DA CONSERVAÇÃO DE ENERGIA re = Raio externo do corpo de prova Analisaremos o problema de corpos rígidos (cilindros) rolando sem deslizar em um plano 3.2. MOMENTO DE INÉRCIA (I) inclinado com pequeno ângulo de inclinação. Utilizaremos cilindros OCO e As forças que atuam sobre o corpo rígido quando este se desloca sem escorregamento sobre o momento de inércia I, expressa o grau de dificuldade em se alterar o estado de movimento um plano inclinado de altura h são: o peso p para baixo, a força normal N, que equilibra a de um corpo em rotação (ou em se iniciar este movimento). Quanto maior for o momento de inércia de um corpo, mais difícil será fazê-lo rodar ou alterar sua rotação. Assim, podemos dizer que o momento de inércia desempenha na rotação um papel equivalente ao da massa no movimento linear. A unidade do momento de inércia no SI é quilograma vezes metro ao quadrado momento de inércia IO do corpo de prova cilíndrico OCO pode ser calculado pela seguinte Onde: expressão: K1 = Energia cinética de rotação Velocidade angular Momento de inércia Importante: Para essa variável, os cálculos são feitos da mesma forma, tanto para o corpo cilíndrico quanto para o corpo cilíndrico Onde: lo = Momento de inércia do corpo de prova 3.4. ENERGIA CINÉTICA DE TRANSLAÇÃO (Kt) m = Massa do corpo de prova OCO = Raio interno do corpo de prova OCO A energia de cinética de translação Kt pode ser obtida pela seguinte expressão: re = Raio externo do corpo de prova OCO o momento de inércia IM do corpo de prova cilíndrico maciço pode ser calculado pela seguinte expressão: Onde: = Energia cinética de translação = Velocidade média linear Onde: m = massa do corpo de prova = Momento de inércia do corpo de prova Importante: Para essa variável, os cálculos são feitos da mesma forma, tanto para o corpo m = Massa do corpo de prova cilíndrico maciço quanto para o corpo cilíndrico = Raio externo do corpo de prova 3.5 PENERGIA CINÉTICA TOTAL (K) 3.3. ENERGIA CINÉTICA DE ROTAÇÃO (Kr) A energia cinética total é a soma da energia de rotação e da energia de translação. A energia cinética de rotação Kr de um corpo rígido que gira em torno de um eixo fixo é a soma das energias cinéticas das partículas individuais que constituem o corpo. A energia cinética de rotação Kr pode ser calculada por meio da expressão: 3.6. ENERGIA POTENCIAL GRAVITACIONAL (AU)</p><p>Sabendo que a energia potencial gravitacional inicial é dada por: Onde: Ah Variação de altura do ponto inicial de onde o corpo de prova foi solto até o ponto de medição do sensor Então. a variação da energia potencial AU é dada por: AS = Distância percorrida pelo corpo de prova no plano inclinado. ou seja, a distância entre o ponto onde o corpo de prova é solto até o posicionamento do sensor a Ângulo de inclinação do plano Onde: m Massa do corpo de prova g = Aceleração da gravidade (9,81 m/s2) Altura inicial Altura final No experimento com plano deve-se aplicar uma relação trigonométrica para o cálculo de Ah. Suponha que o corpo de prova foi solto no ponto A da figura 2 abaixo e que o ponto B representa o ponto de medição do sensor. A B Ah Figura 2 Representação do plano inclinado. Desta forma, Ah pode ser calculado pela seguinte expressão: Ah AS sena Roteiro Navegador Mozilla Firefox: Recomendamos o uso do navegador Mozilla conhecido por seu baixo consumo de recursos em comparação a outros navegadores, proporcionando uma navegação mais fluida. Aceleração de hardware: Experimente habilitar ou desabilitar a aceleração de hardware no algetec seu navegador para otimizar o desempenho durante o acesso aos laboratórios virtuais. Requisitos mínimos do sistema: Certifique-se de que seu computador atenda aos requisitos mínimos para acessar os laboratórios virtuais. Essa informação está disponível em nossa Central de INSTRUÇÕES GERAIS Monitoramento do sistema: Utilize o Gerenciador de Tarefas (Ctrl + Shift + Esc) para verificar o uso do disco, memória e CPU. Se estiverem em considere fechar outros aplicativos ou reiniciar a máquina para otimizar o desempenho. 1. Neste experimento. você irá aprender como ocorre o processo de conservação de energia. Teste de velocidade de internet: Antes de realize um teste de velocidade de 2. Utilize a seção "Recomendações de Acesso" para melhor aproveitamento da experiência internet para garantir uma conexão estável e rápida durante o uso dos laboratórios virtuais. virtual e para respostas às perguntas frequentes a respeito do Laboratório Atualizações do navegador e sistema operacional: Mantenha seu navegador e sistema 3. Caso não saiba como manipular o Laboratório utilize o "Tutorial" presente neste operacional atualizados para garantir compatibilidade e segurança durante o acesso aos Roteiro. laboratórios. 4. Caso já possua familiaridade com o Laboratório Virtual, você encontrará as instruções para realização desta prática na subseção "Procedimentos". 5. Ao finalizar o responda aos questionamentos da seção "Avaliação dos Resultados". PRECISA DE AJUDA? Em caso de dúvidas ou dificuldades técnicas, visite nossa Central de Suporte para encontrar artigos de ajuda e informações para usuários. Acesse a Central de Suporte através do link: RECOMENDAÇÕES DE ACESSO https://suporte-virtual.algetec.com.br Se preferir, utilize os QR Codes abaixo para entrar em contato via WhatsApp ou ser direcionado para a Central de Suporte. Estamos aqui para ajudar! Conte conosco! DICAS DE DESEMPENHO Para otimizar a sua experiência no acesso aos laboratórios virtuais, siga as seguintes dicas de desempenho: Feche outros aplicativos e abas: Certifique-se de fechar quaisquer outros aplicativos ou abas que possam estar consumindo recursos do seu computador, garantindo um desempenho mais eficiente.</p><p>Ligue o multicronômetro e selecione a função "F2 VM 1 inserindo o diâmetro do corpo algetec de prova cilíndrico. 3. ENSAIANDO o CORPO DE PROVA OCO Posicione o corpo de prova OCO na rampa e solte-o. Verifique os resultados de tempo e velocidade no display do Repita o procedimento mais 2 vezes. 4. REPETINDO COM o CORPO DE PROVA DESCRIÇÃO DO LABORATÓRIO Refaça o passo 3 para realizar o experimento 3 vezes com o corpo de prova 5. AVALIANDO os RESULTADOS MATERIAIS NECESSÁRIOS Siga para a seção "Avaliação dos Resultados" e responda de acordo com o que foi observado nos experimentos, associando também com os conhecimentos aprendidos sobre o tema. Corpo de prova cilíndrico macico: Corpo de prova cilíndrico Fuso Multicronômetro: Nível bolha: Plano inclinado: AVALIAÇÃO DOS RESULTADOS Sensor PROCEDIMENTOS 1. Anote na Tabela 1 os valores obtidos no experimento. Houve diferença entre as velocidades dos corpos de prova ensajados? Se sim, intuitivamente. qual seria o motivo? 1. AJUSTANDO o EXPERIMENTO Com o auxílio do nível bolha, nivele a base. Ajuste o sensor na posição desejada e regule a Velocidade linear (m/s) Cilindro Cilindro inclinação da rampa. Descida 1 Descida 2 2. LIGANDO o Descida 3 Média Tabela 1 Valores de velocidade linear obtidos no experimento 2. Utilizando as informações da Tabela 2 e as equações apresentadas no sumário teórico. e sabendo que corpo de prova foi solto na posição 60 mm da régua, calcule e preencha a Tabela 3 com os valores obtidos para as grandezas. 4. Calcule o erro relativo entre a energia envolvida quando o corpo de prova está no topo do plano e a energia quando ele passa pelo sensor. Caso o erro seja maior que zero, qual Especificações Cilindro oco Cilindro seria o motivo para isto? Massa (g) 110 300 Diâmetro interno (mm) 40 Diâmetro externo (mm) 50 50 Densidade do aço 7,86 Tabela 2 Especificações dos corpos de prova 5. Como você definiria a conservação da energia em termos das energias envolvidas neste experimento? Grandezas Cilindro oco Cilindro macico Momento de inércia Velocidade linear média (m/s) Velocidade angular (rad/s) TUTORIAL Energia cinética de translação kg 1. AJUSTANDO o EXPERIMENTO Energia cinética de Energia cinética total kg Nivele a base. com o auxílio do nível bolha. Para clique com o botão esquerdo do mouse Energia potencial gravitacional kg sobre o nível que está sobre a bancada e arraste até a posição destacada em vermelho no plano inclinado. Erro relativo percentual em relação à energia inicial do cilindro ER% (%) Tabela 3 Grandezas relacionadas à conservação da energia 3. É certo afirmar que a energia potencial gravitacional é igual a soma das energias cinéticas de translação e rotação? Por quê?</p><p>300 Nivele o plano clicando com o botão direito do mouse sobre o nível bolha e selecione a opção Regule a inclinação da rampa, clicando com o botão esquerdo do mouse sobre o fuso elevador "Nivelar base". arrastando para uma das posições destacadas em vermelho. É possível posicionar o fuso elevador para grandes inclinações (esquerda) ou pequenas (direita). Nesse experimento, deve-se posicionar o fuso para grandes inclinações. Ajuste a posição do sensor para a distância desejada. Para isso, clique com o botão esquerdo do mouse sobre o sensor e arraste o mouse. Perceba que, no canto inferior esquerdo da tela, surgirá uma janela com a escala graduada do plano inclinado e a indicação da posição do sensor. Gire o fuso elevador. clicando com o botão direito do mouse sobre fuso e selecione a opção Coloque-o na posição 300 mm da régua. "Girar fuso" o Girar Fuso Coloque a fonte de alimentação na tomada, clicando com o botão esquerdo do mouse sobre ela e Altere o ângulo de inclinação do plano para 20°, clicando com o botão esquerdo do mouse sobre arrastando até a posição desejada. as setas "Subir" e "Descer" para aumentar e diminuir o ângulo. RETORNAR SUBIR DESCER Conecte o cabo do sensor na porta do cronômetro, clicando com o botão esquerdo do mouse sobre ele e arrastando até a posição desejada. 2. LIGANDO o Visualize o cronômetro clicando com o botão esquerdo do mouse na câmera com o nome "Cronômetro" ou através do atalho do teclado "Alt+4".</p><p>⑉ Ligue o cronômetro clicando com o botão esquerdo do mouse no botão Selecione a função "F2 VM 1 clicando com o botão esquerdo do mouse sobre o botão azul da direita para procurar a função. of Selecione o idioma, clicando com o botão esquerdo do mouse no botão azul da esquerda. Selecione a função clicando com o botão esquerdo do mouse sobre o botão central. o - Insira a largura do corpo de prova clicando com o botão esquerdo do mouse sobre o botão azul Em seguida, confirme o valor, clicando com o botão esquerdo do mouse sobre o botão azul da da direita direita. Ajuste o valor para 50 mm. Para isso, clique com o botão esquerdo do mouse sobre as setas 3. ENSAIANDO o CORPO DE PROVA OCO esquerda/direita para alterar a casa decimal e as setas cima/baixo para alterar o valor. Posicione o corpo de prova OCO no plano inclinado clicando com o botão esquerdo do mouse sobre ele e arraste até a posição desejada.</p><p>Verifique os resultados no display do multicronômetro, clicando com o botão esquerdo do mouse Verifique também o resultado da velocidade linear no intervalo, clicando com o botão esquerdo do sobre o botão azul da esquerda. mouse sobre a seta direita. 83 Observe o resultado exibido no display do Para repetir o clique com o botão esquerdo do mouse no botão azul central. Pré Teste Qual das alternativas abaixo representa a fórmula da Energia Potencial Gravitacional? 1) A) B) 1/2 C) M.g.h. Subentende-se por energia mecânica total de um movimento: 2) A) a energia química proveniente de um combustível para colocar um corpo em movimento: B) a soma de todas as energias de movimento de um corpo; Repita o procedimento mais 2 vezes com o corpo de prova C) a energia que é gerada resultante de uma transferência de forças que coloca o corpo em movimento. Sobre a propriedade momento de inércia, podemos afirmar que: 4. REPETINDO COM o CORPO DE PROVA MACIÇO 3) A) está relacionado ao movimento de translação de corpos; B) expressa o grau de dificuldade em se alterar o estado de movimento de um corpo em rotação; Repita o procedimento do passo 3 para realizar o com o corpo de prova também C) não possui relação com a massa do corpo. repetindo 3 vezes. Sobre a diferença de Energia Potencial Gravitacional de um corpo entre dois pontos 4) distintos, é correto afirmar que: 5. AVALIANDO os RESULTADOS A) independe da posição do corpo; B) depende da trajetória executada: C) depende da diferença de altura entre os dois pontos. Siga para a seção "Avaliação dos Resultados" e responda de acordo com o que foi observado Analisando a conservação de energia, a energia cinética total é a soma das: nos experimentos, associando também com os conhecimentos aprendidos sobre o tema. 5) A) energias cinéticas de translação e rotação; B) energias cinéticas de translação e energia elétrica; C) energia dinâmica e energia elástica.</p><p>Experimento Pós Teste * Este laboratório também está disponível para dispositivos Android. 1) Qual a principal razão para a existência do Erro relativo percentual em relação à energia Conteúdo interativo disponível na plataforma de ensino! inicial do cilindro? A) Perdas por atrito no plano inclinado e resistência do ar: B) Erros associados às C) Erros nas aproximações dos cálculos. 2) Qual a consequência do aumento do ângulo da rampa de ensaio? A) Aumento da velocidade do corpo de prova B) Diminui a velocidade do corpo de prova cilíndrico; C) Diminuição da velocidade do corpo de prova cilíndrico. 3) A energia cinética de translação de um corpo cilíndrico, sabendo que sua massa é igual a 500g e sua velocidade é 1,6 m/s, é igual a: A) 6.4 J: B) 0.64 J: C) 1.28 J. 4) Utilizando o que você aprendeu sobre o Princípio da Conservação da Energia, determine a velocidade de um carrinho de montanha russa ao alcançar seu ponto mais baixo, sabendo que ele partiu do repouso do ponto mais alto a 20 m de altura. (Considere a aceleração da gravidade como 10 A) 20 m/s; B) 10 m/s; C) 200 m/s. 5) Para movimentos rotacionais em planos inclinados a diferença da energia cinética entre dois pontos do plano é igual: A) à variação da energia potencial gravitacional; B) à aceleração do corpo de prova cilíndrico; C) ao tempo de trajeto do corpo de prova cilíndrico.</p>