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Princípio da Conservação da Energia Apresentação 1. OBJETIVO Este experimento trata do princípio da conservação da energia. Iremos comprovar a transformação da Energia Potencial Gravitacional em Energia Cinética, esclarecendo o princípio da Conservação da Energia Mecânica. O experimento evidenciará que, por causa da conservação da energia mecânica, quanto maior a energia potencial gravitacional do corpo (móvel) no início do movimento de queda ao longo do plano inclinado, maior será sua energia cinética na parte mais baixa de sua trajetória. Como parte das atividades você terá que fazer a montagem e ajustes dos equipamentos e instrumentos necessários para a realização do experimento. Ao final deste experimento, você deverá ser capaz de: descrever o movimento de corpos cilíndricos em um plano inclinado;• relacionar as transformações energéticas sofridas pela energia potencial inicial dos corpos cilíndricos ao rolarem pelo plano inclinado; • distinguir energia cinética de translação da energia cinética de rotação;• determinar experimentalmente a energia cinética de translação e energia cinética de rotação de corpos rígidos cilíndricos rolantes; • constatar o significado físico do momento de inércia;• verificar quantitativamente a transformação da energia mecânica gravitacional em energia cinética; • observar o princípio da conservação da energia mecânica.• 2. ONDE UTILIZAR ESSES CONCEITOS? 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 conservação de energia. Por seu turno, o conceito de energia está correlacionado às situações 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, 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 definido em poucas palavras. A experiência cotidiana sugere que energia é algo capaz de produzir certas mudanças no mundo a nossa volta. A correnteza de um rio. O voo de um pássaro. Uma pick-up subindo uma ladeira íngreme. Em todos esses casos sabemos apontar a presença da energia. Iremos restringir aqui à definição de energia, em mecânica (EM), como a capacidade de realizar trabalho. Um conceito completo inclui outras áreas como calor, luz, eletricidade, etc. Por enquanto, basta pensar na energia, como algo que pode ser transferido por meio de forças. A energia mecânica total de um sistema é a soma da energia potencial (EP) com a energia cinética (EC), isto é, EM = EP + EC. E no caso de um sistema conservativo, a energia mecânica obedece ao princípio de conservação, EMinicial= EMfinal. 3. O EXPERIMENTO Nesse experimento você irá utilizar a base de ensaio, onde fará uso dois corpos cilíndricos sendo um oco e outro maciço. Fará uso, também, de um nível bolha para nivelar a base de ensaio, um sensor fotoelétrico. Você irá medir também os intervalos do trajeto com cronômetro e posicionar a base na angulação necessária para a realização do experimento. 4. SEGURANÇA O experimento foi concebido para não trazer riscos físicos. Ainda assim, o experimento necessita de EPIs adequados para a realização da atividade no laboratório. 5. CENÁRIO Você irá encontrar sobre a bancada a base de ensaio, os dois corpos de prova cilíndricos, o sensor fotoelétrico, um cronômetro e o nível bolha. Nível bolha: É utilizado para alinhar o plano inclinado. Fuso elevador: Usado para regular a angulação do plano inclinado no qual o corpo de prova irá percorrer. Sensor de passagem: É utilizado para verificar o tempo que o corpo de prova leva para percorrer o trajeto determinado. Cronômetro: É utilizado para medir o tempo que o corpo de prova leva para percorrer do topo da haste até passar pelo sensor de passagem. Corpos de prova: Corpos de prova cilíndricos, sendo um oco e outro maciço e os dois com diâmetro externo igual a 50 mm. Bons estudos. Sumário teórico CONSERVAÇÃO DE ENERGIA 1. UM POUCO DE HISTÓRIA A história da energia está profundamente relacionada com a história da própria humanidade. A 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. O surgimento da extração de ferro, cerca de 5.000 anos atrás, foi um marco importante do ponto de vista do uso de energia, pois possibilitou a invenção de diversos equipamentos que 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 trabalho da moagem de grãos. No século XVIII, a primeira Revolução Industrial só foi possível graças a abundante oferta (na época) da energia proveniente do carvão na Europa. Nela, ocorreu a invenção da máquina à vapor e o desenvolvimento da indústria têxtil e metalúrgica. O conceito de energia e, por conseguinte o seu princípio de conservação, constitui-se num dos conceitos centrais da Física. Ele possibilita o entendimento de uma vasta diversidade de fenômenos físicos, bem como a resolução de vários problemas de interesse teórico e prático. Em um breve resumo do desenrolar histórico dos principais autores de estudos que contribuíram 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 estacas”; • 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 vez, 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;• Joseph Black (1728-1799), Rumford (1753-1814) e Carnot (1796-1832) desenvolveram uma ideia de conservação dentro da chamada “teoria do calórico”. • No período entre 1842 e 1847, 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 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”. • A partir de agora, ao falarmos em energia, estaremos nos referindo à energia total de um sistema. 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. 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 energiacinética 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 conservação, ou seja, EMinicial = EMfinal. 2. CARACTERÍSTICAS BÁSICAS 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 ocos e maciços, com massas diferentes;• A trajetória do movimento retilínea;• O movimento é de rolamento, sem deslizamento. • 3. EQUAÇÕES DA CONSERVAÇÃO DE ENERGIA Analisaremos o problema de corpos rígidos (cilindros) rolando sem deslizar em um plano inclinado com pequeno ângulo de inclinação. Utilizaremos cilindros oco e maciço. As forças que atuam sobre o corpo rígido quando este se desloca sem escorregamento sobre um plano inclinado de altura h são: o peso p para baixo, a força normal N, que equilibra a componente normal do peso, e a força de atrito f que é exercida pelo plano, conforme mostrado na figura 1, abaixo. Figura 1 - Forças atuantes em um cilindro maciço em um plano inclinado. 3.1. VELOCIDADE ANGULAR (ω) A velocidade angular ω de um corpo rígido girando em torno de um eixo fixo representa a taxa de variação do ângulo, e é a mesma para todas as posições no corpo. Cada ponto deste corpo rígido descreve um círculo, cujo raio r é a distância entre o ponto e o eixo de rotação. A velocidade angular ω e a velocidade média (linear) v estão relacionadas pela expressão: Onde: ω = Velocidade angular v = Velocidade média linear re = Raio externo do corpo de prova 3.2. MOMENTO DE INÉRCIA (I) O momento de inércia I, expressa o grau de dificuldade em se alterar o estado de movimento 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 (kg.m²). O momento de inércia IO do corpo de prova cilíndrico oco pode ser calculado pela seguinte expressão: Onde: IO = Momento de inércia do corpo de prova oco m = Massa do corpo de prova oco ri = Raio interno do corpo de prova oco 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: IM = Momento de inércia do corpo de prova maciço m = Massa do corpo de prova maciço rM = Raio externo do corpo de prova maciço. 3.3. ENERGIA CINÉTICA DE ROTAÇÃO (Kr) 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: Onde: Kr = Energia cinética de rotação ω = Velocidade angular I = Momento de inércia Importante: Para essa variável, os cálculos são feitos da mesma forma, tanto para o corpo cilíndrico maciço quanto para o corpo cilíndrico oco. 3.4. ENERGIA CINÉTICA DE TRANSLAÇÃO (Kt) A energia de cinética de translação Kt pode ser obtida pela seguinte expressão: Onde: Kt = Energia cinética de translação v = Velocidade média linear m = massa do corpo de prova Importante: Para essa variável, os cálculos são feitos da mesma forma, tanto para o corpo cilíndrico maciço quanto para o corpo cilíndrico oco. 3.5 PENERGIA CINÉTICA TOTAL (K) A energia cinética total é a soma da energia de rotação e da energia de translação. 3.6. ENERGIA POTENCIAL GRAVITACIONAL (∆U) Sabendo que a energia potencial gravitacional inicial U0 é dada por: Então, a variação da energia potencial ∆U é dada por: Onde: m = Massa do corpo de prova g = Aceleração da gravidade (9,81 m/s2) h0 = Altura inicial hF = Altura final No experimento com plano inclinado, deve-se aplicar uma relação trigonométrica para o cálculo de ∆h. 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. Figura 2 – Representação do plano inclinado. Desta forma, ∆h pode ser calculado pela seguinte expressão: Onde: ∆h = Variação de altura do ponto inicial de onde o corpo de prova foi solto até o ponto de medição do sensor ∆S = 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 α = Ângulo de inclinação do plano Roteiro INSTRUÇÕES GERAIS 1. Neste experimento, você irá aprender como ocorre o processo de conservação de energia. 2. Utilize a seção “Recomendações de Acesso” para melhor aproveitamento da experiência virtual e para respostas às perguntas frequentes a respeito do Laboratório Virtual. 3. Caso não saiba como manipular o Laboratório Virtual, utilize o “Tutorial” presente neste Roteiro. 4. Caso já possua familiaridade com o Laboratório Virtual, você encontrará as instruções para realização desta prática na subseção “Procedimentos”. 5. Ao finalizar o experimento, responda aos questionamentos da seção “Avaliação dos Resultados”. RECOMENDAÇÕES DE ACESSO 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. • Navegador Mozilla Firefox: Recomendamos o uso do navegador Mozilla Firefox, 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 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 Suporte. • Monitoramento do sistema: Utilize o Gerenciador de Tarefas (Ctrl + Shift + Esc) para verificar o uso do disco, memória e CPU. Se estiverem em 100%, considere fechar outros aplicativos ou reiniciar a máquina para otimizar o desempenho. • Teste de velocidade de internet: Antes de acessar, realize um teste de velocidade de internet para garantir uma conexão estável e rápida durante o uso dos laboratórios virtuais. • Atualizações do navegador e sistema operacional: Mantenha seu navegador e sistema operacional atualizados para garantir compatibilidade e segurança durante o acesso aos laboratórios. • 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: 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! https://www.mozilla.org/pt-BR/firefox/new/ https://suporte-virtual.algetec.com.br/ https://suporte-virtual.algetec.com.br/ https://suporte-virtual.algetec.com.br/ https://suporte-contato.algetec.com.br/ https://suporte-virtual.algetec.com.br/ DESCRIÇÃO DO LABORATÓRIO MATERIAIS NECESSÁRIOS Corpo de prova cilíndrico maciço;• Corpo de prova cilíndrico oco;• Fuso elevador;• Multicronômetro;• Nível bolha;• Plano inclinado;• Sensor fotoelétrico.• PROCEDIMENTOS1. AJUSTANDO O EXPERIMENTO Com o auxílio do nível bolha, nivele a base. Ajuste o sensor na posição desejada e regule a inclinação da rampa. 2. LIGANDO O MULTICRONÔMETRO https://suporte-contato.algetec.com.br/ https://suporte-virtual.algetec.com.br/ Ligue o multicronômetro e selecione a função “F2 VM 1 SENSOR”, inserindo o diâmetro do corpo 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 multicronômetro. Repita o procedimento mais 2 vezes. 4. REPETINDO COM O CORPO DE PROVA MACIÇO Refaça o passo 3 para realizar o experimento 3 vezes com o corpo de prova maciço. 5. AVALIANDO OS RESULTADOS 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. AVALIAÇÃO DOS RESULTADOS 1. Anote na Tabela 1 os valores obtidos no experimento. Houve diferença entre as velocidades dos corpos de prova ensaiados? Se sim, intuitivamente, qual seria o motivo? Velocidade linear (m/s) Cilindro oco Cilindro maciço Descida 1 Descida 2 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 o corpo de prova foi solto na posição 60 mm da régua, calcule e preencha a Tabela 3 com os valores obtidos para as grandezas. Especificações Cilindro oco Cilindro maciço Massa – m (g) 110 300 Diâmetro interno – di (mm) 40 - Diâmetro externo – de (mm) 50 50 Densidade do aço 7,86 7,86 Tabela 2 – Especificações dos corpos de prova Grandezas Cilindro oco Cilindro maciço Momento de inércia – I (kg.m2) Velocidade linear média – V (m/s) Velocidade angular – ω (rad/s) Energia cinética de translação - Kt (J = kg m2/s2) Energia cinética de rotação – Kr (J = kg m2/s2) Energia cinética total – K (J = kg m2/s2) Energia potencial gravitacional – U (J = kg m2/s2) 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? 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 seria o motivo para isto? 5. Como você definiria a conservação da energia em termos das energias envolvidas neste experimento? TUTORIAL 1. AJUSTANDO O EXPERIMENTO Nivele a base, com o auxílio do nível bolha. Para isso, clique com o botão esquerdo do mouse sobre o nível que está sobre a bancada e arraste até a posição destacada em vermelho no plano inclinado. Nivele o plano clicando com o botão direito do mouse sobre o nível bolha e selecione a opção “Nivelar base”. 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. Coloque-o na posição 300 mm da régua. Regule a inclinação da rampa, clicando com o botão esquerdo do mouse sobre o fuso elevador 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. Gire o fuso elevador, clicando com o botão direito do mouse sobre fuso e selecione a opção “Girar fuso”. Altere o ângulo de inclinação do plano para 20°, clicando com o botão esquerdo do mouse sobre as setas “Subir” e “Descer” para aumentar e diminuir o ângulo. 2. LIGANDO O MULTICRONÔMETRO Visualize o cronômetro clicando com o botão esquerdo do mouse na câmera com o nome “Cronômetro” ou através do atalho do teclado "Alt+4". Coloque a fonte de alimentação na tomada, clicando com o botão esquerdo do mouse sobre ela e arrastando até a posição desejada. Conecte o cabo do sensor na porta S0 do cronômetro, clicando com o botão esquerdo do mouse sobre ele e arrastando até a posição desejada. Ligue o cronômetro clicando com o botão esquerdo do mouse no botão “Power”. Selecione o idioma, clicando com o botão esquerdo do mouse no botão azul da esquerda. Selecione a função “F2 VM 1 SENSOR”, clicando com o botão esquerdo do mouse sobre o botão azul da direita para procurar a função. Selecione a função clicando com o botão esquerdo do mouse sobre o botão central. Insira a largura do corpo de prova clicando com o botão esquerdo do mouse sobre o botão azul da direita. Ajuste o valor para 50 mm. Para isso, clique com o botão esquerdo do mouse sobre as setas esquerda/direita para alterar a casa decimal e as setas cima/baixo para alterar o valor. Em seguida, confirme o valor, clicando com o botão esquerdo do mouse sobre o botão azul da direita. 3. ENSAIANDO O CORPO DE PROVA OCO Posicione o corpo de prova oco no plano inclinado clicando com o botão esquerdo do mouse sobre ele e arraste até a posição desejada. Verifique os resultados no display do multicronômetro, clicando com o botão esquerdo do mouse sobre o botão azul da esquerda. Observe o resultado exibido no display do multicronômetro. Verifique também o resultado da velocidade linear no intervalo, clicando com o botão esquerdo do mouse sobre a seta direita. Para repetir o experimento, clique com o botão esquerdo do mouse no botão azul central. Repita o procedimento mais 2 vezes com o corpo de prova oco. 4. REPETINDO COM O CORPO DE PROVA MACIÇO Repita o procedimento do passo 3 para realizar o ensaio com o corpo de prova maciço, também repetindo 3 vezes. 5. AVALIANDO OS RESULTADOS 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. Pré Teste 1) Qual das alternativas abaixo representa a fórmula da Energia Potencial Gravitacional? A) (kx^2)/2; B) 1/2 I ω^2; C) M.g.h. 2) Subentende-se por energia mecânica total de um movimento: 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; C) a energia que é gerada resultante de uma transferência de forças que coloca o corpo em movimento. 3) Sobre a propriedade momento de inércia, podemos afirmar que: 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; C) não possui relação com a massa do corpo. 4) Sobre a diferença de Energia Potencial Gravitacional de um corpo entre dois pontos distintos, é correto afirmar que: A) independe da posição do corpo; B) depende da trajetória executada; C) depende da diferença de altura entre os dois pontos. 5) Analisando a conservação de energia, a energia cinética total é a soma das: A) energias cinéticas de translação e rotação; B) energias cinéticas de translação e energia elétrica; C) energia dinâmica e energia elástica. AntunesB Highlight AntunesB Highlight AntunesB Highlight AntunesB Highlight AntunesB Highlight Experimento * Este laboratório também está disponível para dispositivos Android. Conteúdo interativo disponível na plataforma de ensino! Pós Teste 1) Qual a principal razão para a existência do Erro relativo percentual em relação à energia inicial do cilindro? A) Perdas por atrito no plano inclinadoe resistência do ar; B) Erros associados às medições; 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 cilíndrico; 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 m/s2). A) 20 m/s; B) 10 m/s; C) 200 m/s. AntunesB Highlight AntunesB Highlight AntunesB Highlight AntunesB Highlight 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. AntunesB Highlight Atividade Responda as questões da seção “Avaliação dos Resultados” do “Roteiro” e anexe aqui o seu relatório.