Reaproveitamento da agua da chuva

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Reaproveitamento da agua da chuva
Agua da chuva
Toda a água é contida atrás de uma barragem para aumentar a energia potencial desta massa de água. Então, a água é encaminhada a través de tubulações para aproveitar a energia cinética da queda. O jato de água (com elevada energia cinética) é dirigido até as pás de uma turbina hidráulica, fazendo girar a mesma. Finalmente, a turbina é acoplada a um gerador elétrico, onde se transforma a energia mecânica da turbina em energia elétrica. 
Portanto, uma usina hidrelétrica funciona a partir do aproveitamento da energia potencial da queda daquela massa de água que atravessa a turbina, transformando-a em energia elétrica no gerador.
Se a usina aproveita o 100% da energia potencial gravitacional da queda da água (não existindo perda na transformação da energia potencial em energia elétrica), então a potência produzida pela é dada por:
     
onde Epg é a energia potencial gravitacional e t o período de tempo. Conhecendo que a energia potencial gravitacional é:
     
onde m é a massa, g a aceleração do campo gravitacional e h a altura da queda da água. Obtém-se 
     
O quociente m/t é a relação entre a massa de água m que atravessa a turbina da usina no intervalo de tempo t e conhecido como vazão mássica, sendo análoga ao conceito de vazão volumétrica.
 energia hidráulica ou energia hídrica
 é a energia obtida a partir da energia potencial de uma massa de água. A forma na qual ela se manifesta na natureza é nos fluxos de água, como rios e lagos e pode ser aproveitada por meio de um desnível ou queda d'água. Pode ser convertida na forma de energia mecânica (rotação de um eixo) através deturbinas hidráulicas ou moinhos de água. As turbinas por sua vez podem ser usadas como acionamento de um equipamento industrial, como um compressor, ou de um gerador elétrico, com a finalidade de prover energia elétrica para uma rede de energia.
A potência hidráulica máxima que pode ser obtida através de um desnível pode ser calculada pelo produto:
Em unidades do sistema internacional de unidades (SI)
Potência(P): Watt(W)
Queda(H): m
Densidade(ρ): 
Vazão volumétrica(Q): 
Aceleração da gravidade(g):
É necessário que haja um fluxo de água para que a energia seja gerada de forma contínua no tempo, por isto embora se possa usar qualquer reservatório de água, como um lago, deve haver um suprimento de água ao lago, caso contrário haverá redução do nível e com o tempo a diminuição da potência gerada (ver equação acima). As represas(barragens) são nada mais que lagos artificiais, construídos num rio, permitindo a geração contínua.
As represas podem ser importantes pois caso a água fosse coletada diretamente de um rio, na medida em que houvesse uma redução da vazão do rio, como em uma época de estiagem, haveria redução da potência gerada. Assim com a formação de um lago (reservatório da barragem), nas épocas de estiagem pode-se usar a água armazenada, e se este for suficientemente grande poderá atender a um período de estiagem de vários meses ou mesmo plurianual.
No Brasil, devido a sua enorme quantidade de rios, a maior parte da energia elétrica disponível é proveniente de grandes usinas hidrelétricas. A energia primária de uma hidrelétrica é a energia potencial gravitacional da água contida numa represa elevada. Antes de se tornar energia elétrica, a energia primária deve ser convertida em energia cinética de rotação. O dispositivo que realiza essa transformação é a turbina. Ela consiste basicamente em uma roda dotada de pás, que é posta em rápida rotação ao receber a massa de água. O último elemento dessa cadeia de transformações é o gerador, que converte o movimento rotatório da turbina em energia .
Um rio não é percorrido pela mesma quantidade de água durante o ano inteiro. Em uma estação chuvosa, é claro, a quantidade de água aumenta. Para aproveitar ao máximo as possibilidades de fornecimento de energia de um rio, deve-se regularizar-se a sua vazão, a fim de que a usina possa funcionar continuamente com toda a potência instalada.
A vazão de água é regularizada pela construção de lagos artificiais. Uma represa, construída de material muito resistente - pedra, terra, freqüentemente cimento armado - , fecha o vale pelo qual corre o rio. As águas param e formam o lago artificial. Dele pode-se tirar água quando o rio está baixo ou mesmo seco, obtendo-se assim uma vazão constante.
A construção de represas quase sempre constitui uma grande empreitada da engenharia civil. Os paredões, de tamanho gigante, devem resistir às extraordinárias forças exercidas pelas águas que ela deve conter. Às vezes, têm que suportar ainda a pressão das paredes rochosas da montanha em que se apóiam.
Para diminuir o efeito das dilatações e contrações devidas às mudanças de temperatura, a construção é feita em diversos blocos, separados por juntas de dilatação. Quando a represa está concluída, em sua massa são colocados termômetros capazes de transmitir a medida da temperatura a distância; eles registram as diferenças de temperatura que se possam verificar entre um ponto e outro do paredão e indicam se há perigo de ocorrerem tensões que provoquem fendas.
A potência
 Potência elétrica
A energia que pode ser fornecida por unidade de tempo chama-se potência, e é medida em watt (W). Como as potências fornecidas pelas usinas hidrelétricas são muito grandes, sempre expressas em milhares de watts, utiliza-se para sua medida um múltiplo dessa unidade, o quilowatt (kW), que equivale a 1.000 W.
A potência de uma fonte de energia elétrica pode ser calculada multiplicando-se a tensão em volts que ela é capaz de fornecer pela corrente em ampères que distribui. Dessa maneira, uma fonte capaz de distribuir 1.000 A com uma tensão de 10.000 V possui uma potência de 10 milhões de watts, ou 10.000 kW.
Uma linha de transmissão, portanto, é capaz de transportar a mesma potência de duas maneiras: com voltagem elevada e corrente de baixa intensidade, ou com voltagem baixa e alta corrente.
Quando a energia elétrica atravessa um condutor, transforma-se parcialmente em calor. Essa perda é tanto maior quanto mais elevada for a intensidade da corrente transportada e maior for a resistência do fio condutor. Assim, seria conveniente efetuar a transmissão da energia elétrica por meio de fios muito grossos, que apresentam menos resistência. Porém, não se pode aumentar excessivamente o diâmetro do condutor, pois isso traria graves problemas de construção e transporte, além de encarecer muito a instalação. Assim, prefere-se usar altos valores de tensão, que vão de 150.000 até 400.000 V.
A energia elétrica produzida nas centrais não é dotada de tensão tão alta. Nos geradores, originalmente, essa energia tem uma tensão de cerca de 10.000 V. Valores mais altos são inadequadas, porque os geradores deveriam ser construídos com dimensões enormes. Além disso, os geradores possuem partes em movimento e não é possível aumentar arbitrariamente suas dimensões.
A energia elétrica é, pois, produzida a uma tensão relativamente baixa, que em seguida é elevada, para fins de transporte. Ao chegar às vizinhanças dos locais de utilização, a tensão é rebaixada. Essas elevações e abaixamentos são feitos por meio de transformadores.
O gerador
Gerador elétrico
O gerador é um dispositivo que funciona com base nas leis da indução eletromagnética. Em sua forma mais simples, consiste numa espira em forma de um círculo. Ela fica imersa num campo magnético e roda em torno de um eixo perpendicular às linhas dessa área.
Quando fazemos a espira girar com movimento regular, o fluxo magnético que atravessa sua superfície varia continuamente. Surge assim, na espira, uma corrente induzida periódica. A cada meia volta da espira o sentido da corrente se inverte, por isso ela recebe o nome de corrente alternada.
Hidroeletricidade é a energia elétrica obtida através do aproveitamento da energia potencial gravitacional de água, contida em uma represa elevada. A potência gerada é proporcional à altura da queda de águae à vazão do líquido.
Obtenção: Durante o processo de obtenção, antes de se tornar energia elétrica, esta energia deve ser convertida em energia cinética. O momento desta transformação acontece na passagem da água numa máquina hidráulica, denominada turbina hidráulica.
A energia liberada pela passagem de certa quantidade de água move a turbina, que aciona um gerador elétrico. A queda d' água pode ser natural, como na Usina de Paulo Afonso, ou artificial, criada por uma barragem como na Usina Hidrelétrica de Tucuruí e na Usina Hidrelétrica de Itaipu. A queda também pode ser pequena, como no caso de umausina maremotriz, que utiliza apenas o desnível das marés.
Não requer o uso de combustíveis para a produção de energia, pois converte a energia potencial gravitacional da água represada nas barragens através de turbinas diretamente para energia elétrica.
O preço não varia. Por não depender de combustíveis, o preço é constante. Para produzir energia hidrelétrica, um país não precisa importar combustível. É uma energia não poluente e renovável, pois não queima nenhum tipo de combustível. A energia elétrica gerada não depende da queima de quaisquer tipos de gases e matérias de partículas, sem criar poluição do ar.
A água das barragens pode ser utilizada para a irrigação de lavouras, melhorando a produtividade agrícola no decorrer do ano, além de prevenir inundações. Nas imediações da barragens a água do reservatório pode ainda ser utilizada para a criação de espaços públicos de lazer e de prática de esportes.
Desvantagens
Em alguns casos ocorre a inundação de grandes áreas, contribuindo para o aumento do efeito estufa, já que árvores submersas podem produzir gases tóxicos, e o deslocamento de populações. A construção das grandes usinas pode ainda tornar-se cara e demorada. Para evitar o problema do impacto ambiental, o Conselho Nacional do Meio Ambiente (Conama) criou a resolução nº 347, de 10 de setembro de 2004, que obriga as construções de usinas hidrelétricas a terem uma compensação ecológica.
A energia potencial gravitacional é a energia potencial mais familiar, porque é muito vista no dia a dia, aparecendo em muitos tipos de movimentos em que é convertida emenergia cinética, como por exemplo: na queda de objetos, no sistema solar, no balançar do pêndulo, no arremesso de dardos, ao pular, e muitos outros exemplos que envolvam a gravidade.
O seu potencial tem como causa, como o nome sugere, a força da gravidade, que por definição, está relacionada com a massa dos corpos e as separações entre essas.
Expressão genérica
corpos pontuais
Sabe-se que o campo das forças gravitacionais entre dois corpos pontuais 1 e 2, cuja posição relativa é o vetor  é:
onde G representa a constante de gravitação universal, m1 e m2 representam as massas em interação,  representa o vetor que localiza uma das massas em relação à outra e  representa o módulo (tamanho) do vetor , ou seja, a distância entre as massas.
Sendo o campo gravitacional um campo conservativo, é possível definir o seu potencial como uma função  tal que:
Partindo da definição e operando em coordenadas cartesianas tem-se que:
Logo, a função potencial é: ))))->
Da expressão acima, é possível perceber que a energia potencial depende da distância entre os dois corpos sem contudo levar em consideração o vetor-posição de um em relação ao outro. Então pode ser escrita como:
Considerando que se saiba que o campo gravitacional é conservativo, também é possível determinar o potencial através da expressão:
cujo resultado é igual ao determinado anteriormente.
corpos extensos
Para determinar-se a interação gravitacional entre corpos extensos é necessário proceder-se com o cálculo de uma integral de volume sobre os dois corpos a fim de determinar-se a soma das interações gravitacionais entre os infinitos diferenciais de massa nos quais dividem-se os corpos. Tal cálculo mostra-se geralmente dependente da geometria dos corpos, podendo mostrar-se bem complicado em certos casos. Contudo Newton mostrou, com o uso do cálculo diferencial e integral, que pontos externos à uma esfera com distribuição simétrica de massa encontram-se sujeitos a potenciais gravitacionais por ela determinados que são para todos os efeitos completamente análogos àqueles que seriam determinados por uma partícula puntual localizada no centro da esfera uma vez provido que essa encerre em si massa equivalente à massa de toda a esfera. Nesses termos, Newton demonstrou que a expressão geral acima vale também para corpos esféricos que apresentem distribuições de massa (densidades) com simetria esférica (formado por cascas homogêneas), e a citada expressão pode, a exemplo, ser utilizada para calcular-se a energia potencial armazenada em um sistema formado pelo planeta Terra e pela Lua com excelente aproximação, a exemplo. A distância a considerar-se é, no caso, a distância entre os centros dos astros em questão.
Aproximação para campo gravitacional uniforme
Considerando o campo gravitacional próximo à superfície da Terra como sendo uniforme (assumindo as linhas de campo paralelas e a gravidade sendo constante em todos os pontos), define-se o campo das forças gravitacionais como sendo:
Partindo da definição de potencial, calcula-se o potencial, nesse caso, como sendo:
Ou seja, o potencial gravitacional pode ser calculado, nessa aproximação, pelo produto do peso (massa vezes gravidade) pela altura em que o corpo se encontra.
Nessa aproximação, válida para pequenas variações de altura em torno de um nível de referência, geralmente a superfície da Terra, usa-se necessariamente um determinado nível como referência, sendo comum adotar-se o nível mais baixo no problema como o ponto de energia potencial zero, o nível do solo, a exemplo. Sendo a energia potencial gravitacional uma grandeza escalar cujo valor depende do nível de referência escolhido, é possível que a energia potencial gravitacional seja negativa, marca atingida se o objeto encontrar-se abaixo do nível adotado como referência, a exemplo.
A expressão para campos uniformes anterior pode também ser deduzida da expressão geral fazendo-se uma expansão em série da mesma e retendo-se apenas o termo em primeira ordem na altura.
Em física, potência é a grandeza que determina a quantidade de energia concedida por uma fonte a cada unidade de tempo. Em outros termos, potência é a rapidez com a qual uma certa quantidade de energia é transformada ou é a rapidez com que o trabalho é realizado.
A energia cinética é a energia que está relacionada com o estado de movimento de um corpo. Este tipo de energia é uma grandeza escalar que depende da massa e do módulo da velocidade do corpo em questão. Quanto maior o módulo da velocidade do corpo, maior é a energia cinética. Quando o corpo está em repouso, ou seja, o módulo da velocidade é nulo, a energia cinética é nula. 1 2
O carrinho da montanha russa possui sua energia cinética máxima no ponto mais baixo de sua trajetória. Isso ocorre pois a velocidade é máxima neste ponto da trajetória. Quando o carrinho começa a subir para pontos mais altos, sua velocidade diminui e sua energia cinética vai diminuindo, pois parte da energia mecânica começa a ser convertida em energia potencial gravitacional, e outras partes convertidas em energia térmica, outras em energia sonora, sem contar a perda de velocidade pelo atrito entre o carrinho com o trilho e com aresistência do ar.1 2
Expressão geral para o cálculo da energia cinética
Um objeto de massa m que se move a uma velocidade de módulo v, possui uma energia cinética K que é expressa na mecânica clássica como:
Dedução da energia cinética
Para se apresentar a dedução, antes é preciso uma observação quantitativa. Seja um corpo de massa m movendo-se sob a ação de uma força resultante constante de móduloF. Suponha que este corpo teve uma variação de velocidade de  para  em um deslocamento .
Na equação de Torricelli:
Agora, multiplicando a equação pela massa m, tem-se:
Já que a resultante da força é F=ma, então:Como Fd é igual ao trabalho W realizado pela força resultante F para deslocar o corpo, então:
Pela expressão geral da energia cinética2 :
Ou seja, a variação da energia cinética do corpo é o trabalho realizado pela força resultante F.
Então:
Da definição da variação da energia cinética sendo o trabalho para colocar um corpo em movimento, podemos obter a expressão geral para o cálculo da energia cinética:
Como o deslocamento em instante infinitesimal de tempo é , e supondo que o corpo em questão partiu do repouso, ou seja, velocidade inicial nula, obtemos então :
Quando dizemos que a velocidade inicial é nula, dizemos então que : 
Cancelando o dt na expressão acima, podemos escrever (para uma massa constante):
Logo:
Unidades de energia
A unidade que expressa a grandeza escalar energia cinética (e qualquer outro tipo de energia) no Sistema Internacional de Unidades é o Joule. Esta unidade é representada por J em homenagem ao cientista inglês do século XIX, James Prescott Joule. 1
1 J = 1 N.m = 1 (kg.m/s²).m = 1 kg.m²/s².2
Já no Sistema Inglês, a unidade de energia cinética (e qualquer outro tipo de energia) é:
1 foot.lb = 1 foot.slug.foot/s² = 1 slug.foot²/s² 2
Exemplo
A energia cinética de uma pessoa de massa 50 kg movendo-se com a velocidade de 5 m/s é
Logo, sua energia cinética é de 625 Joule.