Física 1 - Experimento 4 - Conservação da Energia

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Universidade Federal Rural de Pernambuco
Disciplina: Física Experimental I
Experimento 4 – Conservação da Energia
Colaboradores: Sthefany Oliveira, Túlio Humberto e Yuri Falcão
Fevereiro - 2017
Recife – PE
1. OBJETIVOS DO EXPERIMENTO
Determinar que a energia mecânica equivale à variação da energia cinética somada a energia potencial
Utilizar um simulador em que pode se obter todos os cenários possíveis para o valor da energia mecânica e seu comportamento
Comprovar que a energia pode ser transformada ou transferida, mas nunca criada ou destruída.
Estudar o movimento do objeto em questão e comparar com o gráfico que o programa utilizado fornece de “energia VS posição”
Para esse experimento iremos desconsiderar as forças dissipativas, pois nosso objetivo é a conservação da energia durante todo o trajeto.
2. ROTEIRO DOS PROCEDIMENTOS
Utilizar a plataforma de simulação PhET colorado para realização do experimento;
Escolher o trajeto do objeto a ser avaliado, ou seja, coloque o skatista em algum ponto da pista (de preferência um ponto alto);
Observe o padrão do movimento; 
Note a transformação da energia potencial em energia cinética em diferentes percursos e ambientes diferentes;
Agora permaneça trocando os valores do experimento (como a massa e a altura); 
Estude o comportamento do gráfico da energia em função da posição;
Então, conclua o que foi pedido em relação às energias potencial, cinética e mecânica.
.
3. ESQUEMA DO APARATO UTILIZADO
4. DISCRIÇÃO DO INSTRUMENTO UTILIZADO
Utilizamos o aplicativo em Java do PhET Colorado. Este "aparato" oferece diversas simulações, alterações de valores, gráficos e modificações no esquema de suas simulações. Isso permite um amplo estudo do movimento em questão, pois possui uma gama de ferramentas para ajudar nos resultados e conclusões do experimento.
5. DADOS MEDIDOS, TABELAS E GRAFICOS
5.1 Energia Mecânica Permanece a Mesma
PhET Skate – Energia Potencial Máximo: 9100 Energia Potencial Mínimo: 2250 Energia cinética máxima: 7000
Skatista Estelar - Energia potencial Máxima: 7500 Energia Potencial Mínima: 1800. Energia cinética máxima: 5600
Cachorro - Energia potencial Máxima: 2500 Energia Potencial Mínima: 600. Energia cinética máxima: 1850
Bola - Energia potencial Máxima: 650 Energia Potencial Mínima: 150. Energia cinética máxima: 450
Tabela - 1
	
	PhET Skate
	Skatista Estelar
	Cachorro
	Bola
	Energia Potencial Máxima
	9100J
	7500J
	2500J
	650
	Energia Potencial
Mínima
	2250J
	1800J
	600J
	150
	Energia Cinética 
Máxima
	7000J
	5600J
	1850J
	450
O uso da rampa foi feito com quatro "skates" distintos, variando apenas em sua massa. O PhET Skate com 75kg, a Skatista Estelar com 60kg, o Cachorro com 20Kg e a Bola com 5kg. Concluímos, pelo estudo dos gráficos, que quem tem mais energia é o PhET Skate. Isso ocorre, pois ele possui a maior massa, logo, acumulará mais energia potencial. Percebe-se que a energia mecânica (ou total) permanece igual, porque os skatistas descem a rampa e fazem seu percurso, para depois retornar ao ponto inicial. A força que realiza esse trabalho é chamada de força conservativa.
5.2 Transferência de energia potencial para cinética
Seguindo adiante, modificaremos a rampa, para ficarmos aparentemente reta na diagonal, constando 7 pontos divididos exatamente iguais.
Colocamos o skatista novamente no topo da rampa, para que ele deslize auxiliando no preenchimento da tabela a seguir, lembrando que em cada ponto deve ser separado para a coleta dos dados.
Tabela - 2
	Pontos
	1
	2
	3
	4
	5
	6
	7
	Energia Potencial Máxima
	6000J
	4900J
	3750J
	2600J
	1600J
	1000J
	0J
	Energia Cinética Máxima
	0J
	1100J
	2250J
	3400J
	4400J
	5000J
	6000J
Em cada ponto marcado na foto, paramos o movimento do "PhET Skate" para checar a variação dos valores no gráfico e anotá-los para a tabela. Após a coleta de dados, observamos que no topo da rampa que construímos a energia potencial gravitacional é maior que a cinética, pois o skatista parte do repouso e isso implica que sua velocidade é nula. Ao longo da trajetória os valores vão variando até que, na base da rampa, os valores se invertem completamente, já que a altura é nula.
Vale ressaltar que a energia cinética chegou ao seu máximo na base da rampa, pois não havia forças dissipativas, como força de atrito, para impedir que isso ocorresse.
6. CALCULOS
Primeiramente, modificaremos a rampa novamente. Dessa vez colocaremos em looping para mantermos distintos o tipo de movimento, para então provar efetivamente que a Energia mecânica é uma energia conservativa, independente do ambiente. Utilizaremos três "skaters" diferentes, no ambiente da Terra, depois na Lua e Júpiter. Coletaremos dados de energia potencial máxima na parte superior do loop, para assim realizarmos os cálculos da gravidade em cada ambiente distinto.
Tabela - 3 Energia no top do looping
	
	PhET Skate
	Skatista Estalar
	Cachorro
	Terra
	4500J
	3500J
	1200J
	Lua
	750J
	600J
	200J
	Jupter
	12000J
	9000J
	3100J
A variação da energia potencial está diretamente ligada a gravidade. A partir do momento que acontece variação no valor da gravidade, a energia também é afetada.
Seguindo a fórmula da energia potencial, podemos calcular a gravidade para cada lugar. Tendo a informação de que o loop se encontra numa altura de 6,2 metros, podemos resolver o problema, tendo uma média de gravidade, variando em: 
Na Terra, com o skatista: 
EPgrav = mgh 
4500 = 75 * g* 6,2 = 9,68 N/kg 
Na Lua, com o skatista: 
EPgrav = mgh 
750 = 75 * g * 6,2 = 1,61 N/kg 
Em Júpiter, com o skatista: 
EPgrav = mgh 
12000 = 75 * g * 6,2 = 25,81 N/kg 
Caso haja um aumento de atrito à rampa, a energia total não será alterada, apenas haverá oscilação na energia potencial e cinética (mais energia potencial, menos energia cinética e vice versa). O atrito é uma energia de resistência existente através do contato de dois corpos (no caso, o sistema Pista-Skate). Essa energia se dissipa em forma de calor, tendo a transferência de energia, transformando em energia térmica.
7. CONCLUSÃO
Iniciando o movimento do skatista, percebemos um padrão em seu movimento. Além disso, percebemos que a energia mecânica de fato permanece conservada, os valores que variam são os da energia potencial gravitacional e de energia cinética, de acordo com a posição do skatista na pista. Agora se alteramos o skatista, por exemplo, para a garota de 60kg, percebemos que o gráfico da "energia vs. posição" diminui sua energia potencial, juntamente com a energia mecânica, mas mantém sua velocidade e o sistema continua conservativo. Em valores de Joule, podemos ver pelo gráfico que a Energia mecânica (energia total) do gráfico vai de 9100J pra 7500J.
Isso mostra que independente da massa do objeto e da gravidade do ambiente (a não ser que seja nula) o movimento se repetirá, ou seja: Emec = ∆K + ∆U
Fizemos apenas o cálculo pela massa do primeiro skatista, mas caso seja realizado a conta com os demais skatistas, o valor da gravidade sempre será o mesmo ou aproximado do teórico.
Através das diferentes situações e alterações distintas na massa, na gravidade, na altura e na velocidade de deslocamento, podemos constatar que a conservação de energia tende a apresentar o mesmo aspecto. Onde a energia potencial gravitacional sempre irá aparecer nos pontos mais altos do sistema (exceto para gravidade nula) e a partir do momento que há o deslocamento do vetor velocidade, essa energia potencial se transforma em energia cinética, ate a mesma se igualar a energia mecânica. Se o sistema for conservativo, o movimento mudará de sentido a partir do ponto de retorno, caso não haja forças dissipativas.
Apenas um problema encontrado, que seria sobre a precisão certa para soltar skatistas diferentes da mesma posição, podendo alterar um pouco os valores presentes no gráfico em algumas das repetições. Uma otimização na escala dentrodo programa resolveria esse problema.