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1% Curso de Ciências Exatas Prof. Ana Cristina Cardoso! 2017 ! Introdução aos Conceitos da Física! 2. Energia Cinética ! Universidade Nacional de Timor Lorosa’e ! Faculdade de Ciências Exatas! 2.1 Trabalho realizado por forças constantes que atuam num sistema! Introdução aos Conceitos da Física ! Curso de Ciências Exatas % 2% Trabalho e Energia! A ideia de energia está intimamente ligada à de trabalho. Intuitivamente, podemos pensar em energia como alguma coisa que se manifesta continuamente e que pode ser utilizada para realizar trabalho útil.! A energia não pode ser criada nem destruída. Ela apenas se manifesta sob outras formas de energia.! Energia Térmica ! Energia Química ! Energia Elétrica ! Energia Nuclear ! Energia Radiante ! Trabalho Realizado por uma Força ! Relembrando a definição de Força...! F! Força: resultado da interação entre dois corpos, por contacto ou à distância, capaz deformar e/ou acelerar/ desacelarar o corpo sobre o qual atua.! % 3% Trabalho Realizado por uma Força ! • Trabalho, para sistemas mecânicos, está associado à transferência de energia. ! • Quando uma força atua sobre um corpo e consegue alterar o estado de movimento esta pode realizar trabalho dependendo das direção da força em relação é direção do movimento. ! Por outro lado...! Trabalho Realizado por uma Força Constante que atua num sistema ! Então... Podemos definir trabalho como o produto entre intensidade da força aplicada sobre um corpo e o deslocamento que esse corpo sofre relativamente à direção da força. W - trabalho (J) F - força (N) θ - ângulo formado entre a força e a horizontal ∆x - distância (m) % 4% Trabalho Realizado por uma força constante atua num sistema ! Quando a força aplicada não é suficiente para mover o corpo, por mais esforço que se faça, do ponto de vista da física não se está a realizar trabalho.! Se a força aplicada a um corpo for perpendicular ao deslocamento, θ=90º, o trabalho realizado é nulo (cos90º=0).! Como a componente é perpendicular ao deslocamento, Fy=Fsenθ, então o trabalho realizado por ela é nulo, e portanto, apenas a componente paralela, (Fx=Fcosθ), contribui para a realização de trabalho. A esta componente, , damos o nome de força eficaz. ! Força Eficaz ! • Uma força pode ser representada num referencial cartesiano, nas suas componentes segundo o eixo do xx, e do yy, . ! % 5% Exemplo! Trabalho realizado por uma força constante ! Então... ! O trabalho de uma força constante pode ser dado por: ! Quando temos várias forças a aturar sobre um corpo, o trabalho total, Wtotal, é igual ao trabalho resultante das forças, WFR:! WFR=WF1+WF2+....+WFn! O Trabalho da força resultante FR é o resultado da soma de todas as forças aplicadas no corpo. ! % 6% Exemplo de trabalho realizado por várias forças ! Um fazendeiro engata o atrelado carregado de madeira ao seu trator e puxa-o até uma distância de 20m ao longo de um terreno horizontal. O peso total do atrelado carregado é igual a 14700 N. O trator exerce uma força constante de 5000N, formando um ângulo de 36,9°, com a horizontal. Existe uma força de atrito de 3500N que se opõe ao movimento. ! Calcule o trabalho que cada força realiza sobre o trenó e o trabalho total realizado por todas as forças. ! (b) Diagrama de forças aplicadas ao atrelado.! Resolução! Identificar os ângulos entre cada força e o deslocamento: ! N e P fazem ângulo de 90º com a horizontal.! Então o trabalho realizado por P e N é:! WP = 0 (direção perpendicular ao deslocamento)! pela mesma razão:! WN = 0, logo WN = WP = 0 ! Falta considerar a força exercida pelo trator Ft (Ф=36,9º) e a força de atrito Fa (Ф=180º). Pela equação, o trabalho realizado por Ft é:! WFt = Ft.d.cosФ => WFt = 5000N x 20m x 0,800 => WFt = 80000 N.m = 80 KJ! A força de atrito tem sentido contrário ao deslocamento de modo que Ф = 180°. ! WFa = Fa.d.cos180° = 3500N x 20m x (-1) => WFa= (-70KJ)! O trabalho total, ou seja, o trabalho da força resultante é:! Wtot = WFp + WN + WFt + WFa = 0 + 0 + 80 + (-70) => Wtot = 10KJ ! % 7% Tipos de trabalho! • Trabalho Potente (ou motor): a força eficaz e o deslocamento têm mesma direção e sentido. ! O trabalho realizado é positivo! F! d! O efeito da força vai aumentar a velocidade do corpo, isto é, aumentar a sua energia cinética. ! Transferimos Energia para o sistema. ! W>0 ! Tipos de trabalho! • Trabalho Resistente: a força eficaz e o deslocamento têm mesma direção mas sentidos opostos (contrários). ! O trabalho realizado é negativo! O efeito da força, vai diminuir a velocidade do corpo, isto é, diminuir a sua energia cinética.! Transferimos Energia para a vizinhança.! W<0 !F! d ! 6/15/16% 8% Tipos de trabalho! • Concluímos então que.... ! Exemplo de Trabalho Nulo! O Halterofilista não realiza trabalho desde que mantenha o altere estático.! % 9% Exemplo de Trabalho Potente e Trabalho Resistente ! As mãos do halterofilista realizam trabalho negativo sobre o haltere enquanto que o haltere realiza trabalho positivo sobre as mãos. ! Determinação Gráfica do Trabalho realizado por uma força! O trabalho realizado por uma força pode ser determinado a partir da representação gráfica da força (eficaz, Fef=Fcosθ) em função do deslocamento Fef(x) ?! (a) Trabalho realizado por uma força potente (w>0) ! (b) Trabalho realizado por uma força resistente (w<0) ! % 10% Determinação Gráfica do Trabalho realizado por uma força! Para cada situação pode definir-se um retângulo de largura Fef e comprimento d cuja área é A = Fef d. ! O valor numérico dessa dessa área é igual ao trabalho realizado pela força durante o deslocamento. ! (a) Trabalho realizado por uma força potente (w>0) ! (b) Trabalho realizado por uma força resistente (w<0) ! Determinação Gráfica do Trabalho realizado por uma força! Se o seu trabalho é potente então o seu valor é igual ao da área, contida entre o gráfico de Fef e o eixo dos xx, que está acima deste eixo e é positivo.! (a) Trabalho realizado por uma força potente (w>0) ! (b) Trabalho realizado por uma força resistente (w<0) ! Se o seu trabalho é resistente então o seu valor é simétrico do valor da área, contida entre o gráfico de Fef e o eixo dos xx, que está abaixo deste eixo e é negativo.! % 11% Exemplo! Na figura mostram-se as representações gráficas da componente eficaz, em função do deslocamento, de cada uma das forças, FA e FB, que atuam sobre um corpo que se desloca ao longo de uma superfície horizontal de atrito desprezável.! Determine o trabalho realizado por cada uma das forças FA e FB.! Resolução: ! O Trabalho realizado por cada uma das forças é determinado a partir da área sobre o gráfico Fef=f(x). ! Trabalho realizado pela força A:! WA= 10,0x (15,0-5,0) ! WA=100,0J! Trabalho realizado pela força B:! WB= -5,0x (25,0-15,0) ! WA=-50,0J ! FefA! FefB! 2.1 Teorema da Energia Cinética ! Introdução aos Conceitos da Física ! Curso de Ciências Exatas % 12% Teorema da Energia Cinética ! Como se pode alterar a energia cinética de um corpo? ! A energia cinética está sempre associada ao movimento aumentando sempre que há transferência de energia para o sistema. ! A energia cinética é dada pela expressão. ! Ec ! energia cinética ! m ! massa do corpo! v ! velocidade com que o corpo de desloca ! Teorema da Energia Cinética ! Se o corpo estiver inicialmente em repouso a energia cinética é nula e será necessário aplicar uma força para o corpo entrar em movimento.! Uma vez em movimento, a transferência de energia será tanto maior quanto maior for a distância percorrida. ! Por outro lado, a energia será tanto maior quanto maior for a força aplicada. ! % 13% Teorema da Energia Cinética ! Imagine um objeto de massa m que se move na horizontal da esquerda para direita. Imaginetambém que num determinado momento da sua trajetória uma força é aplicada na mesma direção do movimento, realizando um trabalho positivo sobre ele e assim aumentando a velocidade do objeto, que passa de vo para vf, indo do ponto xo ao ponto xf, realizando assim um deslocamento d = xf –xo. Podemos dizer então que: ! Pela segunda lei de Newton: ! Isolando a aceleração na primeira fórmula, temos: ! Substituindo na equação da segunda lei de Newton, temos: ! ! Teorema da Energia Cinética ! O produto F.d é o trabalho, W, realizado pela força resultante F e, portanto, é o trabalho total Wtot realizado por todas as forças que atuam sobre a partícula. ! A grandeza é denominada energia cinética Ec do corpo: ! ! A energia cinética é uma grandeza também escalar e só depende da massa e da velocidade do objeto, sendo indiferente o sentido e a direção do movimento.! % 14% Teorema da Energia Cinética ! Voltando à equação: ! podemos interpretá-la em termos do trabalho e da energia cinética.! Se o primeiro membro for e o segundo membro for a ! diferença entre os dois termos é a variação da energia cinética. Logo, dizemos:! O trabalho realizado pela força resultante sobre a partícula fornece a variação da energia cinética da partícula:! Wtot = Ecf – Eco = ΔEc ! Este resultado é conhecido como Lei do Trabalho-energia. ! Teorema da Energia Cinética ! A energia cinética que um corpo adquire resulta do trabalho realizado pela força. ! Então...! Regra geral, sempre que houver variação da energia cinética do corpo, ΔEc, a variação sofrida é igual ao trabalho realizado pela força, W. ! ΔEc=W ! % 15% Teorema da Energia Cinética ! ...a variação de energia cinética do corpo é igual à soma dos trabalhos realizados por todas as forças, isto é, igual ao trabalho da força resultante.! ΔEc = WFR ! Lei do Trabalho-Energia ou Teorema da Energia Cinética ! Se sobre o corpo atuarem várias forças então... ! Teorema da Energia Cinética ! ! Quando o Wtot é positivo, a energia cinética aumenta (a energia final Ecf é maior que a energia inicial Ec0) e a velocidade final da partícula é maior que a velocidade inicial. ! ! Quando Wtot é negativo, a energia cinética diminui (Ecf, é menor do que Ec0) e a velocidade final da partícula é menor do que a velocidade inicial. ! ! Quanto Wtot = 0, a energia cinética é constante (Ecf = Ec0) e a velocidade não se altera. ! A energia cinética e o trabalho possuem as mesmas unidades de medida, ou seja o Joule (J). ! % 16% 2.1 Potência ! Introdução aos Conceitos da Física ! Curso de Ciências Exatas Potência! A potência, P, é a a grandeza física que mede a rapidez com que se transfere energia entre sistemas. ! Como se mede a energia? ! Se uma força externa é aplicada num corpo, e realizar trabalho, W, sobre ele, num intervalo de tempo Δt, então a potência média durante esse intervalo de tempo é definida como: ! Unidade de P no SI:! J/s = Watt (W)! Outra unidade utilizada, no sistema inglês, é o cavalo-vapor, muito usado para indicar a potência de um motor: ! 1 cv = 760 W! A unidade de potência cv foi criada por Watt para fazer o ! marketing de sua máquina numa sociedade fortemente! dependente do (e acostumada ao) trabalho realizado por cavalos (para retirar água das minas de carvão). ! % 17% Potência! Uma nova unidade de energia pode agora ser definida em termos da unidade de potência.! Um quilowatt-hora é a energia transferida numa hora à taxa constante de 1 kW.! Bibliografia! • L.C. Costa e outros, 2012, Física 10.º ano, Ministério da Educação de Timor Leste! • https://hebertmonteiro.files.wordpress.com/2010/02/3b- trabalho-e-energia-cinetica.ppt! • http://w3.ualg.pt/~arodrig/Documentos/F %C3%ADsica1_10_11/F1_A5.ppt! • http://www.demgi.estgv.ipv.pt/dep/demgi/seccaodefisica/ Ficheiros/Mecânica%20I/Capitulo%205%20-%20Trabalho %20e%20Energia.ppt! % 18% Bibliografia! • https://www.google.tl/search?q=trabalho+realizado+por+forças +constantes&biw=1277&bih=648&source=lnms&sa=X&ei=- IPxVJb6L4uquQSBw4DYDg&ved=0CAYQ_AUoAA&dpr=1#q=tr abalho+realizado+por+forças+constantes+ppt! • https://naoinercial.files.wordpress.com/2014/01/mecc3a2nica_- trabalho-de-uma-forc3a7a.ppt! • https://www.google.tl/search?q=trabalho+realizado+por+forças +constantes&biw=1277&bih=648&source=lnms&sa=X&ei=- IPxVJb6L4uquQSBw4DYDg&ved=0CAYQ_AUoAA&dpr=1#q= %22Teoria+da+energia+cinética%22+.ppt! Universidade Nacional de Timor Lorosa’e Faculdade de Ciências Exatas INTRODUCÃO AOS CONCEITOS DE FÍSICA Curso de Ciências Exatas ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 2017 Ficha de Trabalho Nº 2 Energia Cinética 1. Considere as seguintes situações: A – Pessoa a segurar uma mala. B – Pessoa a caminhar e a segurar uma mala. C – Pessoa a subir num elevador e a segurar uma mala. D – Pessoa a arrastar uma mala sobre uma superfície horizontal. 1.1 Indique as forças que atuam sobre a mala e a sua origem. 1.2 Indique se há trabalho realizado por alguma força aplicada na mala. 2. O bloco representado na figura é puxado por uma força F . Que outras forças terão de atuar sabendo que o objeto se desloca com velocidade constante? Relacione entre si os trabalhos de todas as forças aplicadas. 3. O trabalho realizado por uma força de intensidade igual a 20 N com direção e sentido oposto do deslocamento de 20 cm é: (A) ‐20 J (B) 400 J (C) 2,0 J (D) ‐4,0 J Selecione a opção correta. 4. Um corpo move‐se com velocidade constante quando sobre ele, passa a atuar uma força de módulo 50N na direção da sua velocidade, mas em sentido contrário (todas as outras forças que atuam no corpo têm resultante nula). 4.1 Qual foi o trabalho dessa força enquanto o corpo percorreu 10 m? 4.2 Houve alguma transferência de energia entre o corpo e o exterior? 5. O Mário e a mãe foram as compras, conforme mostra a figura. A variação da energia cinética do carro é igual ao trabalho da... (A) ... força exercida pelo Mário, pois o ponto de aplicação deste é o que está mais próximo do chão. (B) ... força exercida pela mãe do Mário, porque a intensidade dessa força é muito superior à do Mário, podendo‐se, portanto, desprezar esta última. (C) ... resultante das forças exercidas pelo Eduardo e pela mãe. (D) ... resultante de todas as forças que atuam no carro. 6. O caixote, representado na figura, tem a massa de 5,0 Kg e desloca‐ se, horizontalmente 2,0m. Coloque na seta seguinte, por ordem crescente, os valores do trabalho realizado pelas forças constantes, representadas na figura, conforme o exemplo. (A) Força de atrito que atua no caixote, de intensidade 10N. (B) Força horizontal, F1, aplicada no caixote, de intensidade 20N. (C) Força F2, aplicada no caixote, de intensidade 20N, cuja direção faz um ângulo de 30º, com a direção do deslocamento. (D) Força exercida pelo peso do corpo (E) Força exercida pelo solo sobre o caixote. 7. A energia cinética de um corpo, de massa m, que se desloca à velocidade v, é E. 7.1 Complete a tabela seguinte, quando variam algumas grandezas. 7.2 Indique o trabalho realizado entre a linha 1 e a linha 2. 8. O que diz o Teorema da Energia Cinética? 9. Das afirmações seguintes, indique as verdadeiras (V) e as falsas (F) e corrija as falsas. (A) A soma dos trabalhos realizados por forças aplicadas a um corpo é igual ao trabalho da força resultante. (B) Sempre que a energia cinética final de um corpo for superior à sua energia cinética inicial, a resultante das forças nele aplicadas realizará um trabalho potente. (C) Sempre que a energia cinética final de um corpo for inferior à sua energia cinética inicial, a soma dos trabalhos de todas as forças nele aplicados será positivo.(D) Sempre que a soma dos trabalhos das forças aplicadas a um corpo for nula, o corpo permanecerá necessariamente com a sua energia mecânica constante. (E) O teorema da Energia Cinética poder aplicar‐se sempre que um corpo se possa reduzir a uma partícula. 10. O velocímetro de um carro, cuja massa é uma tonelada, passa do valor de 36 kmh‐1 para 72 kmh‐1. Considere que o carro se pode reduzir ao seu centro de massa. 10.1 Qual a variação de energia cinética do carro? 10.2 Qual o valor do trabalho de todas as forças aplicadas ao carro? 10.3 São as forças de atrito nas rodas com tração do carro que o fazem avançar. Se o módulo da força resultante aplicada ao carro for 2000N, que velocidade atingirá o carro, após se deslocar 100m, partindo da velocidade de 72 kmh‐1. 11. Para parar uma microlete de 1700kg, o módulo da força máxima que é possível imprimir às rodas, quando são acionadas pelos travões é de 70000 N. Qual será a distância mínima razoável a que tem que estar o obstáculo imóvel, quando ele é visto pelo condutor, se o centro de massa do automóvel tiver uma velocidade de módulo 60 km.h‐1. 12. Os três gráficos da figura descrevem movimentos unidimensionais de um corpo com massa de 5,0 kg. Determine o trabalho realizado em cada caso. 13. Considere um automóvel cuja massa é de 1500 kg. Calcule: 13.1 A intensidade da força constante que deve ser exercida pelo motor para que a velocidade aumente de 4,0 km/h para 40,0 km/h, ao fim de 8 s. 13.2 A variação de energia cinética sofrida pelo automóvel. 13.3 O trabalho da força exercida pelo motor do automóvel para que ocorra a variação de velocidade referida. 14. Um corpo esférico, com uma massa de 80,0kg desce uma rampa com 215 m de comprimento. Suponha que a rampa tem uma inclinação de 60% e que a força média do atrito é de 40,0N. Observe a figura e responda às questões: 14.1 Calcule a velocidade com que o corpo chega ao fim da rampa. 14.2 Calcule a energia cinética adquirida pelo corpo no final da rampa 14.3 Mostre que, com a duplicação da distância percorrida pelo corpo, a energia cinética por ele adquirida será igualmente duplicada. 15. Na tabela seguinte estão registados alguns dados sobre os gastos de energia de uma habitação. Determine em kilowatts–hora o consumo energético durante um mês. 16. Das seguintes afirmações indique as verdadeiras (V) e as falsas (F) (A) A potência é a energia transferida ou transformada por unidade de tempo. (B) O trabalho mede a energia transferida entre corpos a temperaturas diferentes. (C) O quilowatt‐hora é a unidade prática da potência. (D) A unidade SI da energia é o Joule. (E) A unidade do SI da potência é o Watt. 17. Determine em kilowatts‐horas e em joules, a energia consumida durante um ano pelos seguintes aparelhos: (A) Um televisor de 400W, ligado 6h por dia. (B) Um fogão elétrico, com duas placas de aquecimento, de 1,5kW, ligado 4h por dia. (C) Um frigorífico de 250W ligado 24h. (D) Um termóstato, para aquecimento da água do banho, de 3000W, ligado 1h por dia. 18. Faça a correspondência correta entre as colunas I e II. 19. Determine a potência de um eletrodoméstico que, durante 15 minutos, gasta 0,15 kWh de energia. 20. Considerando que há regiões de Timor‐Leste onde o vento poderia ser uma fonte de produção de energia elétrica, uma empresa decidiu fazer um estudo para verificar se seria rentável a sua implementação. Sabendo que cada moinho de vento de uma central eólica produz, em média, cerca de 106 kWh de energia por ano e que o consumo doméstico de energia apresenta, em Timor, uma média diária de 50GWh, determine quantos moinhos deveriam ser instalados para se assegurar todo o consumo doméstico do país. Ficha de Trabalho da Autoria da Professora Ana Cristina Cardoso Unidade_2_Energia_Cinetica Ficha_Trabalho2_Energia_Cinetica_ICF_FCE-UNTL2017
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