Há variação da energia interna

Transcrição

1 1.1.3 Transferência de energia por ação de forças. Sistema Num sistema ocorrem, geralmente, transformações e transferências de energia que levam a variações da sua energia interna. NUM CARRO Aquecimento das peças do motor e suas vizinhanças Combustão no motor Aquecimento nos travões e rodas Há variação da energia interna

2 1.1.3 Transferência de energia por ação de forças. Sistema mecânico Caso se pretenda analisar apenas o movimento do carro, pode considerar-se que este é um sistema mais simples. Aquecimento das peças do motor e suas vizinhanças Aquecimento nos travões e rodas Combustão no motor Não são consideradas as variações de energia interna

3 1.1.3 Transferência de energia por ação de forças. Sistema mecânico Durante o seu movimento, o carro é considerado um sistema mecânico. SISTEMA MECÂNICO Sistema em que não importa considerar as variações da sua energia interna.

4 1.1.3 Transferência de energia por ação de forças. Centro de massa (CM) O carro pode ser substituído por um único ponto, que possui esse movimento de translação.

5 1.1.3 Transferência de energia por ação de forças. Centro de massa (CM) O sistema passa a ser reduzido a uma partícula. CM CENTRO DE MASSA Ponto que representa um sistema e a que se associa a massa do sistema. Consideram-se aplicadas neste ponto todas as forças que atuam sobre o sistema.

6 1.1.3 Transferência de energia por ação de forças. Centro de massa (CM) Este modelo aplica-se: quando não se têm em conta variações de energia interna (sistema mecânico). quando o sistema, indeformável, apenas tem movimento de translação.

7 1.1.3 Transferência de energia por ação de forças. Centro de massa (CM) Limitações : ignora variações de energia interna. não permite o estudo de movimentos de rotação.

8 Atividade Transferência de energia por ação de forças. Indique, justificando, em quais das seguintes situações podemos reduzir o sistema ao seu centro de massa. (A) Movimento de Marte em torno do Sol, desprezando o seu movimento de rotação. (B) Movimento de rotação de uma bola de ténis. (C) Movimento de translação de um ciclista. (D) Movimento de um carro, considerando as variações da sua energia interna.

9 Atividade Transferência de energia por ação de forças. Indique, justificando, em quais das seguintes situações podemos reduzir o sistema ao seu centro de massa. (A) Movimento de Marte em torno do Sol, desprezando o seu movimento de rotação. (B) Movimento de rotação de uma bola de ténis. (C) Movimento de translação de um ciclista. (D) Movimento de um carro, considerando as variações da sua energia interna. RESOLUÇÃO Situações A e C. Podemos reduzir o sistema ao seu centro de massa quando se pretende estudar o seu movimento de translação, desprezando as variações da sua energia interna (sistema mecânico).

10 No dia a dia, usamos com frequência expressões com a palavra trabalho. Associamos a palavra trabalho a qualquer atividade que requer esforço muscular ou intelectual.

11 Trabalho Processo de transferir energia entre o sistema e a sua vizinhança por ação de forças. Representa-se pela letra: W Unidades do Sistema Internacional (SI): Joule (J)

12 Transferência de energia entre sistemas A energia pode ser transferida através da ação de forças. Aplicação de uma força num caixote Força aplicada Podem acontecer duas situações: 1) O caixote desloca-se 2) O caixote não se desloca

13 Trabalho 1) O caixote desloca-se adquire energia cinética A ação da força aplicada pelo rapaz permitiu transferir energia do rapaz para o caixote. Deslocamento Chama-se trabalho ao processo de transferência de energia por ação de forças.

14 Trabalho 2) O caixote não se desloca não adquire energia cinética A ação da força aplicada pelo rapaz não permitiu transferir energia do rapaz para o caixote. A força aplicada sobre o caixote não realiza trabalho.

15 Forças que não realizam trabalho Situações em que as forças não realizam trabalho. CORPO EM REPOUSO As forças aplicadas num corpo em repouso não realizam trabalho. As forças não realizam trabalho porque o seu ponto de aplicação não se desloca W = 0

16 Forças que não realizam trabalho Situações em que as forças não realizam trabalho. CORPO EM MOVIMENTO As forças aplicadas perpendicularmente ao deslocamento de um corpo não realizam trabalho. A força com que a rapariga segura o saco é perpendicular ao deslocamento W = 0 Deslocamento

17 Conceito de trabalho Em Física, a palavra trabalho tem um significado diferente do considerado no dia a dia. O significado físico de trabalho está associado ao de energia. Em sistemas mecânicos há apenas transferência de energia como trabalho. O trabalho realizado por uma força de interação entre dois sistemas é uma medida da energia transferida de um sistema para outro, devido à ação dessa força.

18 Trabalho realizado por uma força constante A expressão matemática que permite calcular o trabalho, W, de uma força constante, F, quando o seu ponto de aplicação sofre um deslocamento, é: W F = F d cosq Como o trabalho de uma força é uma medida da energia transferida entre sistemas, a sua unidade SI, é o joule J.

19 Trabalho potente W F = F d cosq W F F d cos 0º W F F d W F > 0 Um trabalho potente contribui para o aumento da energia cinética do corpo sobre o qual a força atua.

20 Trabalho resistente W F d cos W F F F d cos180º W F d F W F 0 Um trabalho resistente contribui para a diminuição da energia cinética do corpo sobre o qual a força atua.

21 Trabalho nulo W F = F d cosq W F d 0 F W F 0 Uma força que atua num corpo numa direção perpendicular ao deslocamento não realiza trabalho; não faz, portanto, variar a energia cinética do corpo.

22 Trabalho realizado por uma força constante Por análise da expressão matemática que permite calcular o trabalho de uma força constante, verifica-se que: se o ângulo θ está compreendido entre 0 e 90, o trabalho é positivo ou potente; faz aumentar a energia do corpo; se o ângulo θ está compreendido entre 90 e 180, o trabalho é negativo ou resistente; faz diminuir a energia do corpo; se o ângulo θ for de 90, o trabalho é nulo, isto é, não há realização de trabalho; logo, não faz variar a energia do corpo;

23 A força aplicada não tem a direção do deslocamento. y x Perpendicular ao deslocamento direção do deslocamento W = 0 Componente eficaz Componente da força na direção do deslocamento

24 Trabalho de uma força A componente eficaz da força aplicada realiza trabalho. Deslocamento, d O trabalho de uma força é igual ao trabalho da sua componente eficaz:

25 Trabalho de uma força Deslocamento, d

26 Trabalho de uma força Ângulo entre o deslocamento e a força que realiza trabalho Unidades do Sistema Internacional (SI) Deslocamento (d) - metro (m)

27 Trabalho POTENTE W > 0 Trabalho potente Há energia transferida para o corpo, que faz aumentar a sua energia cinética.

28 Trabalho RESISTENTE W < 0 Trabalho resistente Há energia transferida do corpo para a vizinhança, que faz diminuir a sua energia cinética.

29 Trabalho NULO W = 0 A direção da força é perpendicular ao deslocamento. Trabalho nulo Não há transferência de energia.

30 Trabalho de uma força em diferentes direções A transferência de energia, para um corpo, como trabalho de uma força constante, F, é máxima quando a força e o deslocamento têm a mesma direção e sentido. O trabalho da força é positivo ou potente. A energia que é retirada a um corpo, como trabalho de uma força constante, F, é máxima quando a força e o deslocamento têm a mesma direção e sentidos opostos. O trabalho da força é negativo ou resistente.

31 Gráficos força-deslocamento e trabalho de uma força O trabalho realizado por uma força constante, F, quando o seu ponto de aplicação sofre um deslocamento, também pode ser calculado através de um gráfico força-deslocamento. Analisar gráficos manual pág. 30 Como se pode ver no gráfico, o valor da área do retângulo sombreado é numericamente igual ao trabalho realizado pela força constante. F

32 Síntese de conteúdos O trabalho realizado por uma força de interação entre dois sistemas é uma medida da energia transferida de um sistema para outro, devido à ação de forças. A expressão matemática que permite calcular o trabalho, W, de uma força constante, seguinte: F, quando o seu ponto de aplicação sofre um deslocamento, é a W F = F d cosq onde F é a intensidade da força, d o valor do deslocamento e θ o ângulo entre a força e o deslocamento. Um trabalho positivo ou potente contribui para o aumento da energia do corpo sobre o qual a força atua. Um trabalho resistente contribui para a diminuição da energia do corpo sobre o qual a força atua. Uma força que atua num corpo numa direção perpendicular ao deslocamento não realiza trabalho; não faz, portanto, variar a energia do corpo.

33 Síntese de conteúdos A força eficaz,, é a componente da força na direção do deslocamento e que, efetivamente, realiza trabalho. A transferência de energia para um corpo como trabalho de uma força, F F ef, é tanto maior quanto maior for a projeção da força aplicada no corpo na direção do deslocamento, ou seja, quanto maior for a força eficaz. Quando várias forças atuam num corpo em movimento de translação, o trabalho realizado é igual à soma dos trabalhos realizados por cada uma das forças e, por sua vez, igual ao trabalho F R da força resultante,.

34 Diagrama de conteúdos

35 Atividade Observe as situações A, B, C e D e identifique a(s) situação(ões) em que a(s) força(s): i) não realiza(m) trabalho. ii) realiza(m) trabalho potente. iii) cede(m) energia às vizinhanças. RESOLUÇÃO A B C D

36 Atividade Observe as situações A, B, C e D e identifique a(s) situação(ões) em que a(s) força(s): i) não realiza(m) trabalho. ii) realiza(m) trabalho potente. iii) cede(m) energia às vizinhanças. RESOLUÇÃO A B C D

37 Atividade Observe as situações A, B, C e D e identifique a(s) situação(ões) em que a(s) força(s): i) não realiza(m) trabalho. ii) realiza(m) trabalho potente. iii) cede(m) energia às vizinhanças. RESOLUÇÃO A B C D

38 Força eficaz Considere um corpo em movimento retilíneo sobre uma superfície horizontal, sob a ação de uma força, que faz um determinado ângulo com a direção do deslocamento. F = F x + F y F x Aplicando o conceito de trabalho a e a verifica-se que apenas realiza trabalho. F x F y W W W F F F A força eficaz é a componente da força na direção do deslocamento e que, efetivamente, realiza trabalho. x ef

39 F ef Força eficaz Sabendo que F ef é a projeção escalar de F na direção do movimento, o seu valor pode ser calculado da seguinte forma: Sendo: Fcos W F = F d cosq ÛW F = (F cosq) d e atendendo ao conceito de força eficaz, tem-se: F W F d F Trabalho de uma força é igual ao trabalho da força eficaz, ef, que é a componente da força F segundo a direção do deslocamento. ef F