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Energia e força dos movimentos
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Ampliando forças
Leis de Newton
Movimentos e energias
Bruno Gonçalves
Força e movimento
Força, movimento, energia, qual a relação?
Força e movimento
É possível ter movimento sem força?
É possível ter força sem movimento?
O que é energia?
Como entender e tirar proveito desses conceitos?
Conceitos iniciais
Massa: grandeza que representa a quantidade de matéria de um corpo. Pode ser medida em: gramas, quilogramas, libras...
Força: grandeza capaz de alterar a velocidade ou direção do movimento de um corpo, ou ainda de deformar um corpo. Pode ser medida em: newton, quilograma-força ...
Exemplos de forças:
Forças de contato: empurrão, atrito ...
Forças de campo: gravidade, magnetismo ...
Leis de Newton
Força
e
movimento
Os trabalhos de Newton permitiram a compreensão dos movimentos e deram origem a uma área da FÍSICA chamada DINÂMICA.
A dinâmica estuda as causas e efeitos dos movimentos.
O grande filósofo e astrônomo Galileu Galilei já estudava os movimentos dos corpos, principalmente dos astros celestes.
Segundo Galileu, um corpo ou objeto que já está em movimento tende a permanecer em movimento. Você concorda? Pense em diferentes exemplos ...
Mais tarde, Newton elaborou complementações à dinâmica em seu livro chamado : Princípios matemáticos da filosofia natural, onde estão descritas as LEIS DE NEWTON.
Galileu Galilei
1ª Lei de Newton
INÉRCIA
Explique as situações a seguir:
1
Um "corpo" tem a tendência de permanecer como já está, seja em movimento ou em repouso.
Para sair do repouso, ou do movimento, é necessária uma força atuando sobre o "corpo".
2ª Lei de Newton
PRINCÍPIO FUNDAMENTAL
Explique as situações a seguir:
DESAFIO
2
Peça alguém na sua casa para pegar duas caixas de sapato, uma vazia e outro com o par de calçados dentro.
Sua tarefa é descobrir qual é qual, sem agitar ou abrir a caixa.
Existe uma relação entre força, massa e movimento.
A velocidade do movimento causado pela força aplicada depende
da força aplicada e da massa do objeto que recebe essa força.
Essa lei pode ser representada pela fórmula
Aceleração = força aplicada / massa do objeto
3ª Lei de Newton
Ação e reação
Explique as situações a seguir:
3
As forças sempre surgem da interação entre os corpos.
Para toda força de ação aplicada em um corpo, existe ao mesmo tempo uma força de reação em outro corpo.
Força, uma grandeza vetorial
Grandezas são as propriedades da matéria, como temperatura, densidade, massa, velocidade ...
Diferente de grandezas escalares, como a temperatura, a força é uma grandeza vetorial
Isso significa que para entender completamente a força, é preciso informar além de um número, uma direção e sentido
Força - Uma grandeza vetorial
Isso é feito por meio de vetores
Direção: vertical e sentido para baixo:
Direção: horizontal e sentido para a esquerda
Peso, massa e gravidade
O peso, ou força gravitacional, é uma força de atração exercida por todos os corpos que possuem massa.
Quanto maior a massa de um corpo ou objeto, maior será a força peso.
Devido à enorme massa da Terra, a força peso atrai todos os corpos para o seu centro.
Peso - Uma força que atrai
Peso = massa x gravidade
(A princípio, a velocidade de queda dos objetos só depende da gravidade)
Gravidade nos dias de hoje
As ideias de Newton sobre gravidade clássica não são as mais atuais. Hoje, graças aos avanços na astronomia e a outros cientistas como Albert Einstein, a gravidade passa a ser compreendida de forma diferente, podendo atuar até mesmo sobre a luz, por exemplo:
A gravidade hoje é uma consequência de vivermos em um espaço/tempo curvo ...
Ampliando forças
Corpos com muita massa são difíceis de serem movimentados, pois a força peso sobre eles é muito grande.
Como entender e tirar proveito dos conceitos de força e movimento trabalhados anteriormente?
Vamos estudar agora as MÁQUINAS SIMPLES
Máquinas simples
Alavancas
Ponto
de apoio
Alavancas são barras resistentes que se movem em duas direções sobre um ponto de apoio.
Uma alavanca possui um "braço resistente" onde fica o peso.
e
Um "braço potente" onde é feita a força.
Braço da alavanca
Alavanca
O tamanho desses braços tem efeitos significativos no funcionamento de uma alavanca, observe:
Ponto de apoio
Ainda assim, o esforço pode ser reduzido, pois fazer uma força para baixo é mais fácil que para cima devido à gravidade.
Com o ponto de apoio na posição central, as forças nos braços se igualam, e a alavanca funciona como uma balança !
Note que com o ponto de apoio no meio, tanto a força quanto a distância percorrida pelos braços é a mesma!
Objeto
Com o ponto de apoio deslocado, é possível trocar um esforço por uma maior distância em troca de uma maior força no "braço resistente" da alavanca.
Também pode-se trocar uma maior força no braço potente por uma maior distância no "braço resistente" da alavanca.
Para cortar objetos mais duros, utiliza-se o alicate, que troca distância por força ...
Braço da alavanca
Existem alavancas de diferentes tipos, hoje encontradas em diferentes objetos como as tesouras que trocam força por distância...
Ponto de apoio
Plano inclinado
O plano inclinado é comumente chamado de rampa, mas essa tecnologia vai muito além delas.
As rampas permitem erguer objetos a maiores alturas, pois assim como nas alavancas, troca-se força por distância.
Plano inclinado
A inclinação da rampa deve ser escolhida com cuidado, considerando não aumentar muito a distância, mas garantindo que o esforço seja reduzido de maneira adequada.
Além de mover coisas ao longo do plano inclinado, é possível mover o plano inclinado ao longo das coisas, observe!
Em casos que requerem longas rampas, elas podem ser compactadas, como em escadas, passarelas ou rodovias...
Uma rampa como a da figura não ajuda muito, mas ainda assim é mais fácil erguer uma grande massa com a rampa do que sem ela.
Uma rampa com menor inclinação permite menor esforço. Porém, a rampa torna-se mais longa.
Troca-se força por distância.
A inclinação das rampas deve ser escolhida com cuidado, buscando o melhor equilíbrio entre distância e redução da força física.
A combinação de dois planos inclinados produz a CUNHA, empregada em machados, facas, agulhas... diferentes funções com diferentes inclinações !
Roldana
A roldana ou polia é formada por um disco giratório com um sulco para passar uma corda. Elas facilitam levantar objetos, pois:
- permitem fazer força de cima para baixo (a favor da gravidade)
- podem ampliar a força exercida por uma pessoa (roldana móvel)
Roldanas fixas não reduzem a força necessária para mover um objeto, mas facilitam erguê-lo a maiores alturas.
Roldanas móveis reduzem consideravelmente a força necessária para mover um objeto.
Roldana
Levantar objetos "puxando para cima" é mais difícil que para baixo.
Para erguer objetos mais pesados, pode-se utilizar um contrapeso para auxiliar.
Elevadores utilizam contrapesos para reduzir a força a ser feita.
Roldanas fixas não se movem junto com o objeto. Nesse caso a força não é amplificada, mas o usuário pode usar o próprio peso e a gravidade a seu favor.
Se o objetivo for reduzir a força aplicada, também é possível utilizar roldanas móveis. Elas se movimentam junto com o objeto.
Roldanas móveis reduzem a força necessária pela metade!
Elas podem ser combinadas a roldanas fixas para inverter o sentido da força e se valer da gravidade.
Várias roldanas móveis podem ser utilizadas em associação para aumentar a vantagem mecânica
( a amplificação de força )
Associações de várias roldanas móveis podem ser compactadas utilizando esse tipo de configuração ao lado chamado polia em bloco.
Sem a roldana o atrito além de dificultar o movimento pode romper uma corda.
Energia e suas formas
- Quais formas de energia você conhece?
- É possível transformar um tipo de energia em outro?
- É possível produzir energia "do zero" ?
Energia
Identifique tipos de energia e transformações de energia na imagem ao lado.
Energia térmica
Todos os corpos são formados por pequenas partículas que se movimentam microscopicamente.
Energia térmica:
soma da energia mecânica das partículas que formam um material.
Quantidade de energia térmica: temperatura
Temperatura ≠ Calor
Passagem de energia térmica: calor
Energia térmica
Temperatura
e
Calor
Agora, perceba na prática o que é calor, a diferença entre calor e temperatura, e a relação entre calor e sensação térmica
Sensação térmica
Sensação térmica
Sensação térmica: percepção do organismo sobre a temperatura do ambiente/objeto,
(pode ser diferente da temperatura real)
A sensação térmica é afetada por diversos fatores, dentre eles:
a umidade relativa do ar e o vento.
O suor ajuda a transferir energia do corpo para o ambiente.
1 - Corpo percebe a necessidade de se resfriar
2 - Suor é liberado
3 - O suor absorve energia térmica do corpo e evapora, levando essa energia
Quando a umidade relativa do ar é alta, o suor liberado não evapora, e a energia térmica não se transfere do corpo para o ar.
Propagação de calor
Você sabia que o termo "esquimó" é pejorativo? Os Inuíts são povos que ficaram famosos por construírem iglus.
Pergunta: Como pode o Iglu aquecer alguém, se ele
é feito de gelo?
Propagação
de
calor
Os materiais são formados por diferentes partículas.
As diferentes constituições dos materiais os tornam bons ou maus condutores de energia térmica.
Classifique como bons ou maus condutores: o ar, a água, o alumínio, a borracha, as rochas, o isopor, o vidro.
Maus condutores de energia térmica são materiais que dificultam a PROPAGAÇÃO DE CALOR e são utilizados como ISOLANTES TÉRMICOS.
Os isolantes térmicos mais eficazes
evitam bem os três tipos de propagação de calor:
Condução térmica
A condução ocorre quando há contato físico entre meios materiais.
No exemplo a seguir, fonte de energia térmica é a chama do fogão.
Entretanto, a panela se aquece devido o contato com a chama.
CONDUÇÃO
1) Mesmo que somente uma parte da panela toque a
chama, toda a sua área se aquece com o tempo.
2) A água no interior da panela também é aquecida,
apesar de não estar em contato com o fogo.
Convecção térmica
A convecção térmica é típica de meios líquidos e gasosos.
Utilizando o mesmo exemplo, a água em contato com o fundo da panela recebe energia térmica, sua temperatura aumenta e a água então sobe (veja na ilustração a seta vermelha).
A água fria cede seu lugar / migra para ocupar o lugar da água mais quente.
CONVECÇÃO
Esse movimento cíclico criado é chamado de corrente de convecção, e ocorre até que não haja mais diferença de temperatura entre as partes.
Irradiação térmica
A irradiação térmica é a propagação de calor que não depende de nenhum meio material, seja ele sólido, líqudo ou gasoso.
A irradiação térmica é equivalente a emissão de ondas eletromagnéticas chamadas de ondas de infravermelho.
IRRADIAÇÃO
A irradiação térmica é percebida ao verificar que um objeto está quente ao aproximar a mão, sem toca-lo.
A fosseta loreal das serpentes é um órgão especializado em captar esse tipo de emissão de calor.
Energia térmica, alimentos e corpo humano
Os alimentos contém energia química (carboidratos, proteínas, gorduras)
O corpo humano transforma essa energia em outros tipos, como:
- a energia mecânica (movimentos como os do coração)
- a energia térmica (temperatura corporal que se mantém constante)
A quantidade de energia contida nos alimentos é medida e expressa em CALORIAS. Isto porque essa transformação da energia química é semelhante à uma reação de combustão, de queimar alguma substância, e o fogo libera calor.
"Queima de gordura" .... "Queimar energia" ... "Queimar carboidratos" ... "Queima de açúcar"
Energia térmica,
alimentos e corpo humano
A quantidade de energia térmica liberada por cada nutriente ou alimento é medida e expressa em quilocalorias kcal (1 quilocaloria = 1000 calorias).
O Amendoim é mais calórico que o pão. Ou seja, possui mais componentes energéticos que o pão.
Nutrientes
Os nutrientes são substâncias encontradas nos alimentos indispensáveis à sobrevivência dos seres vivos. São eles:
Carboidratos:
Vitaminas e sais minerais:
- Primeira fonte de energia para o corpo
- 1 grama de carboidrato = 4 KCal
- Os carboidratos podem ser armazenados ou convertidos em lipídios para serem armazenados.
- Não possuem valor energético relevante
- São necessários , porém em menores quantidades que os MACRONUTRIENTES (carbs, prots, lipids.)
- Eles auxiliam, ou permitem, o correto funcionamento do organismo.
Nutrientes
Lipídios:
- Segunda fonte de energia para o corpo
- 1 grama de lipídio = 9 KCal
- Os lipídios podem ser armazenados ou convertidos em energia.
Proteínas:
- Última fonte de energia para o corpo
- Utilizadas como "blocos construtores"
- 1 grama de proteína = 4 KCal
- As proteínas podem ser convertidas em
carboidratos e lipídios
Transformações de energia e absorção de nutrientes no corpo
Os nutrientes são substâncias encontradas nos alimentos indispensáveis à sobrevivência dos seres vivos. São eles:
Digestão e absorção
- O sistema digestório realiza a digestão, ou a transformação dos alimentos, e a sua posterior absorção.
- Basicamente, os alimentos são quebrados em pedaços pequenos o suficiente para entrar nas células. O resíduo é eliminado pelo ânus.
- O sistema digestório contém diversos órgãos que fazem a digestão e a posterior absorção das substâncias digeridas.
- Disfunções envolvendo esse sistema podem levar à obesidade, desnutrição, diabetes, e outros ...
Energias e trabalho
Pressão
e flutuabilidade
- Por que se restringir às máquinas simples , mesmo que aperfeiçoadas?
- Que tal transformar energia térmica em mecânica?
- Máquinas térmicas utilizam o trabalho
- Trabalho é quando alguma energia gera movimento
- As máquinas térmicas causaram a Revolução industrial
Máquinas térmicas
Equilíbrio termodinâmico
Combustíveis
e
máquinas
Pressão e flutuabilidade
A energia térmica possui a capacidade de agitar as substâncias.
A própria propagação de calor por
convecção se baseia na flutuabilidade e
é um exemplo do trabalho
trabalho = energia virando movimento
Se essa panela for colocada sob pressão e não ser tomar o devido cuidado, a ela pode até "explodir".
O surgimento das máquinas térmicas causou
revolução nos meios de trabalho e transporte.
Hoje, várias máquinas térmicas vêm sendo substituídas por elétricas.
Pressão atmosférica
A pressão é exercida nos corpos tanto por líquidos como por gases. Por exemplo, a camada de ar que envolve a Terra, a atmosfera, é atraída pela força da gravidade e exerce pressão sobre os corpos que estão na superfície terrestre.