Sistemas conservativos



Energia não pode ser criada e nem destruída, mas apenas transformada de um tipo em outro.

Esta frase tem sido repetida tantas vezes e é de vital importância em nosso cotidiano pois nossas ações e atividades envolvem sempre a utilização de energia ou a conversão de energia de uma forma para outra.

O objeto de nosso estudo é a energia mecânica nas suas formas potencial (ou de posição) e cinética (ou de movimento).

Vamos estudar fenômenos em que a energia mecânica se conserva, isto é, energia potencial se transforma em cinética ou vice-versa mas a quantidade total de energia mecânica não se altera.

É evidente que para que isto ocorra não pode haver transformação de energia mecânica em térmica o que significa, em muitos casos, condições ideais como ausência de atrito e de resistência do ar o que, na prática, é apenas uma aproximação.

Nos casos em que a energia mecânica se conserva um aumento de energia cinética (movimento acelerado) implica uma redução equivalente de energia potencial (movimento de descida) e uma redução de energia cinética (movimento retardado) implica um acréscimo equivalente de energia potencial (movimento de subida).

Em uma situação de energia potencial máxima a respectiva energia cinética será mínima e vice-versa.

Nas montanhas-russas de um parque de diversões ignorando os atritos e o efeito do ar, a energia mecânica do carrinho e o seu conteúdo, ao deslizarem livremente, vai se conservar.

1. Energia mecânica

A energia mecânica (Em) de um corpo ou de um sistema físico é dada pela soma das energias cinética e potencial.

Em = Ecin + Epot

2. Sistema de forças conservativo

Quando a energia mecânica, associada a um corpo ou sistema, não se altera, dizemos que o sistema de forças aplicado é conservativo.

É importante salientar que, em geral, as energias potencial e cinética variam e apenas a sua soma é que permanece constante.

Em

=

Ecin

+

Epot

 

  ↓

 

  ↓

constante

 

varia

 

varia

 

Nas duas fotos, temos situações em que se converte energia potencial gravitacional em energia cinética.

 

A energia cinética adquirida na corrida para o salto transforma-se em energia potencial.

São exemplos importantes de sistemas conservativos:

(I) Um corpo se movendo sob a ação exclusiva de seu peso.

Na subida a energia potencial aumenta, a energia cinética diminui e a soma permanece constante. Na descida a energia potencial diminui, a energia cinética aumenta e a soma permanece constante.

O lançamento pode ser vertical (trajetória reta) ou oblíquo (trajetória parabólica).

               

EA = EB = EC

Consideremos um exemplo numérico, para um corpo de massa 1,0kg, abandonado em queda livre, a partir do repouso, de uma altura de 10,0m, em um local onde a aceleração da gravidade tem módulo constante e igual a 10,0m/s2.

A expressão da energia mecânica do corpo é:

m = massa do corpo

H = altura em relação ao solo, adotado como referência

V = módulo da velocidade na altura H

Na posição de partida, temos: H = 10,0m e V = 0

Em = 1,0 . 10,0 . 10,0(J) = 100J

Fazendo-se uma tabela com valores de H, Ecin, Epot e Em, temos:

H

(metros)

Epot

(joules)

Ecin

(joules)

Em

(joules)

10

100

0

100

8,0

80

20

100

6,0

60

40

100

4,0

40

60

100

2,0

20

80

100

0

0

100

100

Observe que, durante a queda, a energia potencial vai diminuindo, porém a energia cinética vai aumentando, de modo que a soma das duas permanece constante.

(II) Um corpo se movendo livremente em uma trajetória sem atrito, não se considerando o efeito do ar.

Nos trechos de descida (A para B e C para D), a energia cinética aumenta e a potencial diminui, permanecendo constante a soma das duas.

No trecho de subida (B para C), a energia potencial aumenta e a cinética diminui, permanecendo constante a soma das duas.

Exercícios propostos 

1. (VUNESP-UNICID-MODELO ENEM) – A sequência de fotos mostra um skatista realizando uma manobra.

(Disponível em: <www.skaterbr.no.comunidades.net>. Adaptado.)

 

Desprezando-se as forças dissipativas, permanece constante, entre a primeira e a última foto,

a) a razão entre a energia cinética e a energia potencial gravitacional do skatista.

b) a energia cinética do skatista.

c) a soma da energia cinética com a energia potencial gravitacional do skatista.

d) a energia potencial gravitacional do skatista.

e) a diferença entre a energia cinética e a energia potencial gravitacional do skatista.

2. (UECE-MODELO ENEM) – Uma história em quadrinhos fala de um personagem que salta de uma altura de 30m acima do solo, partindo do repouso, preso por um fio esticado e inextensível de 20m de comprimento, realizando uma trajetória circular conforme a figura a seguir.

Ao chegar no ponto mais baixo de sua trajetória, o personagem tem velocidade com módulo, em m/s, igual a:

Considere g = 10m/s2 e despreze o efeito do ar.

a) 20

b) 30

c) 100

d) 200

e) 300

3. (FUVEST-MODELO ENEM) – O salto com vara é uma modalidade esportiva em que os atletas utilizam uma vara, longa e flexível, para conseguir passar por cima de uma barra horizontal. Os princípios fundamentais dessa modalidade esportiva são regidos por leis de natureza física relativamente simples. Na figura, mostram-se, de maneira esquemática, os movimentos básicos e as grandezas físicas relacionadas com o salto com vara.

(Disponível em: <http://esportes.terra.com.br/atenas2004>. Adaptado.)

 

Suponha que o atleta (massa m) atinja uma velocidade escalar V = 10m/s, no momento do salto, e que o seu centro de massa se encontre a uma altura hCM = 1,0m do solo, durante a corrida. Suponha também que nenhuma energia mecânica é dissipada durante o salto. Nessas condições, adotando-se g = 10m/s2, pode-se afirmar que a altura máxima L, em relação ao solo, atingida pelo centro de massa do atleta no salto, medida em metros, será de:

Nota: Não considere o trabalho interno das forças musculares da pessoa e admita que, no ponto mais alto de sua trajetória, a velocidade do atleta seja desprezível.

a) 4,8

b) 5,1

c) 5,7

d) 6,0

e) 6,6

4. (OLIMPÍADA BRASILEIRA DE FÍSICA DAS ESCOLAS PÚBLICAS-MODELO ENEM-ADAPTADO) – Em uma demonstração experimental, um professor de Física usa um estilingue de constante elástica k=1,0.103N/m para lançar verticalmente uma pedra de massa m = 0,10kg, com velocidade de módulo V0 = 20m/s.

Desconsidere a variação da energia potencial gravitacional da pedra durante o ato do seu arremesso.

O professor, para o lançamento da pedra, deformou o elástico do estilingue em:

a) 0,20m

b) 0,25m

c) 0,30m

d) 0,40m

e) 0,50m

Gabarito

1. RESOLUÇÃO:

Desprezando-se as forças dissipativas, o sistema é conservativo e a energia mecânica permanece constante.

Em = Ep + EC = constante

Resposta: C

2. RESOLUÇÃO:


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