ENERGIA MECÂNICA: conceitos e questões de vestibulares

Energia é um dos conceitos mais importantes da física e um dos termos mais empregados em nossa linguagem cotidiana. Apesar de ser difícil sua definição, em poucas palavras, já estamos habituados a utilizar este termo.

“Hoje estou sem energia!”
“Menino, você precisa comer para ter energia!”
“Aquele jogador tem energia par dar e vender!”
“Vai haver falta de energia elétrica no país!”
“A energia nuclear é perigosa!”

As fontes de energia provenientes de combustíveis fósseis estão prestes a se esgotar!”
Na física, costuma-se introduzir o conceito dizendo que “a energia representa a capacidade de realizar trabalho”.
A energia pode se apresentar sob diversas formas: energia nuclear, energia elétrica, energia térmica, energia mecânica, energia química etc.
Como energia também pode ser relacionada com trabalho, ela é também uma grandeza escalar.

Na física, a energia mecânica (EM) de um sistema é constituída por duas parcelas: a energia cinética e a energia potencial, sendo que essa última pode ser do tipo gravitacional ou elástica.

A energia mecânica é obtida, quantitativamente, a partir da soma das energias cinética e potencial.

PRINCÍPIO DA CONSERVAÇÃO DE ENERGIA

“A energia não pode ser criada nem destruída, mas unicamente transformada. O aparecimento de certa forma de energia é sempre acompanhado do desaparecimento de outra forma de energia em igual quantidade”.

Existem outras grandezas que também se conservam, em física, como quantidade de movimento e carga elétrica.

QUESTÕES DE VESTIBULARES

  1. (ENEM) Na figura abaixo está esquematizado um tipo de usina utilizada na geração de eletricidade.

Analisando o esquema, é possível identificar que se trata de uma usina:

a) hidrelétrica, porque a água corrente baixa a temperatura da turbina.
b) hidrelétrica, porque a usina faz uso da energia cinética da água.
c) termoelétrica, porque no movimento das turbinas ocorre aquecimento.
d) eólica, porque a turbina é movida pelo movimento da água.
e) nuclear, porque a energia é obtida do núcleo das moléculas de água.

RESOLUÇÃO:

Trata-se de uma usina hidrelétrica. Há transformação da energia potencial gravitacional da água em energia cinética, o que permite girar a turbina, gerando energia elétrica.

Resposta: b

 

  1. (ENEM) Os carrinhos de brinquedo podem ser de vários tipos. Dentre eles, há os movidos a corda, em que uma mola em seu interior é comprimida quando a criança puxa o carrinho para trás. Ao ser solto, o carrinho entra em movimento enquanto a mola volta à sua forma inicial. O processo de conversão de energia que ocorre no carrinho descrito também é verificado em 

 a) um dínamo.
b) um freio de automóvel.
c) um motor a combustão.
d) uma usina hidroelétrica.
e) uma atiradeira (estilingue). 

RESOLUÇÃO:

Ao ser comprimida, a mola armazena energia potencial elástica e, ao voltar ao estado original (não deformado), esta energia é convertida em cinética com o movimento do carrinho. Da mesma forma ocorre na atiradeira (estilingue). Quando suas tiras são esticadas, armazena-se energia potencial elástica e ao ser soltas, a energia também é convertida em cinética e o projétil é lançado.

Resposta: c

  1. (ENEM) Uma das modalidades presentes nas olimpíadas é o salto com vara. As etapas de um dos saltos de um atleta

Desprezando-se as forças dissipativas (resistência do ar e atrito), para que o salto atinja a maior altura possível, ou seja, o máximo de energia seja conservada, é necessário que:

a) a energia cinética, representada na etapa I, seja totalmente convertida em energia potencial elástica representada na etapa IV.
b) a energia cinética, representada na etapa II, seja totalmente convertida em energia potencial gravitacional, representada na etapa IV.
c) a energia cinética, representada na etapa I, seja totalmente convertida em energia potencial gravitacional, representada na etapa III.
d) a energia potencial gravitacional, representada na etapa II, seja totalmente convertida em energia potencial elástica, representada na etapa IV.
e) a energia potencial gravitacional, representada na etapa I, seja totalmente convertida em energia potencial elástica, representada na etapa III.

RESOLUÇÃO:

Na etapa I, o atleta corre e acumula energia cinética, que é convertida em energia potencial gravitacional no ponto mais alto da etapa III, desconsiderando a velocidade nesse ponto.

Resposta: c

 

4. (UFRGS)

O uso de arco e flecha remonta a tempos anteriores à história escrita. Em um arco, a força da corda sobre a flecha é proporcional ao deslocamento x, ilustrado na figura abaixo, a qual representa o arco nas suas formas relaxada I e distendida II.
Uma força horizontal de 200 N, aplicada na corda com uma flecha de massa m = 40 g, provoca um deslocamento x = 0,5 m. Supondo que toda a energia armazenada no arco seja transferida para a flecha, qual a velocidade que a flecha atingiria, em m/s, ao abandonar a corda?

a) 5 x 103.
b) 100.
c) 50.
d) 5.
e) 101/2.

RESOLUÇÃO:

Resposta: c

POTÊNCIA

Na definição do trabalho de uma força, não se leva em consideração o tempo gasto para realizá-lo. Isso significa que o trabalho não depende do tempo. A mesma quantidade de trabalho é realizada enquanto levamos uma carga escada acima, não importando se fazemos isso caminhando ou correndo. A qualidade  que diferencia o tempo no qual esses trabalhos são realizados é chamada de potência. Quanto menor o tempo para realizar o mesmo trabalho, maior a potência desenvolvida.

Matematicamente, potência pode ser obtida pela razão entre energia e intervalo de tempo:

Unidade no sistema internacional: joule/segundo = watt (J/s=w)
Unidades especiais: cv (cavalo – vapor) = 735,5 watts
                                        hp (horse – power) = 745,7 watts

Para valores elevados de potência, também fazemos uso de prefixos. Abaixo estão listadas as potencias de algumas usinas geradoras de energia do território nacional.

Exemplo:

Usina hidrelétrica Binacional de Itaipu: 14.000 MW (segunda maior do mundo)
Usina nuclear Almirante Álvaro Alberto : 1.990 MW (640 MW de Angra I e 1.350 MW de Angra II)
Usina eólica de Osório: 150 MW (maior da américa latina)
Usina termelétrica Termoverde Caieiras: 29,5 MW

 

QUESTÕES DE VESTIBULARES:

 (UFRGS) O termo horsepower , abreviado hp , foi inventado por James Watt (1783), durante seu trabalho no desenvolvimento das máquinas a vapor. Ele convencionou que um cavalo, em média, eleva 3,30 x 104 libras de carvão (1 libra ~ 0,454 Kg) à altura de um pé (~ 0,305 m) a cada minuto, definindo a potência correspondente como 1 hp (figura abaixo).

Posteriormente, James Watt teve seu nome associado à unidade de potência no Sistema Internacional de Unidades, no qual a potência é expressa em watts (W).  Com base nessa associação, 1 hp corresponde aproximadamente a

a) 76,2 W.
b) 369 W.
c) 405 W.
d) 466 W.
e) 746 W.

RESOLUÇÃO:

Resposta: e

Curiosidade:

(ou pés no plural; símbolo: ft ou ) é uma unidade de medida de comprimento. Um pé corresponde a 12 polegadas, e três pés são uma jarda. Esse sistema de medida é utilizado atualmente no Reino Unido, nos Estados Unidos e, com menor frequência, no Canadá.

                A libra avoirdupois ou libra internacional (abreviatura: lb, ou por vezes # nos Estados Unidos), é a unidade de massa equivalente a exatamente 0,45359237 quilogramas (ou 453,59237 gramas).

 

 

  1. (ENEM) A usina de Itaipu é uma das maiores hidrelétricas do mundo em geração de energia. Com 20 unidades geradoras e 14 000 MW de potência total instalada, apresenta uma queda de 118,4 m e vazão nominal de 690 m3/s por unidade geradora. O cálculo da potência teórica leva em conta a altura da massa de água represada pela barragem, a gravidade local (10 m/s2) e a densidade da água (1 000 kg/m3). A diferença entre a potência teórica e a instalada é a potência não aproveitada.

Qual é a potência, em MW, não aproveitada em cada unidade geradora de Itaipu?
a) 0
b) 1,18
c) 116,96
d) 816,96
e) 13 183,04

RESOLUÇÃO:

Resposta: c

Curiosidade:

Vazão, também chamada de escoamento, é obtida pela razão entre variação de volume ( ), de fluido que atravessa uma secção transversal de um tubo, e um dado intervalo de tempo ( ).
Unidade (SI) : m3/s

Densidade é obtida pela razão entre massa e volume de uma determinada amostra.
Unidade (SI): kg/m3

 

3. (ENEM) A eficiência de uma usina, do tipo da representada na figura, é da ordem de 0,9, ou seja, 90% da energia da água no início do processo se transforma em energia elétrica. A usina Ji-Paraná, do Estado de Rondônia, tem potência instalada de 512 Milhões de Watt, e a barragem tem altura de aproximadamente 120 m. A vazão do rio Ji-Paraná, em litros de água por segundo, deve ser da ordem de:

 a) 50
b) 500
c) 5.000
d) 50.000
e) 500.000

RESOLUÇÃO:

Resposta: e

 

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