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2 Energia Em MovimentosTRANSFERÊNCIAS E TRANSFORMAÇÕES DE ENERGIA EM SISTEMAS COMPLEXOS

2.1 Transferências e transformações de energia em sistemas complexos

Os vários meios de transporte conhecidos são considerados, do ponto de vista físico, como sendo sistemas complexos.

O estudo do movimento de um veículo motorizado pode ser simplificado recorrendo-se ao modelo da partícula material, cuja validade é determinada pelas características do sistema e do movimento de que está animado.

O trabalho realizado pelas diversas forças constantes que atuam no centro de massa de um corpo (ou de um sistema de corpos) em movimento permite determinar a quantidade de energia transferida durante o processo.

No caso particular de o trabalho calculado ser negativo, reconhece-se a existência de forças dissipativas que atuam durante o movimento de translação do sistema.

5/1/2015 DULCE CAMPOS 2

Sistemas Complexos - Meios de TransporteNum sistema termodinâmico não se podem desprezar as variações de energia interna ocorridas, pois o elevado número de partículas que o constituem encontram-se, do ponto de vista microscópico, em movimento relativo constante e, desta forma, a interagir umas com as outras.

Neste tipo de sistemas a importância reside sobretudo na energia interna e nas variações que ela sofre, por serem consideradas dominantes.

Estas variações de energia interna são traduzidas pela 1." Lei da Termodinâmica. Exemplos


Sistemas Complexos - Meios de Transporte

Denominados sistemas mecânicos, em que importa descrever o seu movimento do ponto de vista macroscópico (por exemplo' o deslocamento de um objeto de um local para outro).

Consideram-se somente as quantidades de energia útil e dissipada que estão associadas ao movimento efetivo do sistema, desprezando-se as alterações de energia interna.

Num sistema mecânico' é importante analisar as variações de energia mecânica que ocorrem.


O sistema roldana-fio-corpo

o sistema caixote-homem


A forma mais adequada de medir a transferência de energia entre sistemas mecânicos é através do trabalho mecânico realizado por ou sobre o sistema em causa.

O estudo do sistema mecânico deverá ser feito tendo em conta:

◦ energia cinética macroscópica - associada à velocidade do sistema que se movimenta como um todo;

◦ energia potencial gravítica - associada à posição relativa do sistema em interação com o outro




E quando se trata sistemas em que não é possível desprezar nenhum dos dois tipos de variação de energia? Como se define um sistema nestas condições?

SISTEMA COMPLEXO

Um sistema mecânico é um sistema animado de movimento, onde a energia transferida e/ou transformada é predominantemente utilizada para o fazer deslocar-se como um todo, sendo dominantes as variações

de energia mecânica. É possível assim, desprezar as variações de energia interna que possam ocorrer.



Um SISTEMA COMPLEXO é um sistema termodinâmico e mecânico, onde ocorrem transformações e transferências de energia que poderão conduzir quer a variações de energia interna quer a

variações de energia mecânica.

Sistema Complexo

Sistema termodinâmico+

Sistema mecânico


Num sistema complexo, não isolado e que não esteja em equilíbrio com a sua vizinhança, é preciso ter em conta a existência de dissipação de energia, devido à variação de

energia interna que em simultâneo, ocorre com a variação da energia mecânica isto significa que a energia útil é

sempre inferior à energia total fornecida.







Admita que cada litro de gasolina queimada no motor de um automóvel contém uma energiaquímica de cerca de seis milhões de calorias e é utilizado aproximadamente um milhão de caloriaspata fazer deslocar o automóvel. Relativamente à energia dissipada, cerca de três oitavos sãoabsorvidos pelo sistema de arrefecimento e cinco oitavos perdidos como calor nos gases de escapee por atrito nas diversas partes móveis do automóvel.

Calcule a energia útil em unidades Sl.

Calcule, em unidades Sl, a energia dissipada no sistema de arrefecimento do automóvel

Calcule o rendimento do automóvel.

Desenhe o diagrama de energias referente ao automóvel.


Exercício









Sistema Mecânico. Modelo da partícula material (centro de massa)

Um sistema complexo pode estar animado de diferentes tipos de movimentos, em particular, movimentos de translação, movimentos de rotação ou uma combinação dos dois




TIPOS DE MOVIMENTOS



Sistema Mecânico. Modelo da partícula material (centro de massa)Para prosseguir no estudo do movimento de translação de um sistema complexo, é necessário

proceder a algumas simplificações úteis.

O automóvel é um sistema complexo (termodinâmico e mecânico).

No entanto, ao estudar o movimento de translação retilínea de um automóvel ou de qualquer outro veículo motorizado (mota, avão, etc.), não interessa reconhecer a variação da energia interna que ocorre no seu interior e nas suas vizinhanças, devido aos atritos internos, ao aquecimento dos gases de escape ou à emissão de energia radiante, etc.

Interessa apenas considerar a quantidade de energia útil que efetivamente contribui para a alteração da posição e do estado de repouso/movimento do corpo, do ponto de vista macroscópico.



Considera-se o automóvel como SISTEMA MECÂNICO

supondo que as dimensões do sistema são desprezáveis relativamente às da trajetória descrita' pode simplificar-se ainda mais o estudo do movimento em causa.

Representa-se o sistema através de um ponto muito especial – o chamado centro de massa (CM) do sistema. O centro de massa apresenta as seguintes características:

Recorre-se, portanto, a um modelo físico denominado modelo da partícula material ou modelo do centro de massa.


O centro de massa de um sistema é o ponto onde está concentrada toda a massa do sistema e onde estão aplicadas

todas as forças ou resultantes das forças, que atuam no sistema



Todas as Partículas de um

sistema mecânico têm a mesmavelocidade.

Durante a execução de um

grand jeté, o centro de massa

da bailarina descreveuma trajetória curvilínea



Sistema Mecânico. Modelo da partícula material (centro de massa)A utilidade do modelo da partícula material(PM)reside na possibilidade de representar todas as forças que atuam no sistema através do denominado diagrama de corpo livre ou diagrama de forças'


Caixote que sofre a ação de umaForça F . Diagrama de corpo livre do

sistema

Validade da representação de um sistema pelo respetivo centro de massa



O modelo da PM apresenta muitas vantagens mas requer cuidado quando dasua utilização.

1. Ao representar um sistema pelo seu centro de massa, reduz-se o sistema - queé constituído por um número ilimitado de partículas a uma só partícula, nestecaso, a um ponto. Não interessa ter em conta a estrutura, a forma e aconstituição do sistema. Todas as partículas tem igual comportamento.

2.Os sistemas mecânicos, deverão ser rígidos e indeformáveis, visto que, pararepresentar o sistema pelo seu centro de massa, não podem existir alterações nasposições relativas e nas velocidades das diferentes partículas que constituem osistema, pelo que se pode desprezar a variação da energia interna com um menorrisco de perder precisão






Num sistema animado de movimento de rotação, a velocidade de cada partícula é diferente



o sistema é considerado um

sistema ideal, o que só existe

em teoria.








Trabalho realizado por forças constantes que atuam num sistema em qualquer direção

A NOÇÃO DE TRABALHO

TRABALHO POTENTE, RESISTENTE E NULO

TRABALHO REALIZADO POR MAIS DO QUE UMA FORÇA CONSTANTE

REPRESENTAÇÃO GRÁFICA DO TRABALHO REALIZADO POR UMA FORÇA CONSTANTE


A noção de trabalhoEm sistemas mecânicos há transferência de energia através da aplicação de forças que realizam trabalho.

Na linguagem científica, o significado do termo «trabalho» será diferente do da linguagem corrente?


A noção de trabalhopara haver realização de trabalho é necessário que exista uma força a atuar num sistema e que o ponto de aplicação dessa força se desloque no espaço.

Em Física, trabalho é uma grandeza física escalar designada pela letra maiúscula W. Para calcular o trabalho realizado por uma Força constante, 𝑭, que atua num sistema 𝑾𝑭 ou W(𝑭) considera-se:

◦ . a componente da força que atua na direção do movimento;

◦ . o valor do deslocamento do ponto de aplicação da força.


A noção de trabalho


Deve ser considerada a componente da força que efetivamente faz deslocar o bloco. Ela é a

chamada componente ou projeção de 𝑭 direção do movimento e designa-se por força eficaz,𝑭ef

A força eficaz é a componente da força responsável pelo trabalho realizado sobre o bloco. Também

pode ser designada por 𝐹𝑥 tendo em conta o referencial convencionado







Trabalho potente, resistente e nulo


Aplicando a definição de trabalho às várias forças que atuamno bloco





Exemplos de situações em que não há realização de trabalho








Trabalho realizado por mais do que uma Força constante


Trabalho realizado por mais do que uma Força constanteDuas formas diferentes, conduzindo ambas ao mesmo resultado

1. uma das formas de determinar o trabalho total realizado pelas quatro forças é calcular primeiro o trabalho de cada uma das forças e, depois, fazer a sua soma algébrica

2. A outra forma de determinar o trabalho total realizado pelas quatro forças é calcular, primeiro, a força resultante de todas as forças que atuam no sistema e, depois, determinar o trabalho dessa força resultante;




A expressão anterior mostra a independência das forças queatuam num sistema, sela qual for o seu número







Representação gráfica do trabalho realizado por uma força constante

Pode representar-se o trabalho realizado pela força eficaz- num gráfico Fef = f (Δx), onde a intensidade da força eficaz é indicada no eixo das ordenadas e o deslocamento é indicado no eixo das abcissas.


TRABALHO REALIZADO POR UMA FORÇA CONSTANTE

TRABALHO POTENTE OU MOTOR - POSITIVO




TRABALHO NULO




TRABALHO RESISTENTE - NEGATIVO




A acção das forças dissipativas

Num sistema, podem ocorrer fenómenos de dissipação de energia, que estão associados ao aquecimento e/ou deformação do sistema.

A dissipação de energia ocorre porque parte da energia mecânica transferida ao sistema é transformada em energia não útil.

As forças que originam esse tipo de fenómenos são designadas por forças dissipativas (ou resistivas). As forças de atrito cinético e a resistência do ar são exemplos desse tipo de forças.


A acção das forças dissipativas

Em sistemas complexos, a transformação de parte da energia mecânica transfenda em energia interna manifesta-se, em geral, na elevação da temperatura do sistema, ou seja, no aumento da energia interna do sistema (aumento das energias cinética e potencial microscópicas das suas panÍculas constituintes).

O aumento da energia interna é, normalmente, transferido para a vizinhança do sistema sob a forma de calor.


A acção das forças dissipativasNos sistemas mecânicos, pelo modelo da partícula material, desprezam-se os fenómenos de aquecimento e de deformação, não tendo em conta as variaçoes de energia interna daÍ decorrentes

É importante reconhecer a ação das forças dissipativas na diminuição da energia mecânica do sistema. Isto acontece porque as forças dissipativas se opoem sempre ao movimento, realízando assim um trabalho negativo ou resistente, que faz diminuir a energia do sistema.

A esta diminuição de energia (mecânica) está associado um aumento da energia interna do sistema, embora este último facto seja desprezado.


A acção das forças dissipativas -Exemplos

Quando um corpo cai devido ao seu peso, em condiçoes reais, ele está igualmente sujeito à acção da resistência do ar, que é uma força que actua na direcção e no sentido contrários ao do movimento do corpo.

Realiza trabalho negativo, o que faz diminuir a energía cinética do corpo. A essa diminuição da energía mecânica do corpo está associado -um aumento da sua energia interna, devido à fricção com as partículas do ar e ao consequente aquecimento do corpo e das suas vizinhanças




Ao entrar na atmosfera terrestre, o calor gerado devido à fricção é tão elevado que, se o Space Shuttle não tivesse uma cobertura resistente a

altas temperaturas, arderia.





quando um corpo se mover sobre uma superfície horizontal, sabemos que acaba por parar ao fim de algum tempo, devido às forças de atrito resultam das interações que se estabelecem entre duas

• superfícies em contacto. Qualquer superfície - por mais polida e limpa que esteja - apresenta sempre, a nível microscópico, pequenas irregularidades.


Devido a estas caracterÍsticas microscópicas, as forças de atrito são, na realidade, inúmeras e dependentes das condições de contacto existentes.

Ao aplicar o modelo da partícula material no estudo do movimento do sistema, as inúmeras e variáveis forças de atrito são tomadas como sendo uma só força de atrito média constante a atuar num ponto – o centro de massa do sistema.



Elas apresentam também vantagens

Sem as forças de atrito, não se poderia caminhar, correr ou andar de bicicleta.

Não se poderia segurar num lápis e, caso pudéssemos fazê-lo, ele não escreveria.

Os pregos e os parafusos seriam inúteis, a roupa e os tecidos tricotados desfar-se-iam e os nós desatar-se-iam...

as gotas de chuva poderiam causar danos enormes ao chegar ao solo, devido à elevadíssima velocidade de queda,

A vida, tal como se conhece, seria impossÍvel...


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