Experimento de conservação de Energia Mecânica

13 de Ago. de 2020 | Rafaela Botelho

EXPERIMENTO DE CONSERVAÇÃO DE ENERGIA MECÂNICA

Objetivo
O objetivo deste experimento é mostrar a transformação da Energia Potencial Gravitacional em Energia Cinética, ilustrando a Conservação da Energia Mecânica.

Contexto
O princípio de conservação da energia mecânica estabelece que durantes dois instantes, a energia total de um sistema mecânico não se altera, apenas suas contribuições de energias parciais (energia cinética e energia potencial) sofrem variações. Embora a conservação de energia é válida somente para um sistema fechado ou ideal, dentro de determinadas considerações sua aplicação é bastante razoável. O Princípio de Conservação de Energia Mecânica estabelece que: E Total final = E Total inicial.

Neste experimento podemos identificar uma transformação de um tipo de energia em outro. Inicialmente um objeto possui energia potencial gravitacional, que é a energia de interação entre a massa do objeto com a massa da Terra. Essa energia está armazenada no sistema Terra-objeto, e vai diminuindo à medida que o objeto e a Terra se aproximam. A energia potencial gravitacional de um objeto, que é diretamente proporcional ao produto da sua massa, da aceleração da gravidade (g) e da sua distância vertical em relação a um ponto de referência, se transforma em energia cinética do objeto, que está associada ao seu movimento. Em = Ec + Ep .

Material 

• 2 copos plásticos;

• 5 tampinhas plásticas iguais;

• 2 réguas de 60cm e 2 de 30cm, do mesmo material;

• Fita adesiva;

• Suportes (qualquer material para formar a rampa de rolamento do sistema);

• Uma bolinha de vidro ou metal.

Montagem

• Corte um quadrado de aproximadamente 3cm de largura por 6cm de altura na borda dos copos plásticos (as aberturas nos copos deverão ter altura maior que a da bolinha sobre a rampa e a face posterior dos copos deverão estar encostadas no final das canaletas).

• Fixe, com fita adesiva, duas tampas plásticas nas extremidades de uma das réguas de 30cm, de modo que fiquem alinhadas.

• Fixe a outra régua de 30cm, horizontalmente, sobre a outra face das tampinhas. Esta junção das duas réguas, separadas pelas tampinhas, fica parecendo uma canaleta.

• Repita este mesmo procedimento para as réguas de 60cm, só que colocando uma tampinha a mais no centro das réguas.

• Para evitar que a bolinha ao rodar pela canaleta abra as duas réguas de 60cm, passe duas fitas adesivas na parte de baixo da canaleta, entre a primeira e a segunda tampa e entre a segunda e terceira tampa, de tal modo que as réguas não possam ser abertas e para que fiquem alinhadas.

• Coloque os copos sobre uma das extremidades das canaletas, sendo que o final de cada canaleta deverá tocar a face posterior de um dos copos.

• Levante a outra extremidade das canaletas usando como suporte um livro (os suportes utilizados para elevar as duas canaletas devem ser os mesmos para ambos e que tenham alturas de no mínimo 5cm para melhor visualização do resultado).

• Coloque a bolinha de vidro no sulco de uma das canaletas, na parte de cima do suporte.

• Libere a bolinha e observe o copo.

• Repita este procedimento para a outra canaleta com a mesma bolinha, sem tirar o primeiro copo do lugar.

• Libere a bolinha e observe a posição do segundo copo.

• Repita o procedimento usando diferentes suportes, que permitam diferentes alturas. 

Experimento 

A ideia do experimento é mostrar que a energia potencial gravitacional no início do movimento de queda de um objeto depende da altura de queda e independe da distância a ser percorrida pelo objeto. A energia potencial gravitacional no início do movimento ( Ep = m . g . h) será medida pela quantidade de energia cinética gerada durante a queda (Ec = 1/2 m . v² ). 

Neste experimento, utilizamos duas canaletas de diferentes comprimentos (uma possui o dobro do comprimento da outra), dois copos e uma bolinha. Como as canaletas possuem diferentes comprimentos, se elas forem montadas de modo que a bolinha tenha a mesma altura inicial em ambas, a energia potencial gravitacional será igual nos dois casos. Assim a energia cinética da bolinha deverá ser a mesma ao final das duas canaletas, apesar do fato de num caso a bolinha percorrer o dobro da distância.

EM inicial = Ep inicial + Ec inicial = m. g. h + 0 (aqui a velocidade é zero).
EM final = Ep final + Ec final = 0 +  1/2 m . v² (aqui a altura é zero). 

Em cada canaleta, o fenômeno é idêntico. Ao iniciar o movimento, a bolinha inicia a transformação da sua energia potencial gravitacional em energia cinética. Durante o movimento há diminuição da energia potencial gravitacional e aumento da energia cinética. Devido à conservação da energia mecânica, no final da canaleta, a energia potencial gravitacional devido à perda de altura se transforma em energia cinética, nesse caso: Ec = Ep.

Parte desta energia cinética é transferida para o copo que se move e parte é perdida em energia térmica e sonora, decorrentes do movimento. Neste caso, o valor desta perda de energia chega a ser desprezível. Assim podemos supor que toda energia cinética da bolinha seja transferida para o copo. E após a bolinha entrar em contato com o copo, a energia cinética é toda transformada em outras formas de energia: em energia térmica e sonora que o copo gera através do atrito e som, dissipando assim a energia cinética que recebeu da bolinha (EM final - EM inicial - E dissipada).

O atrito sobre o copo é praticamente constante. E o copo necessita de uma quantidade fixa de energia cinética para vencer uma distância fixa. Portanto, se o copo se desloca mais, isto implica em um recebimento maior de energia cinética. No experimento, o que se observa é que os deslocamentos dos copos são, em média, praticamente iguais, mesmo tendo-se que uma distância que a bolinha percorre é o dobro da outra. Se variarmos a altura de queda de modo idêntico para ambas as canaletas, veremos que o resultado, em média, se mantém. A única diferença é que o deslocamento dos copos é proporcional à altura de queda. Então, para obter-se mais (ou menos) energia cinética, concluímos que a altura das canaletas é o fator que deve ser levado em consideração. Isto corrobora que a energia potencial gravitacional está diretamente relacionada à altura de queda do objeto e não à distância que ele percorre em queda.

REFERÊNCIAS

FATEC ARTHUR AZEVEDO. Roteiro para prática experimental, Experimento 9.
ALMEIDA, PATRÍCIA. Disciplina mecânica ii 2017/2 – trabalho i – parte b – cap 07 e 08. Fundação Universidade Federal de Rondônia, Departamento de Física; Defiji, Campus De Ji-Paraná.
FILHO, BENIGNO BARRETO; SILVA, CLÁUDIO XAVIER DA. Física aula por aula: mecânica: 1º ano – 2ª ed. São Paulo: FDT; 2013. p. 182-240.
VIEIRA, WELLINGTON. Conservação da Energia Mecânica.
FÍSICA MASSA. Experimento conservação de energia.