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•         Avaliar a energia potencial e cinética da água de um canal natural, riacho rio, etc.
•         Utilizar a energia da água transferindo essa energia para outro sistema.
•         Certificar que a energia da água pode ser transformada em outra modalidade de energia.

50 minutos (uma aula)

          Energia mecânica, energia elétrica, transformação de energia, gerador eletromagnético.

Parte I

            Sugerimos que o(a) professor(a) inicie sua aula exibindo para a turma o esquema ilustrado na Figura 01e a foto da Figura 02, ou outras similares, explique as partes da roda com ênfase ao eixo central e as pás da roda assinalados na Figura 01,  explique que estando as extremidades do eixo da roda apoiada num suporte fixo, a água incidindo convenientemente sobre as pás faz a roda girar, como ilustrado na Figura 02.

          Pergunte então para a turma: Como podemos usar o movimento produzido na roda para realizar alguma atividade usando sua energia?

http://www.cepa.if.usp.br/energia/energia1999/Grupo2B/Roda/roda2.jpg

 

http://static.freepik.com/fotos-gratis/moinho-de-agua_21030896.jpg

Depois de ouvir algumas respostas dos alunos e fazer comentários que julgar relevantes, deverá exibir o filme “Roda d’água”, de apenas 53 segundos de duração, disponível no endereço abaixo. Essa roda ilustrada no filme é praticamente uma resposta à pergunta acima, ao ser exibido, poderão ser identificadas outras utilidades da roda movida pela água, não comentada antes pelos alunos ao responderem a pergunta acima.

           O filme ilustra o funcionamento de uma roda flutuante fixa sobre a água corrente que empurrando suas pás força-a a girar. O eixo da roda é acoplado a outras rodas por meio de correias. Essa “engenhoca” é bem interessante para explicar como podemos aproveitar o movimento da roda para acionar outros mecanismos interligados entre si, usando correias ou engrenagens.  O objetivo é confirmar com o aluno que num eixo conectado ao movimento da roda pode estar uma bomba para bombear água, um gerador ou outro mecanismo.

 

Roda d’água

http://www.youtube.com/watch?v=1Elj8Ju2Qeg&feature=related

Acesso em 15/04/2012.

         Para mostrar que se pode aproveitar a energia da água com alternativas bastante simples poderá ser apresentado o seguinte filme, exibido pela Rede Globo no programa globo rural, disponível com título e endereço a seguir:

Morador da zona rural de MG abusa da criatividade na hora de fazer inventos

http://www.youtube.com/watch?v=aIkozrUTpKY&feature=related

Acesso em 15/04/2012.

 

                       

Parte II

            Em seguida poderá apresentar a Figura 03 que ilustra uma famosa queda d’água, a cachoeira de Casca D’anta, que é a primeira grande queda do Rio São Francisco, cujo rio, historicamente nasce na Serra da Canastra, 14 km antes dessa queda, no município de são Roque de Minas.

Depois de comentar a figura, divida os alunos em duplas e peça para resolver o seguinte problema:

          A queda da cachoeira de Casca D’anta tem 186 metros de altura; suponha que a vazão de água em certa época do ano seja de 5 metros cúbicos por segundo, qual a energia potencial gravitacional de 5 m³ de água no topo da queda em relação à parte mais baixa?

          Qual a potência gerada por um determinado dispositivo capaz de transformar essa energia em energia útil com um rendimento de 40%?

Use g = 10 m/s² e a massa específica da água igual a 1,0 g/cm³.

• E_p = mgh
• m = dV; d = densidade absoluta da água ou massa específica (1,0 g/cm³⁾ = 10³kg/m³. substituindo m.
• E_p = dVgh
• E_p = 10³.5.10.186 (Unidades no SI).
• E_p = 9,3.10⁶ J
• P = E_p/t, P = potência da queda d’água e t = intervalo de tempo.
• P = 9,3.10⁶ J/s
• P = 9,3.10⁶ Watt
• E_g = 0,40. 9,3.10⁶ watts, E_g = energia gerada.
• E_g = 3,7.10⁶ watts
• E_g = 3,7 mega-watts.

http://t0.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcT7IV1n8X8ucFYFF1MmC5cj1c-JlwsRdxdvczmwDbaqw_B5u-GJ

 

Parte III

            Em seguida poderá argumentar com os alunos que uma roda d’água, como aquela apresentada no filme, pode ser usada para transformar a energia da água em energia elétrica por meio de um gerador conectado a ela diretamente em seu eixo, ou indiretamente, através de um sistema de polias ou engrenagens, que são rodas adaptadas a cada tipo de associação. Nesse caso, além da eficiência da roda em transformar a energia da água, o gerador também não transforma toda a energia mecânica da roda em eletricidade, por causa das perdas devidas principalmente ao atrito. Poderá usar a Figura 04, abaixo, para explicar basicamente como se transforma a energia mecânica da água em energia elétrica numa usina hidrelétrica. A figura ilustra o esquema básico de uma usina hidrelétrica: represa formada pela barragem e reservatório de água, duto (canal que conduz a água da represa até a turbina) e turbina. O gerador não está representado no esquema e o desenho está fora de escala. Após explicação faça o seguinte questionamento para que respondam oralmente:

          Que fatores devem ser considerados para determinar o valor da energia da água ao incidir nas pás da roda, turbina?

Dê tempo para que algum aluno se manifeste e discuta a resposta com eles.

• Para determinar o valor da energia da água deve-se considerar a altura h, valor do desnível entre o nível da água no reservatório e a turbina no esquema da figura, e a vazão da água.

        Depois peça para resolver o seguinte problema:

          Se o desnível entre a superfície da represa, reservatório, e o nível que a água atinge as pás for de 50 m, a vazão de 60 m³/s, qual a potência máxima fornecida pela água?

          Pode-se afirmar que a turbina fornecerá este valor para o gerador? Por quê?

• E = mgh, E = energia da água = energia potencial gravitacional.
• E = dVgh
• E = 10³.60.10.60 (SI)
• E = 3,6.10⁶ J
• Não. Porque a turbina não terá rendimento de 100% principalmente por causa de perdas de energia devido ao atrito nos rolamentos do eixo e com a própria água e com o ar.

            Para reforçar este assunto, poderá explicar as partes de uma usina hidrelétrica acessando o link abaixo e usar a parte da animação que ilustra uma usina termoelétrica:

 

 

Eletricidade - Energia elétrica 

Nome	Tipo
Eletricidade - Energia elétrica	Animação/simulação

          Sugerimos que acesse os endereços abaixo e repasse os dois primeiros para os alunos, repasse também outros se julgar proveitoso para eles.

 

 

Usina Hidrelétrica – Feira de Ciências

http://www.feiradeciencias.com.br/sala14/14_23.asp

 

 

Brasil - Hidrografia

http://www.portalbrasil.net/brasil_hidrografia.htm

 

 

Transformação de energia

http://portaldoprofessor.mec.gov.br/fichaTecnicaAula.html?aula=31043

 

 

Energias Renováveis Sustentáveis

http://www.natbrasil.org.br/Docs/publicacoes/parte1%20energia.pdf

 

 

Fontes renováveis – parte 2

http://www.aneel.gov.br/arquivos/PDF/atlas_par2_cap3.pdf

          Divida os alunos em grupos de no máximo 4 componentes e peça, que em horário e local apropriado pesquisem o seguinte assunto, para ser apresentado em outra aula de Física: Altura da barragem, vazão média da água e potência média gerada pela Usina de Itaipu.