•          Avaliar a definição de trabalho em Física.
•          Relacionar trabalho com energia e com potência.
•          Verificar que mesmo havendo forças dissipativas em um fenômeno físico, não há perdas de energia durante o evento.             

Cinemática e dinâmica: deslocamento, força, velocidade, aceleração, massa e peso.

          Sugerimos que inicialmente o professor inicie a aula revisando conceitos básicos das grandezas envolvidas, trabalho, energia cinética, energia potencial gravitacional, energia potencial elástica e energia mecânica. Falar da conservação da energia mecânica em um sistema de forças conservativas, forças gravitacional e elástica, para este conteúdo.

Atividade I

          Se possível apresente para a turma a seguinte animação disponível em:

Trabalho, energia e potência Mecânica e sua conservação 

         Poderá também acessar e apresentar para a turma o seguinte vídeo sobre o assunto, com apenas 53 segundos de duração:

http://www.youtube.com/watch?v=5erQrBy-jt0

          O professor deverá pedir para que os alunos em grupos de no máximo 4 elementos, usando a expressão para encontrar o trabalho realizado por uma força constante no quadro da figura abaixo, resolvam o seguinte exercício de aplicação: Suponha que uma pessoa arraste um bloco exercendo nele uma força F constante deslocando-o de uma distância d, como no esquema da Figura 01. Considere para o exercício os seguintes valores: F = 200 N; d = 5,0 m e â = 30^o. Calculem o trabalho W realizado pela pessoa ao arrastar o bloco de A até B.

Solução:

• W = F.d.cos(â)
• W = 200N.5,0m.cos(30)
• W = 200.5,0.0,50 J
• W = 500 J

               Peça aos alunos que resolva também os seguintes problemas:

          Suponha que a pessoa no exercício anterior gastou 30 segundos para arrastar o bloco de A até B, qual a potência que ele desenvolveu?

Solução:

• P = W/t, t é o intervalo de tempo.
• P = 500J/30s
• P = 26,7 watts

         Calculem a energia cinética de um objeto de 2,0 kg que se move com uma velocidade de 10 m/s.

Solução:

• E_c = (1/2)mv²
• E_c = (1/2).2,0.(10)² (Unidades no SI)
• E_c = 100 J

         Qual a energia potencial em relação ao piso, de um objeto de 2,0 kg, em um ponto a 3,0 m de altura? Faça a aceleração da gravidade igual a 10 m/s².

Solução:

• E_p = mgh
• E_p = 2,0.10.3,0  (Unidades no SI)
• E_p = 60 J

          Qual a energia potencial elástica armazenada em uma mola de constante elástica igual a 1000 N/m quando esticada de modo a sofrer uma elongação de 20 cm?

Solução:

• E_pe = (1/2)k.x²
• E_pe = (1/2).1000.(0,20)² (Unidades no SI)
• E_pe = 20 J

Atividade II

          O professor poderá fazer a montagem esquematizada na Figura 02 usando cerca de 2 metros de tubo fino de PVC,  20 mm ou ½ polegada. Corte o tubo longitudinalmente formando duas calhas, isto normalmente pode ser conseguido na própria loja onde se compra o tubo. Para curvar o PVC, após o corte, aqueça-o, de preferência mergulhando a calha em água quente, e enquanto aquecido force-o para que fique curvo. Prenda-o no ponto P com um torniquete de madeira, dois toquinhos de madeira, um de cada lado prensando a calha. Depois com auxílio de um suporte ou pedaço de madeira fixe pontos próximos às extremidades de modo que a calha fique semelhante ao esquema das figuras. Como são duas partes do PVC, o professor deverá fazer pelo menos duas montagens, mas se possível faça várias calhas. Além da calha, o professor vai precisar de uma esfera metálica ou uma bolinha de vidro e uma régua escolar, para cada grupo.

           Divida a turma em grupos menores para que todos participem da experiência e peça que façam o seguinte: abandone a esfera ou bolinha no ponto A, extremidade esquerda da calha na Figura 02 e marque o ponto de altura máxima que a esfera chega à outra extremidade da calha. Meça essas alturas com auxílio de uma régua, correspondentes a H e h, na figura.

          Repita o procedimento deixando a bolinha descer a partir do ponto C, correspondente à extremidade direita na Figura 03. Marque o ponto correspondente à altura máxima que a bolinha atingiu na outra extremidade, ponto D na figura. Meça as alturas correspondentes a H’ e h’ nessa figura. Esses valores estão em conformidade com os dados da experiência anterior?

Atividade III

          Distribua os alunos mantendo no máximo 4 alunos por grupo, peça que os grupos anotem os resultados obtidos do experimento realizado e forneça o seguinte contexto para  discussão:“em um sistema de forças conservativas a energia mecânica do sistema se conserva”.

          Supondo que haja apenas forças conservativas atuando na bolinha, determine a relação entre H e h.

Solução:

·        E_mA = E_mB

·        mgH = mgh, m = massa da bolinha.

·        H = h

   E entre H’ e h’?

Solução:

·        E_mA = E_mB

·        mgH’ = mgh’

·        H’ = h’

           Então responda com base nos dados obtidos: nesse experimento houve conservação da energia mecânica da bolinha? Houve perda de energia do sistema? Como podemos explicar?

Solução:

• Como h é menor que H, a energia mecânica final é menor que a inicial, portanto a energia mecânica não se conservou.
• Não houve perda de energia, o que ocorreu foi que parte da energia mecânica se transformou em energia térmica devido ao atrito.
• Durante o movimento a força de atrito atua em sentido contrário ao movimento transformando energia cinética em calor.

          Ao encerrar a aula sugerimos ao professor dividir a turma em 3 equipes. Sortear os itens abaixo, I, II e III, um item para cada equipe, e orientá-la para assistir o vídeo relativo ao seu item sorteado. . Por exemplo, sugira que faça uma pesquisa individual primeiro e depois reúnam para decidirem como fazer e apresentar o trabalho. 

          Cada equipe deverá preparar um experimento relacionado ao seu tema para apresentar posteriormente em outra aula, com a participação de toda turma, para discutir os procedimentos realizados.

          Cabe ao professor fazer uma advertência aos alunos para que, caso utilize alguma ferramenta cortante ou elétrica para preparar material, tenha o cuidado de segurança necessário para evitar acidente, pedindo a um profissional ou pessoa experiente para executar a tarefa.

I. Física entretenida - Conservación de la energía mecánica

http://www.youtube.com/watch?v=A3VtQ2QL01U&feature=related

II. Mago da Física - Colisões (Um Exemplo Didático e Lúdico)

http://www.youtube.com/watch?v=mrtMQ4MaLDQ

III. 

Os Curiosos – Trabalho e Potência 

            O professor poderá acessar as seguintes sugestões de aula sobre conceito de trabalho em Física, potência, rendimento e conservação da energia mecânica, que se encontra disponível na internet, no Portal do professor, cujos títulos e endereços se encontram abaixo:

Como se calcula o trabalho em Física?

http://portaldoprofessor.mec.gov.br/fichaTecnicaAula.html?aula=24940

Potência e Rendimento de um dispositivo mecânico

http://portaldoprofessor.mec.gov.br/fichaTecnicaAula.html?aula=27107

Conservação da Energia Mecânica

http://portaldoprofessor.mec.gov.br/fichaTecnicaAula.html?aula=27123

           Sugerimos também que o professor acesse a seguinte simulação que se encontra disponível na internet no Portal do professor com o título e endereços seguintes:

Trabalho, energia e potência Mecânica e sua conservação.

http://portaldoprofessor.mec.gov.br/fichaTecnica.html?id=30416

          O professor poderá fornecer atividades para a turma envolvendo transformação de energia mecânica em outras formas de energia, mas que se verifica a não perda de energia durante o evento, como no seguinte exercício.

          Considere na Figura 04, onde uma mola tem uma de suas extremidades fixa na base da rampa e a outra livre. Um carrinho de brinquedo é apoiado na extremidade livre da mola e forçado contra a mola de modo que o comprimento dela diminua de 10 cm (0,10 m). Em seguida o carrinho é abandonado no ponto A e impulsionado pela mola sobe até parar no ponto B. Sendo a constante elástica da mola         k = 200 N/m, a altura h = 0,30 m, a massa do carrinho M = 0,25 kg e g = 10 m/s², determine o trabalho exercido pelo atrito entre o carrinho e a rampa.

Solução:

           Pela conservação da energia, temos que:

• E_mA = E_mB + W_atr
• K.x²/2 = Mgh + W_atr
• 200.(0,10)²/2 = 0,25.10.0,30 + W_atr (Unidades no SI)
• 1,0 = 0,75 + W_atr
• W_atr = 0,25 J