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Pré-visualização | Página 18 de 50na vida real, um carrinho, após descer a rampa, subir novamente uma rampa de mesma altura? Explique. No ponto A, o carrinho possui energia potencial que será toda transformada em energia ciné- tica, se considerarmos uma montanha russa ideal, ou seja, sem forças dissipativas. É importante comentar com os(as) estudantes, que na vida real a força de atrito, durante todo o percurso, realizará um trabalho resistente, retirando a energia mecânica do sistema e trans- formando-a, por exemplo, em energia térmica. Assim, ao completar o movimento da primeira descida, a energia potencial gravitacional não se transformará totalmente em energia cinética. Ainda que ocorram as transformações de energia potencial em cinética e vice e versa, a soma não permanece constante. A energia mecânica associada ao carrinho vai se tornando cada vez menor, dessa forma, o carri- nho não terá energia suficiente para subir novamente uma rampa de mesma altura da qual ele par- tiu. Um sistema onde a energia mecânica não é conservada, chamamos de Sistema Dissipativo. Caso seja possível, seria interessante apresentar às(aos) estudantes alguns experimentos sim- ples, vídeos ou simuladores, que exemplificassem esses conceitos. Uma alternativa de expe- rimento simples é usar uma bolinha de tênis, soltá-la de uma determinada altura e identificar que após ela atingir o solo, ela não irá retornar à mesma altura que foi solta, de- vido à dissipação da energia mecânica presente no sistema. Caso prefira usar o simulador sugerimos “Energy Skate Park: noções básicas” que pode ser acessado pelo link https://phet.colorado.edu/en/simulation/energy-skate-park-basics. Acesso em: 19 ago. 2020. Ou pelo QR-Code: c) Utilizando uma planilha eletrônica (Excel) ou um simulador5 faça uma tabela ou um gráfico de barras, comparando a energia cinética e a energia potencial ao longo da descida do carrinho, até ele chegar ao solo; considere uma montanha russa ideal. Dados: Massa do carrinho: 600 kg Altura da montanha: 90 m Aceleração da gravidade: 10 m/s² Em = Ep + m . g. h = 600 .10. 90 = 540 000 J Quando o carrinho desce a montanha a energia potencial (540 000 J) será transformada em energia cinética ao longo do percurso, assim, podemos construir a seguinte tabela: Caso considere pertinente, você pode aproveitar o momento para introduzir o conceito de notação científica. 5 Disponível em: <https://phet.colorado.edu/pt_BR/simulation/energy-skate-park-basics>. Acesso em: 19 ago. 2020. CADERNO DO PROFESSOR – ENSINO MÉDIO58 VE RS ÃO PR EL IM IN AR Altura do carrinho ao descer a montanha (m) Energia Potencial (J) Variação da energia (J) 90 540000 (5,4x105) 0 80 480000 (4,8x105) 60000 (6x104) 70 420000 (4,2x105) 120000 (1,2x105) 60 360000 (3,6x105) 180000 (1,8x105) 50 300000 (3x105) 240000 (2,4x105) 40 240000 (2,4x105) 300000 (3x105) 30 180000 (1,8x105) 360000 (3,6x105) 20 120000 (1,2x105) 420000 (4,2x105) 10 60000 (6x104) 480000 (4,8x105) 0 0 540000 (5,4x105) A variação da energia potencial pode ser expressa pela fórmula algébrica: ∆Ep = 540 000 - 600 . 10 . h Onde h será substittuído pelos valores das alturas. FíSICA 59 VE RS ÃO PR EL IM IN AR 400000 300000 200000 100000 Altura do carrinho (m) Energia Potencial E ne rg ia (J ) Variação da energia 0 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 Elaborado pelos autores d) Suponhamos que o carrinho, no topo da montanha russa, esteja com a velocidade pratica- mente nula, qual a velocidade deste carrinho quando estiver a 70 m de altura? E quando che- gar ao solo? Temos que: EMA = EMB ECA = EPA = ECB = EPB Como o carrinho no topo da montanha russa está com velocidade praticamente nula, pode- mos considerar a energia cinética é nula e quando o carrinho está a uma altura de 70 m do solo, possui energia potencial e cinética. EPA = EC70 + EP70 Como estamos querendo a velocidade quando o carrinho estiver a 70 m, temos: m . g . h = m . v 2 2 600 . 10 . 90 = 600v 2 2 +600 . 10 . 70 540 000 = 300 v2 + 420 000 v = √400 = 20 m/s Os(as) estudantes também podem analisar a tabela obtida e verificar que a 70 m de altura a variação de energia foi de 120 000 J, assim temos: 120 000 = 600v 2 2 v = √400 = 20 m/s CADERNO DO PROFESSOR – ENSINO MÉDIO60 VE RS ÃO PR EL IM IN AR Ao chegar ao solo, toda energia potencial foi convertida em cinética, assim, temos: 540 000 = 600 v 2 2 v2 = √1800 ≅ 42 m/s e) Quais as transformações de energias que estão envolvidas no brinquedo montanha-russa? Professor(a), no item (a) os(as) estudantes foram convidados a responder quais transforma- ções de energia ocorre em uma montanha russa ideal. Retome com eles que se considerar- mos as forças dissipativas, a energia potencial é transformada em outros tipos de energia como a energia térmica, a energia luminosa etc.. MOMENTO 6 – PROJETO “PROJETANDO UMA MONTANHA RUSSA COM SEGURANÇA” 6.1 Você foi convidado a projetar uma montanha russa para um parque de diversões. Para tanto, considere os seguintes itens: a) Esquematize como sua montanha russa será projetada. b) Quais conceitos físicos seriam utilizados na construção da sua montanha russa? c) Algumas pesquisas na internet sobre parques de diversões apontam, que acidentes com os brinquedos, nesses locais, são mais comuns do que pensamos. Como o conhecimento sobre o coeficiente de atrito entre os materiais seriam úteis para a sua construção? Para ajudar no desenvolvimento do seu projeto: • Você pode treinar a montagem do seu projeto usando o Simulador que explora a relação entre energia cinética, potencial e energia total e escolher ou criar a sua própria montanha russa e observar o que ocorre com o movimento. Roller Coaster Model. Disponível em: <https://www.compadre.org/precollege/items/detail. cfm?ID=8228>. Acesso em: 12 ago 2020. • O vídeo no link abaixo mostra um passeio na montanha russa Sheikra que fica no parque de diversões Busch Gardens, em Tampa/Flórida. Disponível em: <https:// www.youtube.com/watch?v=mMEed3OdU3A>. Acesso em: 12 ago 2020. Professor(a), esta atividade tem por objetivo que os alunos projetem uma montanha russa com base em conhecimentos científicos e permite inserir os(as) estudantes de forma ativa, crítica, criativa, reflexiva e responsável no mundo contemporâneo. Para tanto, você pode organizar os grupos para desenvolverem o projeto e os alunos apresentarem como produto desse volume. Eles podem construir uma maquete ou apresentar o projeto em slide ou gravação de um vídeo. Essa atividade pode ser desenvolvida como atividade avaliativa processual ou recuperativa. É importante levar em consideração, na elaboração, os conceitos físicos que foram desenvolvi- dos ao longo deste volume. Assim, podem ser retomados, durante a explanação dos grupos, FíSICA 61 VE RS ÃO PR EL IM IN AR os conceitos de velocidade, aceleração, aceleração da gravidade, força, energia etc. Por segurança, ao projetar veículos de recreação e transporte, é preciso levar em considera- ção todos os conceitos de energia do movimento. Um projetista desse tipo de brinquedo não pode se concentrar em apenas um conceito, como impulso, e ignorar os efeitos do atrito, da energia mecânica ou do trabalho realizado durante o percurso do brinquedo. Além disso, é preciso ter um ótimo conhecimento de energia potencial, energia cinética, trabalho, potência, impulso, colisões, fricção e arrasto. Conhecer o coeficiente de atrito entre as rodas e a pista, determina a velocidade com que a montanha russa pode se deslocar, para as rodas não saírem da pista durante uma curva, como também para verificar a necessidade de se projetar inclinações nessas curvas. CADERNO DO PROFESSOR – ENSINO MÉDIO62 VE RS ÃO PR EL IM IN AR ATIVIDADES COMPLEMENTARES Professor(a), Esta seleção de atividades complementares, inclui questões dos principais vestibulares do país para auxiliar os(as) estudantes a revisar, aplicar e aprofundar os objetos de conhecimento por meio de habilidades e competências Quais conceitos físicos seriam utilizados na construção da montanha russa?O princípio que os engenheiros, junto com os físicos, usam para construir a montanha russa é o da conservação da energia mecânica. Fala que se não há forças dissipativas, a [do sistema se conserva.
Como é a física envolvida numa montanha russa?“Usando termos físicos, a gente diz que, no alto da montanha, o veículo acumula a chamada energia potencial que, durante a queda, se transforma em energia cinética – ou energia de movimento – pela ação da força gravitacional”, diz o físico Antônio de Pádua, consultor de parques de diversões.
Quais tipo de energias são utilizadas para a montanha russa funcionar como cada uma delas funciona?No ponto alto da montanha-russa, o veículo acumula energia potencial, que durante a queda se transforma em energia cinética, pela ação da força gravitacional.
Quais as transformações de energia estão envolvidas no brinquedo montanha russa?A energia cinética está relacionada ao movimento. A partir da primeira queda, a energia potencial é convertida em energia cinética. Nas descidas, os carrinhos ficam mais velozes, o que facilita concluir o ciclo da montanha-russa.
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Quais conceitos físicos seriam utilizados na construção da sua montanha russa?
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