Lista 2 · Dissipação, potência e eficiência
Vinte questões sobre para onde vai a energia, com que rapidez e quanto se aproveita

Uma bola de borracha é solta de certa altura e quica várias vezes no chão, subindo cada vez menos, até parar.

1. O que acontece com a energia mecânica da bola a cada quique?
2. Para onde vai a energia que falta?
3. Esse fenômeno contradiz a conservação da energia? Explique.

Um paraquedista, já com o paraquedas aberto, desce com velocidade constante.

1. O que acontece com a energia cinética dele durante a descida? E com a energia potencial gravitacional?
2. A energia mecânica se conserva? Justifique.
3. Que força é responsável pela diferença, e em que forma a energia termina?

Uma criança de 30 kg parte do repouso no alto de um escorregador de 3 m de altura e chega embaixo a 6 m/s, como mostra a figura.

1. Calcule a energia mecânica da criança no alto e embaixo, com o nível zero embaixo.
2. Calcule a energia dissipada na descida.
3. Sabendo que a pista do escorregador mede 6 m, calcule a força de atrito média.

Um bloco de 5 kg é lançado a 6 m/s sobre um piso horizontal. O coeficiente de atrito cinético entre o bloco e o piso é μ_c = 0,3.

1. Calcule a força de atrito sobre o bloco.
2. Calcule a energia cinética inicial.
3. Use o trabalho do atrito para calcular a distância que o bloco percorre até parar.
4. Quanta energia térmica foi produzida?

Um carrinho de montanha-russa de 300 kg parte do repouso a 20 m de altura e passa pelo ponto mais baixo da pista, no nível do chão, a 18 m/s.

1. Com que velocidade ele passaria nesse ponto se não houvesse atrito?
2. Calcule a energia dissipada até o ponto mais baixo.
3. Que porcentagem da energia mecânica inicial foi dissipada?

Uma bola de 0,5 kg é solta de 2 m de altura. Depois do primeiro quique, ela sobe só até 1,5 m, como mostra a figura. Despreze a resistência do ar.

1. Calcule a energia dissipada no primeiro quique.
2. Que fração da energia mecânica foi perdida?
3. Supondo que em cada quique se perca a mesma fração, a que altura a bola sobe depois do terceiro quique?

Dois carros de mesma massa partem do repouso e chegam a 100 km/h, um em 8 s e o outro em 12 s.

1. Compare as energias cinéticas dos dois carros ao atingir 100 km/h.
2. Qual motor entregou mais potência às rodas? Justifique.
3. Se a potência do primeiro motor fosse constante, em quanto tempo ele levaria o carro de 0 a 50 km/h? Pense em quanto vale a energia cinética a 50 km/h.

Um elevador, somando cabine e passageiros, tem 800 kg. Ele sobe 30 m em 20 s, com velocidade constante. Despreze o atrito e considere que não há contrapeso.

1. Calcule o trabalho realizado pelo motor.
2. Calcule a potência útil do motor, em watts e em cavalos-vapor (1 cv = 735,5 W).

Uma bomba eleva 1200 litros de água (1200 kg) de um poço até uma caixa 10 m acima, em 2 minutos.

1. Calcule a energia transferida à água.
2. Calcule a potência útil da bomba.
3. Uma bomba com o dobro da potência faria o mesmo serviço em quanto tempo?

Um ciclista pedala numa estrada plana a 10 m/s, constantes. A soma da resistência do ar com o atrito de rolamento vale 25 N.

1. Calcule a potência que o ciclista precisa desenvolver.
2. A 15 m/s, a resistência passa a 56 N. Calcule a nova potência.
3. A velocidade aumentou 50%. Por que a potência aumentou bem mais que isso?

Na escalada de velocidade, uma atleta de 48 kg sobe uma parede de 15 m em 6,1 s.

1. Calcule o aumento da energia potencial gravitacional da atleta.
2. Calcule a potência mecânica média desenvolvida por ela, em watts e em cavalos-vapor.
3. Durante a escalada, o trabalho realizado pelo peso da atleta é positivo ou negativo? Quanto vale?

Numa casa, o uso médio diário de alguns aparelhos é o seguinte: chuveiro de 5500 W, ligado 40 min; televisor de 100 W, ligado 4 h; quatro lâmpadas LED de 9 W, acesas 6 h; e a geladeira, que consome em média 1,2 kWh por dia. Considere um mês de 30 dias e a tarifa de R$ 0,90 por kWh.

1. Calcule o consumo mensal de cada aparelho, em kWh.
2. Calcule o consumo total e o valor da conta.
3. Qual aparelho deveria ser o primeiro alvo de quem quer economizar? Justifique com números.

Uma escola troca 10 lâmpadas incandescentes de 60 W por 10 lâmpadas LED de 9 W, que iluminam tanto quanto. As lâmpadas ficam acesas 5 h por dia.

1. Calcule a economia de energia num mês de 30 dias, em kWh.
2. Calcule a economia em reais, com tarifa de R$ 0,90 por kWh.
3. Explique, em termos de eficiência, por que a LED gasta tão menos energia para iluminar o mesmo.

O medidor digital de uma casa marcava 4572 kWh no dia 1º e 4788 kWh no dia 31, trinta dias depois.

1. Calcule o consumo nesse período.
2. Calcule a potência média da casa ao longo dos 30 dias, em watts. Lembre que 30 dias são 720 h.

Use 1 kWh = 3,6 · 10⁶ J.

1. Mostre de onde vem essa conversão, partindo de 1 kW e de 1 h.
2. A bateria de um celular armazena cerca de 15 Wh. Quanto é isso em joules?
3. Quantas cargas completas desse celular cabem em 1 kWh?

Um anúncio diz que um motor tem “eficiência de 120%”.

1. Explique por que isso é impossível.
2. Num motor real, a eficiência é sempre menor que 100%. Para onde vai a energia que não vira trabalho útil?
3. Por que motores e aparelhos elétricos costumam esquentar quando estão funcionando?

Um motor elétrico de eficiência 80% recebe 1500 W da rede.

1. Calcule a potência útil e a potência dissipada.
2. O motor ergue uma carga de 60 kg com velocidade constante. Calcule essa velocidade.
3. Quanta energia o motor dissipa em 10 minutos?

O motor de um elevador com contrapeso só precisa equilibrar o peso dos passageiros. Um passageiro de 90 kg sobe sozinho, a 2 m/s constantes. O rendimento do motor é de 60%.

1. Calcule a potência útil do motor, usando P = F · v.
2. Calcule a potência que o motor consome da rede.
3. Calcule a potência dissipada.

A energia de um combustível passa por três etapas até virar trabalho útil num motor elétrico, com as eficiências da figura.

1. Calcule a eficiência do processo inteiro.
2. Se a usina térmica fosse trocada por uma hidrelétrica, de eficiência 90%, qual seria a nova eficiência total?
3. Qual das três etapas, melhorada, mais aumentaria a eficiência total? Justifique.

Uma das turbinas de uma grande hidrelétrica recebe 700 m³ de água por segundo, que descem 120 m desde a represa. A turbina produz 630 MW de potência elétrica. A densidade da água é 1000 kg/m³.

1. Calcule a massa de água que passa pela turbina a cada segundo.
2. Calcule a energia potencial gravitacional que essa água perde a cada segundo, que é a potência disponível.
3. Calcule o rendimento da turbina.
4. Uma casa consome em média 300 W. Quantas casas essa turbina abastece?