Como Força, Potência, Torque e Energia funcionam

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Força, potência, torque e energia - o que essas palavras realmente significam e são intercambiáveis? © istockphoto.com / AndrewJohnson

Se você leu muitos artigos, viu muita terminologia usada - palavras como massa, força, torque, trabalhos, poder e energia. O que essas palavras realmente significam e são intercambiáveis?

Neste artigo, vamos ajudar a reunir toda essa terminologia, dar alguns exemplos de quando cada uma é usada e até mesmo tentar alguns cálculos ao longo do caminho para pegar o jeito.

Ao longo deste artigo, iremos nos referir a diferentes tipos de unidades. Na maior parte do mundo, o Sistema Internacional de Unidades (SI - do francês Le Système International d'Unités), também conhecido como o sistema métrico, é aceito como o conjunto padrão de unidades. Este sistema contém a maioria das unidades métricas com as quais você está acostumado, como metros e quilogramas, mas também inclui unidades para muitas outras propriedades físicas e de engenharia. Até mesmo os Estados Unidos adotaram oficialmente o sistema SI de unidades, mas Unidades de Engenharia Inglesa (como libras e pés) ainda são de uso diário. Antes de começarmos a explicar esses termos, precisamos começar com alguns princípios básicos. Começaremos com massa e trabalharemos nosso caminho até a energia.

Geralmente, massa é definido como a medida de quanta matéria um objeto ou corpo contém -- o número total de partículas subatômicas (elétrons, prótons e nêutrons) no objeto. Se você multiplicar sua massa pela força da gravidade da Terra, obterá seu peso. Então, se o seu peso corporal está flutuando, por causa da alimentação ou exercício, é na verdade o número de átomos que está mudando.

É importante entender que a massa independe de sua posição no espaço. A massa do seu corpo na Lua é igual à massa na Terra, porque o número de átomos é o mesmo. A atração gravitacional da Terra, por outro lado, diminui à medida que você se afasta da Terra. Portanto, você pode perder peso alterando sua elevação, mas sua massa permanece a mesma. Você também pode perder peso vivendo na lua, mas, novamente, sua massa é a mesma.

A massa é importante para calcular a rapidez com que as coisas aceleram quando aplicamos uma força a elas. O que determina a velocidade com que um carro pode acelerar? Você provavelmente sabe que seu carro acelera mais devagar se tiver cinco adultos do que se tiver apenas um. Exploraremos essa relação entre massa, força e aceleração com um pouco mais de detalhes depois de falarmos sobre força.

Unidades Comuns de missa

SI:

Gram (g)

   1 g = 0,001 kg

Quilograma (kg)

   1 kg = 2,2 lbm

1 kg = 0,0685 pacote

Inglês:

Massa em libra (lbm)

   1 lbm = 0,4536 kg

Lesma (lesma)

   1 pacote = 14,5939 kg

Um tipo de força que todos estão familiarizados é o peso. Esta é a quantidade de força que a Terra exerce sobre você. Existem duas coisas interessantes sobre esta força:

  • Isso o puxa para baixo, ou, mais exatamente, em direção ao centro da Terra.
  • É proporcional à sua massa. Se você tem mais massa, a Terra exerce uma força maior sobre você.

Quando você pisa em uma balança de banheiro, você exerce uma força na balança. A força que você aplica à escala comprime uma mola, que move a agulha. Ao lançar uma bola de beisebol, você aplica uma força à bola, o que a torna mais rápida. O motor de um avião cria uma força que empurra o avião no ar. Os pneus de um carro exercem uma força no solo, que empurra o carro.

Forçar causas aceleração. Se você aplicar uma força a um carrinho de brinquedo (por exemplo, empurrando-o com a mão), ele começará a se mover. Isso pode parecer simples, mas é um fato muito importante. O movimento do carro é governado por Segunda Lei de Isaac Newton, que forma a base para a mecânica clássica. A Segunda Lei de Newton afirma que o a aceleração (a) de um objeto é diretamente proporcional à força (F) aplicada e inversamente proporcional à massa do objeto (m). Ou seja, quanto mais força você aplica a um objeto, maior a taxa de aceleração; e quanto mais massa o objeto tem, menor é a taxa de aceleração. A Segunda Lei de Newton é geralmente resumida na forma de equação:

a = F / m ou F = ma

Para homenagear a conquista de Newton, a unidade padrão de força no sistema SI foi chamada de Newton. Um newton (N) de força é suficiente para acelerar 1 quilograma (kg) de massa a uma taxa de 1 metro por segundo ao quadrado (m / s2) Na verdade, é assim que força e massa são definidas. UMA quilograma é a quantidade de peso em que 1 N de força irá acelerar a uma taxa de 1 m / s2. Em unidades inglesas, um lesma é a quantidade de massa que 1 libra de força irá acelerar a 1 pé / s2, e um libra massa é a quantidade de massa que 1 lb de força irá acelerar a 32 pés / s2.

A Terra exerce força suficiente para acelerar objetos que caem a uma taxa de 9,8 m / s2, ou 32 pés / s2. Esta força gravitacional é muitas vezes referida como g nas equações. Se você derrubar algo de um penhasco, a cada segundo de queda, a velocidade será de 9,8 m / s. Portanto, se cair por cinco segundos, atingirá a velocidade de 49 m / s. Esta é uma taxa de aceleração muito rápida. Se um carro acelerasse tão rapidamente, chegaria a 60 milhas por hora (97 km / h) em menos de três segundos!

Unidades Comuns de força

SI:

newton (N)

   1 N = 0,225 lb

Inglês:

Libra (lb)

   1 lb = 4,448 N

Normalmente, quando falamos sobre força, há mais de uma força envolvida e essas forças são aplicadas em diferentes direções. Vejamos o diagrama de um carro. Quando o carro está parado, a gravidade exerce uma força descendente sobre o carro (essa força atua em qualquer lugar no carro, mas para simplificar, podemos desenhar a força no centro de massa do carro). Mas o solo exerce uma força ascendente igual e oposta sobre os pneus, então o carro não se move.

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Figura 1. Animação de forças em um carro

Quando o carro começa a acelerar, algumas novas forças entram em ação. As rodas traseiras exercem uma força contra o solo na direção horizontal; isso faz o carro começar a acelerar. Quando o carro está se movendo lentamente, quase toda a força é usada para acelerar o carro. O carro resiste a essa aceleração com um força isso é igual ao seu massa multiplicado por seu aceleração. Você pode ver em figura 1 como a flecha de força começa grande porque o carro acelera rapidamente no início. À medida que começa a se mover, o ar exerce uma força contra o carro, que fica maior à medida que o carro ganha velocidade. Essa força de arrasto aerodinâmica atua na direção oposta à força dos pneus, que está impulsionando o carro, então subtrai dessa força, deixando menos força disponível para a aceleração.

Eventualmente, o carro atingirá sua velocidade máxima, o ponto em que não pode mais acelerar. Neste ponto, a força motriz é igual ao arrasto aerodinâmico, e nenhuma força sobra para acelerar o carro.

Torque é um força que tende a girar ou girar as coisas. Você gera um torque sempre que aplica uma força usando uma chave inglesa. Apertar as porcas das rodas é um bom exemplo. Ao usar uma chave inglesa, você aplica uma força ao cabo. Esta força cria um torque na porca da roda, que tende a girar a porca da roda.

As unidades inglesas de torque são libras-polegadas ou libras-pés; a unidade SI é o Newton-metro. Observe que as unidades de torque contêm uma distância e uma força. Para calcular o torque, basta multiplicar a força pela distância do centro. No caso das porcas de roda, se a chave tiver 30 centímetros de comprimento e você aplicar 200 libras de força nela, estará gerando 200 libras-pés de torque. Se você usar uma chave de 2 pés, você só precisa colocar 100 libras de força nela para gerar o mesmo torque.

O motor de um carro cria torque e o usa para girar o virabrequim. Esse torque é criado exatamente da mesma maneira: uma força é aplicada à distância. Vamos dar uma olhada em algumas das peças do motor:

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Figura 2. Como o torque é gerado em um cilindro de um motor de quatro tempos

A combustão do gás no cilindro cria pressão contra o pistão. Essa pressão cria uma força no pistão, que o empurra para baixo. A força é transmitida do pistão para a biela e da biela para o virabrequim. No Figura 2, observe que o ponto onde a biela se conecta ao eixo da manivela está a alguma distância do centro do eixo. A distância horizontal muda conforme o virabrequim gira, então o torque também muda, uma vez que torque é igual a força multiplicado por distância.

Você pode estar se perguntando por que apenas a distância horizontal é importante para determinar o torque neste motor. Você pode ver na Figura 2 que quando o pistão está no topo de seu curso, a biela aponta diretamente para o centro do virabrequim. Nenhum torque é gerado nesta posição, pois apenas a força que atua na alavanca em uma direção perpendicular à alavanca gera um torque.

Se você já tentou afrouxar as porcas de roda realmente apertadas em seu carro, você sabe que uma boa maneira de fazer muito torque é posicionar a chave de forma que ela fique na horizontal e, em seguida, ficar na extremidade da chave - desta forma você está aplicando todo o seu peso a uma distância igual ao comprimento da chave. Se você posicionasse a chave inglesa com a alça apontando para cima e, em seguida, ficasse no topo da alça (presumindo que você pudesse manter o equilíbrio), não teria chance de afrouxar a porca da roda. Você também pode ficar diretamente na porca de roda.

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Figura 3. Um teste de dinamômetro simulado de dois motores diferentes

Clique aqui para a versão grande.

Figura 3 mostra o torque máximo e a potência gerada por dois motores diferentes. Um dos motores é um motor turboalimentado Caterpillar C-12 de caminhão a diesel. Este motor pesa cerca de 2.000 libras e tem um deslocamento de 732 polegadas cúbicas (12 litros). O outro motor é um motor Ford Mustang Cobra altamente modificado, com um deslocamento de 280 polegadas cúbicas (4,6 litros); ele tem um supercharger adicionado e pesa cerca de 400 libras. Ambos produzem um máximo de cerca de 430 cavalos (HP), mas apenas um desses motores é adequado para puxar um caminhão pesado. O motivo está parcialmente na curva de potência / torque mostrada acima.

Quando a animação pausa, você pode ver que o motor Caterpillar produz 1.650 lb-ft de torque a 1.200 rpm, o que é 377 cv. A 5.600 rpm, o motor do Mustang também produz 377 cv, mas apenas 354 lb-pés de torque. Se você leu o artigo sobre relações de marcha, pode estar pensando em uma maneira de ajudar o motor Mustang a produzir os mesmos 1.650 lb-pés de torque. Se você colocar uma redução de marcha de 4,66: 1 no motor Mustang, a velocidade de saída será (5.600 / 4,66 rpm) 1.200 rpm, e o torque será (4,66 * 354 lb-ft) 1.650 lb-ft - exatamente o igual ao grande motor Caterpillar.

Agora você deve estar se perguntando, por que os grandes caminhões não usam pequenos motores a gás em vez de grandes motores a diesel? No cenário acima, o grande motor Caterpillar está vadiando a 1.200 rpm, bem lento, produzindo 377 cavalos de potência. Enquanto isso, o pequeno motor a gasolina está gritando a 5.600 rpm. O pequeno motor a gasolina não vai durar muito nessa velocidade e potência. O motor do grande caminhão é projetado para durar anos e dirigir centenas de milhares de quilômetros a cada ano que dura.

Unidades Comuns de Torque

SI:

Metro Newton (Nm)

   1 Nm = 0,737 lb-ft

Inglês:

Libra-polegada (lb-in)

   1 lb-in = 0,113 Nm

Libra-pé (lb-pés)

   1 lb-ft = 1,356 Nm

o trabalhos estamos falando aqui é trabalho no sentido da física. Não é o trabalho doméstico, ou tarefas domésticas, ou o seu emprego ou qualquer outro tipo de trabalho. É um bom e velho trabalho mecânico.

Trabalho é simplesmente o aplicação de uma força à distância, com uma pegada - a distância só conta se for na direção da força aplicada. Levantar um peso do chão e colocá-lo em uma prateleira é um bom exemplo de trabalho. A força é igual ao peso do objeto e a distância é igual à altura da prateleira. Se o peso estivesse em outra sala e você tivesse que pegá-lo e atravessá-la antes de colocá-lo na prateleira, não trabalharia mais do que se o peso estivesse pousado no chão diretamente abaixo da prateleira. Pode parecer que você trabalhou mais, mas enquanto caminhava com o peso, você se movia horizontalmente, enquanto a força do peso era vertical.

Seu carro também funciona. Quando está em movimento, tem que aplicar uma força para conter as forças de atrito e arrasto aerodinâmico. Se subir uma colina, fará o mesmo tipo de trabalho que você faz ao levantar um peso. Quando desce a colina, entretanto, ele retoma o trabalho que fez. A colina ajuda o carro a descer.

Trabalho é energia que foi usada. Quando você trabalha, você usa energia. Mas às vezes a energia que você usa pode ser recuperada. Quando o carro sobe a colina, o trabalho que faz para chegar ao topo o ajuda a descer. Trabalho e energia estão intimamente relacionados. As unidades de trabalho são as mesmas que as unidades de energia, que discutiremos mais tarde.

O poder é uma medida de quão rapidamente o trabalho pode ser feito. Usando uma alavanca, você pode ser capaz de gerar 200 ft-lb de torque. Mas você poderia girar essa alavanca 3.000 vezes por minuto? Isso é exatamente o que o motor do seu carro faz.

A unidade SI para potência é o watt. Um watt se divide em outras unidades das quais já falamos. Um watt é igual a 1 Newton-metro por segundo (Nm / s). Você pode multiplicar a quantidade de torque em Newton-metros pela velocidade de rotação para encontrar a potência em watts. Outra maneira de ver a potência é como uma unidade de velocidade (m / s) combinada com uma unidade de força (N). Se você estivesse empurrando algo com uma força de 1 N e ele se movesse a uma velocidade de 1 m / s, sua potência de saída seria de 1 watt.

Uma maneira interessante de descobrir quanta energia você pode produzir é ver com que rapidez você pode subir um lance de escadas correndo.

  1. Meça a altura de um lance de escadas que leva você até três andares.
  2. Cronometre enquanto sobe as escadas o mais rápido possível.
  3. Divida a altura das escadas pelo tempo que você levou para subi-las. Isso lhe dará sua velocidade.

Por exemplo, se você levou 15 segundos para correr 10 metros, então sua velocidade foi de 0,66 m / s (apenas sua velocidade na direção vertical é importante). Agora você precisa descobrir quanta força você exerceu ao longo desses 10 metros e, como a única coisa que você puxou escada acima foi você mesmo, essa força é igual ao seu peso. Para obter a quantidade de potência que você produz, multiplique seu peso pela sua velocidade.

Potência (W) = (altura das escadas (m) / Tempo para subir (s)) * peso (N)

Potência (hp) = [(altura das escadas (ft) / Tempo para subir (s)) * peso (lb)] / 550

Unidades Comuns de poder

SI:

Watts (W)

   1000 W = 1 kW

Quilowatt (kW)

   1 kW = 1,341 cv

Inglês

Potência (hp)

   1 hp = 0,746 kW

Energia é o capítulo final de nossa saga de terminologia. Precisaremos de tudo que aprendemos até este ponto para explicar a energia.

Se a força é como a força de um levantador de peso, a energia é como sua resistência. Energia é um medida de quanto tempo podemos sustentar a produção de energia, ou quanto trabalho podemos fazer. Potência é a taxa com que fazemos o trabalho. Uma unidade comum de energia é o quilowatt-hora (kWh). Você aprendeu na última seção que um kW é uma unidade de potência. Se estivermos usando um kW de potência, um kWh de energia durará uma hora. Se usarmos 10 kW de potência, usaremos o kWh em apenas seis minutos.

Existem dois tipos de energia: potencial e cinética.

Energia potencial

Energia potencial é esperando para ser convertido em poder. Gasolina em um tanque de combustível, comida em seu estômago, uma mola comprimida e um peso pendurado em uma árvore são exemplos de energia potencial.

O corpo humano é um tipo de dispositivo de conversão de energia. Ele converte comida em energia, que pode ser usada para fazer trabalho. O motor de um carro converte gasolina em energia, que também pode ser usada para trabalhar. Um relógio de pêndulo é um dispositivo que usa a energia armazenada em pesos pendurados para fazer o trabalho.

Quando você levanta um objeto mais alto, ele ganha energia potencial. Quanto mais alto você o levanta, e quanto mais pesado ele é, mais energia ele ganha. Por exemplo, se você levantar uma bola de boliche 1 polegada e deixá-la cair no teto do seu carro, ela não causará muitos danos (por favor, não tente fazer isso). Mas se você levantar a bola a 30 metros e largá-la no carro, ela fará uma grande depressão no teto. A mesma bola lançada de uma altura maior tem muito mais energia. Então, ao aumentar a altura de um objeto, você aumenta sua energia potencial.

Vamos voltar ao nosso experimento em que subimos as escadas correndo e descobrimos quanta energia usamos. Há outra maneira de ver como calculamos nossa força: calculamos quanta energia potencial nosso corpo ganhou quando o elevamos a uma certa altura. Essa quantidade de energia foi o trabalho que fizemos subindo as escadas correndo (força * distância, ou nosso peso * a altura da escada). Em seguida, calculamos quanto tempo levou para fazer esse trabalho e foi assim que descobrimos a energia. Lembre-se de que a potência é a taxa na qual trabalhamos.

A fórmula para calcular a energia potencial (PE) que você ganha quando aumenta sua altura é:

PE = Força * Distância

Nesse caso, a força é igual ao seu peso, que é a sua massa (m) * a aceleração da gravidade (g), e a distância é igual à sua alteração de altura (h). Portanto, a fórmula pode ser escrita:

PE = mgh

Unidades Comuns de energia

SI:

Metro Newton (Nm)

   1 Nm = 1 J

Joule (J)

   1 J = 0,239 cal

Caloria (cal)

   1 cal = 4,184 J

Watt-hora (Wh)

   1 Wh = 3.600 J

Quilowatt-hora (kWh)

   1 kWh = 1.000 Wh

   1 kWh = 3.600.000 J

1 kWh = 3.412 BTU

Inglês:

Pé - libra (ft lb)

   1 ft lb = 1,356 Nm

Unidade Térmica Britânica (BTU)

   1 BTU = 1.055 J

   1 BTU = 0,0002931 kWh

Energia cinética é energia de movimento. Objetos em movimento, como uma montanha-russa, têm energia cinética (ECE). Se um carro bater em uma parede a 5 mph, isso não deve causar muitos danos ao carro. Mas se bater na parede a 40 mph, o carro provavelmente será destruído.

A energia cinética é semelhante à energia potencial. Quanto mais o objeto pesa e quanto mais rápido se move, mais energia cinética ele possui. A fórmula para KE é:

KE = 1/2 * m * v2

Onde m é a missa e v é a velocidade.

Uma das coisas interessantes sobre a energia cinética é que ela aumenta com o quadrado da velocidade. Isso significa que se um carro estiver duas vezes mais rápido, ele terá quatro vezes mais energia. Você deve ter notado que seu carro acelera muito mais rápido de 0 mph a 20 mph do que de 40 mph a 60 mph. Vamos comparar quanta energia cinética é necessária em cada uma dessas velocidades. À primeira vista, você pode dizer que, em cada caso, o carro está aumentando sua velocidade em 20 mph e, portanto, a energia necessária para cada aumento deve ser a mesma. Mas não é assim.

Podemos calcular a energia cinética necessária para ir de 0 mph a 20 mph, calculando a KE a 20 mph e, em seguida, subtraindo a KE a 0 mph desse número. Nesse caso, seria 1/2 * m * 202 - 1/2 * m * 02. Como a segunda parte da equação é 0, o KE = 1/2 * m * 202, ou 200 m. Para o carro indo de 40 mph a 60 mph, a KE = 1/2 * m * 602 - 1/2 * m * 402; então KE = 1.800 m - 800 m, ou 1000 m. Comparando os dois resultados, podemos ver que leva um KE de 1.000 m para ir de 40 mph a 60 mph, enquanto leva apenas 200 m para ir de 0 mph a 20 mph.

Existem muitos outros fatores envolvidos na determinação da aceleração de um carro, como o arrasto aerodinâmico, que também aumenta com o quadrado da velocidade. As relações de transmissão determinam quanto da potência do motor está disponível em uma determinada velocidade, e a tração às vezes é um fator limitante. Portanto, é muito mais complicado do que apenas fazer um cálculo de energia cinética, mas esse cálculo ajuda a explicar a diferença nos tempos de aceleração.

Agora que sabemos sobre a energia potencial e a energia cinética, podemos fazer alguns cálculos interessantes. Vamos descobrir a que altura um saltador com vara poderia pular se tivesse uma técnica perfeita. Primeiro, descobriremos sua KE, e então calcularemos o quão alto ele poderia saltar se usasse toda aquela KE para aumentar sua altura (e, portanto, seu PE), sem desperdiçá-la. Se ele converteu todo o seu KE em PE, então podemos resolver a equação definindo-os iguais uns aos outros:

1/2 * m * v2 = m * g * h

Como a massa está em ambos os lados da equação, podemos eliminar esse termo. Isso faz sentido porque ambos KE e PE aumentam com o aumento da massa, portanto, se o corredor for mais pesado, seu PE e KE aumentam. Então, vamos eliminar o termo de massa e reorganizar um pouco as coisas para resolver para h:

1/2 * v2 / g = h

Digamos que nosso salto com vara possa correr tão rápido quanto qualquer pessoa no mundo. No momento, o recorde mundial de corrida de 100 m é de pouco menos de 10 segundos. Isso dá uma velocidade de 10 m / s. Também sabemos que a aceleração da gravidade é de 9,8 m / s2. Agora podemos resolver para a altura:

1/2 * 102 / 9,8 = 5,1 metros

Portanto, 5,1 metros é a altura que um salto com vara poderia aumentar seu centro de massa se convertesse toda a EC em PE. Mas seu centro de massa não está no solo; está no meio de seu corpo, a cerca de 1 metro do chão. Portanto, a melhor altura que um salto com vara pode atingir é, na verdade, cerca de 6,1 metros, ou 20 pés. Ele pode ser capaz de ganhar um pouco mais de altura usando técnicas especiais, como empurrar do topo do mastro ou conseguir um salto muito bom antes da decolagem.

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Figura 4. Animação de salto com vara

No Figura 4 você pode ver como a energia do saltador com vara muda à medida que ele salta. Quando ele começa, seu potencial e energia cinética são zero. Conforme ele começa a correr, ele aumenta sua energia cinética. Então, quando ele planta o mastro e começa seu salto, ele troca sua energia cinética por energia potencial. À medida que a haste se curva, ela absorve grande parte de sua energia cinética, como se estivesse comprimindo uma mola. Ele então usa a energia potencial armazenada no poste para elevar seu corpo acima da barra. No topo de seu cofre, ele converteu a maior parte de sua energia cinética em energia potencial.

Nosso cálculo se compara muito bem com o recorde mundial atual de 6,15 metros, estabelecido por Sergey Bubka em 1993.

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