Skip to main content
Global

7.5: Potência

  • Page ID
    185321
  • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

    Objetivos de

    • Relacione o trabalho realizado durante um intervalo de tempo com a energia fornecida
    • Encontre o poder gasto por uma força atuando em um corpo em movimento

    O conceito de trabalho envolve força e deslocamento; o teorema trabalho-energia relaciona o trabalho em rede realizado em um corpo com a diferença em sua energia cinética, calculada entre dois pontos em sua trajetória. Nenhuma dessas quantidades ou relações envolve tempo explicitamente, mas sabemos que o tempo disponível para realizar uma determinada quantidade de trabalho é frequentemente tão importante para nós quanto a quantidade em si. Na figura de abertura do capítulo, vários velocistas podem ter alcançado a mesma velocidade no final e, portanto, fizeram a mesma quantidade de trabalho, mas o vencedor da corrida fez isso no menor tempo possível.

    Expressamos a relação entre o trabalho realizado e o intervalo de tempo envolvido em fazê-lo, introduzindo o conceito de poder. Como o trabalho pode variar em função do tempo, primeiro definimos a potência média como o trabalho realizado durante um intervalo de tempo, dividido pelo intervalo,

    \[P_{ave} = \frac{\Delta W}{\Delta t} \ldotp \label{7.10}\]

    Em seguida, podemos definir a potência instantânea (frequentemente chamada apenas de potência pura).

    Definição: Potência

    A potência é definida como a taxa de trabalho, ou o limite da potência média para intervalos de tempo próximos de zero,

    \[P = \frac{dW}{dt} \ldotp \label{7.11}\]

    Se a potência for constante em um intervalo de tempo, a potência média desse intervalo é igual à potência instantânea, e o trabalho realizado pelo agente que fornece a energia é

    \[W = P \Delta t.\]

    Se a potência durante um intervalo variar com o tempo (ou seja,\(P(t)\)), então o trabalho realizado é a integral de tempo da potência,

    \[W = \int P (t) dt \ldotp\]

    O teorema trabalho-energia relaciona como o trabalho pode ser transformado em energia cinética. Como também existem outras formas de energia, como discutiremos no próximo capítulo, também podemos definir potência como a taxa de transferência de energia. O trabalho e a energia são medidos em unidades de joules, então a potência é medida em unidades de joules por segundo, que recebeu o nome SI watts, abreviatura W: 1 J/s = 1 W. Outra unidade comum para expressar a capacidade de potência de dispositivos comuns é a potência: 1 hp = 746 W.

    Exemplo\(\PageIndex{1}\): Pull-Up Power

    Um estagiário do exército de 80 kg faz flexões em uma barra horizontal (Figura\(\PageIndex{1}\)). O estagiário leva 0,8 segundos para levantar o corpo de uma posição mais baixa até onde o queixo está acima da barra. Quanta força os músculos do aluno fornecem movendo seu corpo da posição inferior para onde o queixo está acima da barra? (Dica: faça estimativas razoáveis para todas as quantidades necessárias.)

    A figura é uma ilustração de uma pessoa fazendo uma flexão. A pessoa se move a uma distância vertical de Delta y durante o puxão para cima. Uma força descendente de m vezes o vetor g é mostrada atuando na pessoa nas posições superior e inferior da tração para cima.
    Figura\(\PageIndex{1}\): Qual é a potência gasta em fazer dez flexões em dez segundos?

    Estratégia

    O trabalho realizado contra a gravidade, subindo ou descendo uma distância\(\Delta\) y, é mg\(\Delta\) y. Vamos supor que\(\Delta\) y = 2 pés ≈ 60 cm. Além disso, suponha que os braços compreendam 10% da massa corporal e não estejam incluídos na massa em movimento. Com essas suposições, podemos calcular o trabalho realizado.

    Solução

    O resultado que obtemos, aplicando nossas suposições, é

    \[P=\frac{\operatorname{mg}(\Delta y)}{t}=\frac{0.9(80 \: \mathrm{kg})\left(9.8 \: \mathrm{m} / \mathrm{s}^{2}\right)(0.60 \: \mathrm{m})}{0.8 \: \mathrm{s}}=529 \: \mathrm{W}\]

    Significância

    Isso é típico do gasto de energia em exercícios extenuantes; em unidades diárias, é um pouco mais do que um cavalo de potência (1 hp = 746 W).

    Exercício\(\PageIndex{1}\)

    Estime a potência gasta por um levantador de peso levantando uma barra de 150 kg de 2 m em 3 s.

    Responda

    Adicione textos aqui. Não exclua esse texto primeiro.

    O poder envolvido na movimentação de um corpo também pode ser expresso em termos das forças que atuam sobre ele. Se uma força\(\vec{F}\) atua em um corpo que é deslocado d\(\vec{r}\) em um tempo dt, a potência gasta pela força é

    \[P = \frac{dW}{dt} = \frac{\vec{F}\; \cdotp d \vec{r}}{dt} = \vec{F}\; \cdotp \left(\dfrac{d \vec{r}}{dt}\right) = \vec{F}\; \cdotp \vec{v}, \label{7.12}\]

    onde\(\vec{v}\) está a velocidade do corpo. O fato de existirem os limites implícitos nas derivadas, para o movimento de um corpo real, justifica o rearranjo dos infinitesimais.

    Exemplo\(\PageIndex{2}\): Automotive Power Driving Uphill

    Quanta potência um motor de automóvel deve gastar para mover um carro de 1200 kg até um nível de 15% a 90 km/h (Figura\(\PageIndex{2}\))? Suponha que 25% dessa potência seja dissipada superando a resistência e o atrito do ar.

    Um automóvel é mostrado subindo ao longo de uma inclinação de 15% a uma velocidade de v = 90 quilômetros por hora. O carro tem massa m = 1200 kg.
    Figura\(\PageIndex{2}\): Queremos calcular a potência necessária para mover um carro até uma colina em velocidade constante.

    Estratégia

    Em velocidade constante, não há mudança na energia cinética, então o trabalho em rede feito para mover o carro é zero. Portanto, a potência fornecida pelo motor para mover o carro é igual à potência gasta contra a gravidade e a resistência do ar. Por suposição, 75% da energia é fornecida contra a gravidade, o que é igual a m\(\vec{g}\; \cdotp \vec{v}\) = mgv sin\(\theta\), onde\(\theta\) é o ângulo da inclinação. Uma nota de 15% significa tan\(\theta\) = 0,15. Esse raciocínio nos permite resolver a potência necessária.

    Solução

    Executando as etapas sugeridas, encontramos

    \[0.75 P = mgv \sin(\tan^{−1} 0.15),\]

    ou

    \[P = \frac{(1200 \times 9.8\; N)(\frac{90\; m}{3.6\; s}) \sin (8.53^{o})}{0.75} = 58\; kW,\]

    ou cerca de 78 cv. (Você deve fornecer as etapas usadas para converter unidades.)

    Significância

    Essa é uma quantidade razoável de potência para o motor de um carro de pequeno a médio porte fornecer (1 cv = 0,746 kW). Observe que essa é apenas a potência gasta para mover o carro. Grande parte da potência do motor vai para outros lugares, por exemplo, para o calor residual. É por isso que os carros precisam de radiadores. Qualquer energia restante pode ser usada para aceleração ou para operar os acessórios do carro.