quarta-feira, 8 de dezembro de 2010

Conservação de energia

Conservação de Energia

Uma grandeza física muito famosa é a energia, mas o que exatamente é energia? Físicos costumam dizer que energia é a nossa capacidade de realizar trabalho, quanto trabalho conseguimos realizar.
Diante disso, começamos a nos perguntar pra serve cada uma das várias formas de energia, a cinética, a potencial gravitacional, a potencial elétrica, a elástica e tantas outras.
Existem alguns sistemas físicos, onde temos condições ideais, que são chamados de conservativos. Nesses sistemas a energia inicial total contida ali, não se altera em função do tempo. Isso quer dizer que ela se transforma, de energia x em energia y mantendo o resultado da soma das duas sempre igual. Um exemplo muito comum é o de um pendulo simples oscilando em movimento harmônico simples (MHS) sem a reistência do ar ou qualquer outra intereferência.
Neste exemplo que estudaremos agora, a energia potencial gravitacional transforma-se em energia cinética e vice-versa. A soma dessas duas grandezas é chamada de energia mecânica. No sistema conservativo com condições ideais, o tempo do movimento seria infinito, isto é, o pendulo não para de oscilar nunca!.


Existe o oposto que é um sistema físico não conservativo onde parte dessa energia se perde, mas como disse Lavoisier “Na natureza, nada se cria, nada se perde, tudo se transforma.”, então essa energia não é perdida, ela não some simplesmente. Forças presentes no meio tomam parte da energia, essas forças são atrito com o ar ou com o solo, vibrações indesejadas, ruídos e muitas mais. Esses eventos consomem uma porção da energia total inicial e dizemos que houve perda de energia para o meio.
No caso do pêndulo, como dito acima, em um sistema ideal, o movimento seria eterno, porém em um sistema não conservativo, a altura máxima atingida de cada lado da trajetória sofreria um decréscimo a cada oscilação resultando em velocidade zero para um tempo longo.



Neste vídeo fica clara a interferência de forças externas que diminuem a velocidade máxima atingida pela esfera a cada oscilação.
Foi desenvolvido um experimento sobre este assunto, um pendulo longo com uma esfera na ponta foi colocado em mhs com pequenos ângulos de lançamento (de até 15°) para que após a coleta de dados e cálculos pudéssemos dizer se o sistema real é conservativo que também quer dizer que não houve perda significativa de energia mecânica para o meio ou se não é possível desconsiderar as forças externas, isso quando a perda de energia se torna grande demais para ser desconsiderada.
Será feita uma comparação entre dois pêndulos diferentes, ambos com mesmo comprimento de fio e com uma esfera na ponta, e é nela que está a diferença. Os raios das duas esferas usadas têm mesma ordem de grandeza, porém suas massas são extremamente diferentes, sendo uma de 158,3 g e a outra de apenas 2,3 g.
Para isso o movimento dos pêndulos foi filmado com uma câmera digital em diferentes taxas de f/s sendo: 30, 60 e 300. E as imagens serão analisadas com auxilio de um software gratuito na internet chamado TRACKER.

quinta-feira, 2 de dezembro de 2010

Câmeras de alta velocidade

Câmeras de alta velocidade

O olho humano não é uma máquina perfeita, na verdade longe disso.  A grande prova disso é o cinema e a televisão onde imagens estáticas são exibidas e nós interpretamos como sendo um movimento contínuo, um filme.
O que acontece é que o olho humano é incapaz de perceber acontecimentos com menos de 1/24 de segundo (0,042s). Isso se deve ao tempo gasto para as informações chegarem ao cérebro e ele as processar e interpretar.
As câmeras tradicionais funcionam tirando fotos sucessivas, em geral 30 fotos por segundo, cada foto é chama de frame e a taxa de quadros por segundo é escrita como f/s. Estas imagens quando exibidas a taxa superior a 24 f/s são suficientes para “enganar” o olho humano e nos faz pensar que estamos vendo um movimento continuo e não imagens estáticas.
Já as câmeras de alta velocidade superam essa taxa de 24 quadros por segundo em muito, podendo chegar a milhares ou até milhões de fotos em apenas 1 segundo.  Mas qual é a função de tantos quadros em um período pequeno de tempo?
Para filmar movimentos com velocidades altas que acontecem muito rapidamente esse número exorbitante de frames é necessário, caso contrário nada será visto no vídeo. Vamos imaginar um movimento de duas esferas em rota de colisão, o intervalo de tempo entre 2 quadros consecutivos deve ser pequeno o bastante para que possamos ver o momento exato em que elas se chocam.
Em contrapartida, para movimentos que duram mais do que alguns segundos, ou que a velocidade do objeto não é muito grande, a taxa de f/s pode ser a usual de cerca de 30 quadros em um segundo.

Neste trabalho, farei experimentos diversos filmando com diferentes velocidades de captura para que na análise dos dados apontar a diferença entre elas e apontar também para cada experimento quais são as vantagens e desvantagens de cada uma das velocidades escolhidas.


A câmera que usarei tem uma função onde é possível modificar a velocidade de captura entre 30, 60 e 300 f/s. Sendo que as duas primeiras apresentam uma qualidade na imagem superior à qualidade das imagens feitas a 300 f/s.
Essas câmeras ainda são desconhecidas do grande público e existem pouco modelos voltados para o uso informal, normalmente elas são usadas em industrias, para filmar linhas de produção rápidas, em testes de colisão de carros e afins.
A popularização veio com o auxilio de um programa de TV. No canal à cabo Discovery Channel existe uma série com o título "TIME WARP" (túnel do tempo) que foi traduzido como " A SUPERCÂMERA". Na série, dois cientistas usam essas câmeras que capturam até 50.000 quadros em um segundo para mostrar como as coisas acontecem numa escala de tempo muito menor do que a que estamos acostumados a ver. 

Quando gravamos um vídeo a uma certa taxa de f/s e apresentamos ele a uma taxa menor, o movimento é mais lento, assim funciona a câmera lenta. Com taxas enormes de f/s podemos reproduzir o vídeo a baixas velocidades (sempre maior que 24 quadros por segundo para que o nosso cérebro não perceba que são imagens estáticas) e assim vemos tudo numa escala de tempo muito menor.
Vejamos um exemplo:

quarta-feira, 10 de novembro de 2010