Ouça este artigo: Definir energia é algo um complicado. No entanto todos nós a percebemos quando a utilizamos. Quando acendemos uma lâmpada, damos partida em um carro ou até mesmo usamos a energia dos alimentos para realizar as atividades do dia a dia. Mas uma série de transformações ocorreu para que a esses fenômenos acontecem, por exemplo: a queda de água em uma usina hidrelétrica, uma explosão controlada no motor do carro e transformações químicas nas células do nosso corpo. Ou seja, uma forma de energia se transformou em outra. E, de forma resumida, podemos dizer que energia é o que coloca um corpo em movimento (ou na potência, na possibilidade de um movimento, de realizar trabalho). Sendo assim, a energia não se perde, mas sim, se transforma de um tipo em outro. E pode ser armazenada. Essa é a chamada Lei da conservação de energia. No caso de uma hidrelétrica, por exemplo, a água corre no rio com uma determinada velocidade e cai de uma certa altura fazendo girar as turbinas, que transforma a energia mecânica em energia elétrica. Assim temos: Energia cinética (Ec): energia gerada por um corpo (de massa – m) em movimento com velocidade - v. Caso o corpo varia sua velocidade durante o processo, temos a variação da energia cinética (ΔE): Onde, Ecf é a energia cinética final e Eci, a energia cinética inicial. Energia potencial gravitacional (EP): energia que pode ser gerada (potencial) por um corpo de massa - m que se localiza a determinada altura – h . A energia se dá quando esse corpo é acelerado pela gravidade - g. Energia potencial elástica (EPelást): é a energia potencial em uma mola/elástico distendida ou contraída. Quando essa mola volta a sua posição normal, gera energia. Onde: k é a constante elástica de restauração e x é a tanto que a mola distendeu ou contraiu. No nosso exemplo, as energias cinética e gravitacional geraram energia elétrica, que acendeu a luz. Em um sistema ideal, onde as energias não se perdem para o meio na forma de atrito, calor ou som (forças dissipativas), a energia mecânica representa a energia total do sistema em suas diversas formas. Ou seja, a ausência de forças dissipativas, a energia mecânica permanece constante, apenas se convertendo entre cinética e potencial (gravitacional, elástica, elétrica, química, nuclear entre outras). Texto originalmente publicado em //www.infoescola.com/fisica/lei-da-conservacao-de-energia/
A busca por alternativas energéticas para o futuro ou para locais com poucos recursos econômicos tem levado à proposição de inovações cada vez mais criativas, como a Soccket, mostrada na figura abaixo. A Soccket é uma bola de futebol com um pequeno pêndulo no interior que aproveita a energia cinética do seu movimento através de um gerador elétrico conectado a uma bateria recarregável. A energia armazenada pode ser usada para os mais diversos fins, como o acendimento de lâmpadas e a recarga de baterias e dispositivos eletrônicos.
Disponível em: <//www.greenprophet.com/2012/12/socket-a-fun-powered-energy-ball-kids-kick-for-power/>. [Adaptado]. Acesso em: 24 set. 2015.
Com base no exposto acima e no Princípio de Conservação de Energia, é CORRETO afirmar que:
A conservação da energia mecânica é um princípio da Física que garante que, na ausência de forças dissipativas, como o atrito, a quantidade total de energia de um sistema nunca se altera. De acordo com a conservação da energia mecânica, a soma da energia cinética com as energias potenciais deve ter módulo constante.
Veja também: Movimento uniforme: resumo, fórmulas e exercícios resolvidos
Quando um sistema encontra-se completamente livre de forças de atrito ou forças de arraste, a energia mecânica desse sistema será constante. Isso quer dizer que um pêndulo livre de forças de atrito, por exemplo, deverá oscilar por tempo indefinido, do contrário, em um tempo finito, esse pêndulo terá a sua energia dissipada em outras formas de energia, como energia térmica, vibrações, sons etc.
Observe a figura a seguir, nela temos um móvel que se desloca com velocidade constante, livre das forças de atrito com o solo, com o ar e livre das forças de atrito entre suas componentes. Nesse caso, dizemos que a energia mecânica associada a esse corpo será igual nos pontos A, B e C.
No ponto A, o carro apresenta tanto energia cinética como potencial, graças à sua pequena altura em relação ao nível mais baixo do solo. Já no ponto B, o carro aproxima-se de uma situação em que toda a sua energia cinética torna-se energia potencial gravitacional, em outras palavras, conforme a energia cinética do veículo diminui, a sua energia potencial gravitacional aumenta, assim como escrevemos na fórmula a seguir, que relaciona as energias mecânicas dos pontos A e B:
va – velocidade do corpo na posição A (m/s)
vb - velocidade do corpo na posição B (m/s)
g – gravidade (m/s²)
ha – altura do ponto A (m)
hb – altura do ponto B (m)
Como esse tema aborda diversos tipos de energia, nos tópicos seguintes, trazemos breves definições das que são consideradas mais comuns no ensino médio, a fim de revisar esse conteúdo e proporcionar uma aprendizagem mais completa.
Energia mecânica
A energia mecânica de um sistema é definida como a soma da energia cinética com as diferentes energias potenciais ali presentes, como a energia potencial gravitacional ou energia potencial elástica (sendo essas as mais comuns nos exercícios realizados no ensino médio), entre outras.
EM – energia mecânica (J)
EC – energia cinética (J)
EP – energia potencial (J)
Quando há atrito, uma parte da energia mecânica do sistema é “perdida”, sendo convertida em uma agitação térmica dos átomos e moléculas. Esse tipo de energia decorrente da ação da força de atrito é a energia térmica do corpo, e a sua correspondência com o calor foi explicado por James Prescott Joule, por meio de seu experimento sobre a equivalência mecânica do calor.
Veja também: Lei de Faraday: conceito, fórmulas e exercícios resolvidos
Energia cinética é a forma de energia relacionada ao movimento de um corpo. Trata-se de uma grandeza escalar, proporcional à massa do corpo e ao quadrado de sua velocidade, em unidades do Sistema Internacional de Unidades (SI), é medida em joules (J) e pode ser calculada por meio da seguinte fórmula:
p – quantidade de movimento (kg.m/s)
m – massa (kg)
Energia potencial
Energia potencial é o nome genérico dado a qualquer forma de energia que pode ser armazenada. Essas energias só surgem quando há aplicação de forças conservativas. São exemplos de energia potencial:
- Energia potencial gravitacional: forma de energia gerada quando algum corpo apresenta certa altura em relação à superfície da Terra.
- Energia potencial elástica: forma de energia relacionada à deformação de corpos elásticos, que tendem a voltar à sua forma original depois de deformados.
k – constante elástica (N/m)
x – deformação (m)
Acesse também: Conceitos fundamentais da cinemática escalar
Exercícios resolvidos
Questão 1) (G1 – IFBA) Um corpo é abandonado do alto de um plano inclinado, conforme a figura abaixo. Considerando as superfícies polidas ideais, a resistência do ar nula e 10 m/s2 como a aceleração da gravidade local, determine o valor aproximado da velocidade com que o corpo atinge o solo:
a) v = 84 m/s
b) v = 45 m/s
c) v = 25 m/s
d) v = 10 m/s
e) v = 5 m/s
Solução:
Alternativa d.
Para determinarmos a velocidade aproximada com que o corpo chega ao solo, devemos aplicar o princípio da conservação da energia mecânica. Para tanto, dizemos que a energia potencial gravitacional no topo do plano inclinado é igual à energia cinética desse corpo na base do plano.
Na resolução, as massas presentes nos dois lados da equação cancelam-se. Em seguida, substituímos os valores informados pelo enunciado e fizemos algumas operações algébricas até encontrarmos a velocidade de 10 m/s.
Questão 2) (UEG) Em um experimento que valida a conservação da energia mecânica, um objeto de 4,0 kg colide horizontalmente com uma mola relaxada, de constante elástica de 100 N/m. Esse choque a comprime 1,6 cm. Qual é a velocidade, em m/s desse objeto, antes de se chocar com a mola?
a) 0,02
b) 0,40
c) 0,08
d) 0,13
Solução
Alternativa c.
Nesse exercício, dizemos que a energia cinética do corpo é integralmente convertida em energia potencial elástica, dessa forma, devemos fazer o seguinte cálculo:
Questão 3) (G1 - IFSP) Um atleta de salto com vara, durante sua corrida para transpor o obstáculo a sua frente, transforma a sua energia _____________ em energia ____________ devido ao ganho de altura e consequentemente ao/à _____________ de sua velocidade.
As lacunas do texto acima são, correta e respectivamente, preenchidas por:
a) potencial – cinética – aumento
b) térmica – potencial – diminuição
c) cinética – potencial – diminuição
d) cinética – térmica – aumento
e) térmica – cinética – aumento
Solução
Alternativa c.
Um atleta de salto com vara, durante sua corrida para transpor o obstáculo a sua frente, transforma a sua energia cinética em energia potencial devido ao ganho de altura e consequentemente à diminuição de sua velocidade.