1. INTRODUÇÃO
Podemos definir a energia como a capacidade que um corpo possui em realizar trabalho.
A seguir, resumimos os principais tipos de energia encontrados na natureza.
- Energia cinética: associada a velocidade de um corpo. Um projétil é inofensivo, porém quando lançado com uma velocidade grande através de uma arma, se torna devastador.
- Energia potencial gravitacional: associada a altura que um corpo se encontra. Uma pedra que cai do alto de um prédio pode causar sérios danos a um carro no solo.
- Energia elástica: energia associada a sistema que se deformam, tal como molas ou elásticos.
- Energia química: o combustível (gasolina, álcool, diesel) contêm a energia necessária para o motor de um automóvel funcionar.
- Energia térmica: a água fervendo pode causar queimaduras no nosso corpo, pois contem energia associada a vibração das moléculas.
- Energia elétrica: é a energia associada ao movimento de cargas elétricas e é responsável pelo funcionamento dos aparelhos eletroeletrônicos.
- Energia luminosa: é a energia associada a luz.
- Energia solar: é a energia produzida no Sol e responsável pela vida no nosso planeta.
- Energia sonora: o som é uma onda mecânica que transporta energia. O som de uma turbina de avião pode deixar uma pessoa surda!
2. ENERGIA CINÉTICA
A energia cinética de um corpo pode ser calculada pela expressão abaixo.
\({E_C} = \frac{{m{v^2}}}{2}\)
A unidade de energia é o Joule (J).
Repare que a energia cinética é diretamente proporcional a duas grandezas: a massa e a velocidade do corpo (esta contribui duas vezes).
No exemplo abaixo, duas bolas iguais possuem velocidades diferentes: a bola mais rápida (v = 72 km/h) possui 80 J de energia cinética contra 5 J da bola mais lenta (v = 18 km/h).
A energia cinética da bola mais lenta é de 5 J e da bola mais rápida é 80 J, ou seja, aumentando a velocidade em 4 vezes, a energia cinética aumenta 16 vezes.
- Energia cinética é diretamente proporcional ao quadrado da velocidade de um corpo.
3. ENERGIA POTENCIAL GRAVITACIONAL
O planeta Terra cria um campo gravitacional em torno de si e a energia associada a esse campo é denominada energia potencial gravitacional. Um corpo que possui energia potencial gravitacional tem a capacidade de realizar movimento.
A expressão abaixo é usada para calcular a energia potencial gravitacional de um corpo.
\({E_P} = mgh\)
A energia potencial gravitacional depende de três fatores: da massa (m) do objeto, da aceleração da gravidade (g) e da altura (h) em que o corpo se encontra em relação a um ponto de referência.
Para determinar a energia potencial gravitacional de um corpo, é necessário estabelecer um nível de referência. No exemplo abaixo, a pedra de massa 200 gramas está localizada no topo de um prédio de 15 metros de altura em relação ao solo (nível de referência). Portanto, essa pedra possui 30 J de energia potencial gravitacional.
Porém, podemos escolher o nível de referência no topo do prédio. Nesse caso, a altura da pedra em relação a esse nível de referência é nula, assim como a sua energia potencial gravitacional.
Agora considere a pedra no solo. Mantido o nível de referência zero no topo de prédio, a energia potencial gravitacional da pedra é de – 30 J.
4. ENERGIA POTENCIAL ELÁSTICA
A energia potencial elástica é a energia armazenada em molas comprimidas ou esticadas em relação ao seu ponto de equilíbrio.
A fórmula para o cálculo desta energia é:
\({E_P} = \frac{{k{x^2}}}{2}\)
Onde:
k 🡪 constante elástica da mola (dureza da mola).
x 🡪 deformação da mola. O quanto a mola é esticada ou comprimida em relação a posição de equilíbrio (x = 0 – posição de relaxamento).
A figura abaixo mostra uma mola relaxada com comprimento L0.
O valor de x representa o quanto a mola está esticada ou comprimida em relação a posição de equilíbrio (x = 0) e ocorre acúmulo de energia potencial elástica. Quando a mola é solta, a força elástica realiza trabalho e movimenta o bloco.
5. ENERGIA MECÂNICA
A energia mecânica de um corpo é o somatório da energia cinética mais a energia potencial (gravitacional e elástica) em um determinado ponto.
\({E_{MEC}} = {E_C} + {E_P}\)
6. TEOREMA TRABALHO-ENERGIA CINÉTICA
Considere uma força \(\vec F\) aplicada a uma bola de futebol com velocidade inicial v0. A bola se desloca ∆s e atinge a velocidade final v.
\(W = \Delta E_C \)
7. CONSERVAÇÃO DA ENERGIA MECÂNICA
Em sistemas onde atuam apenas forças conservativas, a energia mecânica se conserva durante toda a trajetória. A força peso, a normal e a força elástica são exemplos de forças conservativas, ou seja, o trabalho não depende da trajetória. Esse tipo de força não é capaz de transformar energia mecânica em outro tipo de energia.
- A energia mecânica de um corpo permanece constante se atuam apenas forças conservativas sobre ele durante a sua trajetória.
7.1 Transformando energia mecânica em térmica
No cotidiano, é quase impossível ocorrer conservação da energia mecânica, principalmente pela atuação de uma força não dissipativa, o atrito.
Para testar o efeito do atrito, esfregue as suas mãos. Elas possuem energia cinética devido a velocidade. A força de atrito transforma parte da energia cinética em energia térmica (calor). As suas mãos esquentam!
O atrito e a resistência do ar são considerados forças dissipativas pois transformam energia mecânica em energia térmica (calor), realizando um trabalho resistente. A energia total do sistema se conserva, porém, a energia mecânica não. Nos sistemas dissipativos, não é possível escrever a expressão:
\({E_{MEC\left( {INICIAL} \right)}} = \;{E_{MEC\left( {FINAL} \right)}}\)
Portanto, o trabalho das forças dissipativas será a diferença entre a energia mecânica final e inicial.
\(W = {E_{C\left( {FINAL} \right)}} – {E_{C\left( {INICIAL} \right)}}\)