Dinâmica: Energia mecânica

ADRENALINA. O carrinho transforma potencial gravitacional em energia cinética. Resultado: frio na barriga. JAN WOITAS GERMANY OUT/AFP PHOTO

Tudo o que se move tem energia

Você viu na aula anterior: energia é a capacidade de realizar trabalho. E qualquer corpo em movimento pode realizar trabalho. Então, todo corpo que se move é dotado de energia. Os pedais de uma bicicleta têm energia para realizar trabalho ao girar as engrenagens, a corrente e as rodas. O motor de um liquidificador tem energia para realizar trabalho quando faz a lâmina rodopiar. A forma de energia associada ao movimento dos corpos é a energia cinética.
Todo corpo em movimento tem energia cinética. O cálculo da energia cinética de um carro em movimento ou de uma pedra arremessada leva em consideração algumas grandezas físicas:
• a velocidade do corpo. Quanto mais veloz um corpo estiver, maior será sua energia cinética;
• a massa do corpo. Quanto mais massa um corpo tiver, também maior será sua energia cinética.

Força resultante e variação de energia.

Raciocine passo a passo:
• Quando um corpo se desloca com velocidade constante (mantendo a intensidade da velocidade, a direção e o sentido do movimento), a força resultante que atua sobre ele é nula.
• Para uma força resultante nula, o trabalho realizado por ela também é nulo.
• Porém, se a intensidade da velocidade do corpo for alterada, ele terá sofrido a ação de uma nova força, que realizou um trabalho.
• Se um trabalho foi realizado no corpo em movimento, então sua energia cinética foi alterada.
• Portanto, o responsável pela variação da energia cinética de um corpo é o trabalho realizado pela força resultante que atua sobre ele. Matematicamente:

ENERGIA POTENCIAL

A energia potencial é a energia guardada por um corpo que pode colocá-lo em movimento. Essa energia potencial depende, fundamentalmente, da posição do corpo e da adoção de um referencial. Na mecânica, estudamos dois tipos de energia potencial: a energia potencial gravitacional e a energia potencial elástica.

ENERGIA POTENCIAL GRAVITACIONAL

É a energia de um corpo que se encontra a certa altura em relação a determinado referencial. Uma pedra de massa m nas mãos de um garoto a uma altura h em relação ao solo tem certa energia armazenada – a energia potencial gravitacional, que é capaz de colocá-la em movimento de queda das mãos do garoto até o solo. Caso a pedra seja solta e comece a se mover, sua energia potencial gravitacional é paulatinamente convertida em energia cinética, ao longo da queda.

Toda energia é medida em joules no S.I., a mesma unidade de medida do trabalho. E, como o trabalho, a energia é uma grandeza escalar (não vetorial). Outra medida de energia muito usada é a caloria (cal).
1 cal ≈ 4,2 J
1 kcal ≈ 4 200 J

A expressão matemática que fornece a energia potencial gravitacional de um corpo é:

Note que a energia potencial gravitacional é medida em relação a um referencial adotado. Isso significa que, se considerarmos como referencial o solo, quanto mais alto estiver um objeto em relação ao solo, maior será seu potencial gravitacional. Esse potencial gravitacional é convertido em energia cinética pelo trabalho realizado pela força peso.

Energia potencial elástica

É a energia armazenada por um corpo comprimido ou esticado. Tem energia potencial elástica uma mola comprimida. Ou uma corda elástica de bungee jumping, que se estica, interrompendo a queda do aventureiro que saltou do alto de uma ponte. Tanto para a mola quanto para o elástico, vale uma regra: se depois de comprimido ou esticado o corpo for abandonado, sua energia potencial elástica será transformada em energia cinética.

A medida da energia potencial elástica de uma mola depende de dois parâmetros: da maleabilidade da mola e de quanto ela foi deformada. A expressão matemática para a energia potencial elástica é:
A constante elástica k define a maleabilidade da mola e tem um valor específico para cada tipo de material que pode compor a mola. Quanto maior for a constante elástica de uma mola, maior a força exigida e mais difícil será deformá-la. Uma mola de constante elástica de 200 N/m precisa de uma força de 200 N para apresentar a deformação de 1 metro. Outra mola cuja constante elástica seja de 10 N/m necessita de apenas 10 N para apresentar uma deformação de 1 metro.
Repare que, pela equação, quanto maior for a deformação imposta à mola, maior será a energia potencial elástica armazenada.

Diversos fenômenos naturais e processos do dia a dia envolvem transformações energéticas. Na queda de um cometa ou asteróide, por exemplo, toda energia potencial gravitacional se converte em energia cinética.
No lançamento de um satélite ou telescópio espacial, a energia térmica da queima do combustível dos foguetes é convertida em energia cinética. À medida que o satélite atinge a altitude adequada, parte dessa energia cinética se transforma em potencial gravitacional. E, ao ligar o interruptor de uma lâmpada, convertemos energia elétrica em energia luminosa e energia térmica.
Nos sistemas mecânicos, toda conversão energética envolve energia cinética e energia potencial (gravitacional ou elástica). A energia mecânica de um corpo é a soma da energia cinética e da energia potencial desse corpo.

ZUMMM. É a energia potencial elástica armazenada no arco que se converte em energia cinética e faz uma fecha disparar no ar.PHIL WALTER/GETTY IMAGES

SISTEMAS CONSERVATIVOS E DISSIPATIVOS

Sistema conservativo é aquele no qual todo tipo de força dissipativa, como o atrito ou a resistência do ar, pode ser desprezada. Em um sistema conservativo, a energia mecânica permanece inalterada em qualquer tipo de transformação. A energia mecânica inicial é igual à final. Matematicamente:

No mundo real, sistemas conservativos são raros. No geral, existe sempre alguma força que dissipa parte da energia de um sistema, realizando um trabalho que não é útil. É o caso da força de resistência do ar atuando sobre um automóvel, que dissipa parte de sua energia mecânica e reduz a velocidade do veículo. Ou da queda de um asteroide que mergulha na atmosfera terrestre.
Neste caso, parte da energia mecânica se perde em calor, e o asteroide costuma se incendiar. Num sistema dissipativo, a energia mecânica final é menor do que a energia mecânica inicial:
Em qualquer sistema dissipativo, a diferença entre a energia mecânica inicial e a energia mecânica final é igual ao trabalho realizado pelas forças dissipativas, portanto:

Em qualquer sistema dissipativo, a diferença entre a energia mecânica inicial e a energia mecânica final é igual ao trabalho realizado pelas forças dissipativas, portanto:

FERNANDO GONSALES