Estamos acostumados a ouvir a expressão “quanto potencial!” e isso sempre é dito pensando no que uma pessoa pode ser capaz de fazer. Com a energia potencial, não é diferente: dizemos que ela é a capacidade que um corpo possui para realizar trabalho. Lembrando que o trabalho é uma medida das transformações de energia.
Lá no estudo dos movimentos, estudamos a chamada Energia Mecânica, que sempre se conserva quando tratamos de um sistema conservativo. Essa energia, por sua vez, pode vir com duas faces: energia cinética ou energia potencial.
A segunda, dentro da mecânica, podia aparecer de duas outras configurações. Mas existem muitas formas de energia potencial na Física e neste resumo, veremos apenas três, que mais caem no Enem.
Energia potencial
Chamamos de energia potencial a capacidade que um corpo tem para realizar trabalho, ou ainda a energia latente, acumulada nele. Nós possuímos energia potencial química em nosso corpo, o que nos dota de capacidade para realizar tarefas do cotidiano.
Em geral, a energia potencial é sempre convertida em energia cinética (energia relacionada à velocidade do móvel) e isso ocorre na realização de trabalho. Vale lembrar que o trabalho de uma força é dado pela seguinte expressão:
W=F⋅d
Onde F é a força aplicada sobre o corpo e d é o seu deslocamento. W é o trabalho da força (a letra usada vem do inglês, Work) e sua unidade é J (joule).
Associadas às três formas de energia potencial que estaremos estudando neste artigo, sempre estão uma posição com relação a determinado referencial e uma força conservativa. Forças conservativas são aquelas que, independentemente da trajetória entre dois pontos, realizam o mesmo trabalho (vide Fig. 1). Temos como exemplos as forças:
- gravitacional;
- elástica;
- elétrica.
Figura 1 – Trabalho de uma força conservativa
Energia potencial gravitacional
Sabemos que corpos abandonados de certa altura tendem a cair, quando estão sob ação da aceleração da gravidade. Isso acontece porque sobre eles atua a força Peso. Ela faz com que os corpos caiam, ganhando velocidade ao longo do percurso.
Pensando nessa situação em termos de energia, dizemos que esses corpos, no instante do abandono, possuem energia potencial gravitacional. Enquanto caem, há o trabalho da força peso, transformando energia potencial gravitacional em energia cinética.
Sabemos que a força Peso é dada pelo produto entre a massa e a aceleração da gravidade. Já o deslocamento realizado por um corpo da situação anterior será a altura de sua queda. Assim, fazendo uso da equação usada para calcularmos o trabalho de uma força, temos o seguinte:
W=m⋅g⋅h
Onde m é a massa do objeto, g é a aceleração da gravidade e h é a altura com relação ao referencial escolhido. Vocês lembram que a energia potencial é a capacidade de realizar trabalho? Bom, esse trabalho é numericamente igual à energia potencial gravitacional do corpo. Sendo assim, podemos afirmar que:
Onde EPGé a energia potencial gravitacional. Sua unidade é J (joule).
Figura 2 – Energia potencial gravitacional
Observe a Fig. 2. Nela, um corpo é abandonado de um ponto no espaço. Tomando a mesa como referencial, o objeto está a uma altura h1. Mas se tomarmos o tapete como referencial, essa altura passa a ser h2. Assim, não há sentido em falar sobre energia potencial gravitacional sem antes estabelecermos um referencial.
A propósito, no referencial (h = 0), a energia potencial é nula. Assim, na situação da Fig. 2, a energia potencial gravitacional será maior quando o referencial adotado é o do tapete.
Vimos que a energia potencial é transformada em energia cinética ao longo da queda. Então, podemos assegurar que essa energia cinética é numericamente igual à energia potencial (no caso em que o sistema é conservativo).
Energia potencial elástica
A energia potencial elástica é a capacidade que corpos elásticos possuem para realizar trabalho. Em geral, fazemos uso da mola nesse estudo, pois elas podem ser tanto esticadas quanto comprimidas. Mas também é possível estudar o mesmo efeito em um estilingue, por exemplo, com a elongação do elástico.
Pensando na mola, seja esticada ou comprimida, ela realiza uma força no sentido de retornar ao seu estado de equilíbrio. Quando estudamos a lei de Hooke, vimos que essa força era proporcional ao produto de uma constante pela variação do comprimento da mola:
Onde k é a constante elástica e x é a variação do comprimento da mola (l). Note que tomamos o módulo da força, pois a variação do comprimento pode ser negativa (compressão). Além disso, essa força varia linearmente com o comprimento da mola.
Figura 3: Gráfico F X x (força elástica contra a variação do comprimento da mola)
Fica claro pela Fig. 3 que a força elástica é uma força variável. Se acoplarmos um objeto a uma mola e a comprimirmos ou esticarmos, essa mola aplicará uma força sobre o objeto.
Portanto, dizemos que a mola realiza trabalho sobre ele. Sabemos que o trabalho de uma força também pode ser calculado graficamente. Ele será numericamente igual à área entre o eixo das abscissas e a curva. Como a figura formada é a de um triângulo, temos:
Como o trabalho dessa força será igual à energia potencial elástica, podemos escrever:
Além disso, esse objeto acoplado à mola ganha uma energia cinética que terá o mesmo valor da energia potencial elástica, como pode ser visto na Fig. 4.
Figura 4: Conversão de energia potencial elástica em energia cinética
Energia Potencial Elétrica
Figura 5: Cargas elétricas opostas à distância d
A energia potencial elétrica é a capacidade que uma carga elétrica possui para realizar trabalho. Lembrando das aulas de eletrostática, pensamos logo na lei de Coulomb. Ela diz que a força elétrica é proporcional ao produto das cargas e inversamente proporcional ao quadrado da distância entre elas.
Vamos supor que duas cargas, +Q e -q, se encontram a uma distância d uma da outra (vide Fig. 5). A força elétrica entre elas será:
Onde k0 é a constante eletrostática no vácuo. Como essas cargas possuem sinais opostos, sabemos que irão se atrair. Assim, olhando para a carga -q e pensando em termos de energia, podemos calcular o trabalho realizado sobre ela.
Vamos aplicar a força elétrica à equação do trabalho, levando em conta que a distância percorrida pela carga -q é a própria distância entre as cargas.
Novamente, recordando as aulas de eletrostática, vimos que existe uma grandeza chamada de potencial elétrico. Ela é dada por:
Por conseguinte, temos um novo formato para a expressão do trabalho da força elétrica:
E como a energia potencial elétrica é a capacidade da carga elétrica realizar trabalho, essas duas grandezas devem ser numericamente iguais. De tal modo, ficamos com:
Ou
Energia cinética
Como discorremos antes, a energia potencial geralmente é transformada em energia cinética. Isso acontece porque ela é a energia acumulada em um corpo e, portanto, este corpo tem capacidade de realizar trabalho.
Discutimos também a definição do trabalho, que é a medida das transformações de energia. Dessa forma, quando um corpo realiza trabalho, ele transforma sua energia potencial em energia cinética!
Assim, para concluir nosso artigo, para cada forma de energia potencial vista, podemos escrever que:
Onde EP é a energia potencial e EC é a energia cinética.
Obs.: Essas energias serão iguais no caso em que o sistema é conservativo, ou seja, não há perdas energéticas durante a conversão de energia potencial em cinética.
Obs. 2: Também é possível converter energia cinética em potencial.
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