Conservação e dissipação da energia – Aula de Física Enem

O conceito de energia é um dos mais importantes da física, sendo o próprio termo energia um dos mais empregados em nossa linguagem cotidiana.

Na física, dizemos que a energia representa a capacidade de um corpo de realizar trabalho; ou seja, um corpo possui energia se for capaz de realizar trabalho. Lembrando que o trabalho só ocorre quando há movimento.

A energia pode se apresentar de diversas formas: energia química, energia elétrica, energia mecânica, energia térmica, energia atômica, energia nuclear, etc. Nosso interesse aqui é o estudo da energia mecânica.

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A energia mecânica é a soma de outras três formas de energia: cinética, potencial gravitacional e potencia elástica. Vamos analisar cada uma dessas três.

Energia cinética

A energia cinética está associada ao movimento. Todo o corpo, que possui uma massa m, que está se movimentando com uma velocidade v em relação a um certo referencial, dizemos que possui energia cinética.

Vejamos o exemplo, onde temos um carro se movimentando em uma estrada com uma certa velocidade em relação à estrada. Este carro possui energia cinética, e podemos calcular através da seguinte equação:

Energia potencial gravitacional

Esta energia está associada à atração gravitacional da Terra. Sabemos que se pegarmos um objeto, elevarmos ele a uma certa altura e daí largarmos, ele irá cair. Isto se deve ao fato de que quando o corpo ganha altitude, ele adquire energia (potencial gravitacional). Desta forma, dizemos que um corpo com uma massa m, que se encontra a uma altura h em relação a um certo referencial, terá energia potencial gravitacional, que podemos calcular pela seguinte equação:

onde g é a aceleração da gravidade, que vale aproximadamente 10 m/s².

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Energia potencial elástica

Podemos associar a energia potencial elástica às deformações elásticas que os corpos apresentam quando sofrem ação de forças de tração ou compressão. Por exemplo, um arqueiro, ao puxar a flecha em seu arco, despende uma certa quantidade de energia. Parte desta energia é convertida em energia potencial elástica, que estará armazenada na corda do arco que, ao ser liberada, é convertida em energia cinética.

O exemplo mais clássico que podemos citar é a mola. A mola é utilizada em muitos aparelhos, desde uma simples caneta, até nos amortecedores de um carro. À toda mola, associamos um valor, que depende apenas do material que é feita e da sua geometria, que é a sua constante elástica K. Quando esta mola é esticada ou comprimida de um comprimento x, dizemos que ela armazena energia potencial elástica. Podemos calcular a energia potencial elástica pela seguinte equação:

Princípio da conservação da energia

Em sistemas conservativos, ou seja, onde não há a atuação de forças externas, a energia mecânica sempre se conserva. Se considerarmos dois instantes, onde em um momento um corpo estava a uma certa altura com uma certa velocidade, e em outro momento ele está em uma outra altura e velocidade. Em cada um desses instantes, o corpo tem valores diferentes de energias cinética e potencial gravitacional. Porém, a soma das energias nos dois instantes terá o mesmo valor, ou seja, a energia mecânica se conservou durante todo o percurso.

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Se considerarmos um sistema que pode possuir os três tipos de energia citados acima, temos que a energia mecânica pode ser calculada pela soma destas três energias:

Dissipação da energia

Quando um corpo sofre a ação de forças externas durante seu movimento, dizemos que este é um sistema não-conservativo. A ação dessas forças irá retirar parte da energia mecânica do corpo, e dessa forma, a sua energia não irá se conservar durante o seu percurso. Considere o desenho acima da montanha russa. No caso anterior, nós desconsideramos toda e qualquer força externa, que no caso, seriam as forças de atrito com o trilho e com o ar. Já agora nós iremos considerar que essas forças existem, e farão o carrinho perder parte da sua energia mecânica. Desta forma, a soma das energias cinética e potencial gravitacional que ele possuía no início do trajeto não terá o mesmo valor que a soma destas energias no final.

Saiba mais sobre Conservação de energia  nesta aula do canal Me Salva!, disponível no Youtube. Após assistir, revise o que você aprendeu respondendo aos nossos desafios!

Desafios

Questão 01

(UFV-MG) Um pai puxa o balanço da filha até encostá-lo no seu rosto. Solta-o e permanece parado, sem receio de ser atingido pelo brinquedo quando ele retornar à posição inicial. Tal segurança se fundamenta na:

a) 1ª lei de Newton

b) 2ª lei de Newton

c) conservação da energia mecânica

d) lei da ação e reação

e) lei da gravitação universal

Questão 02

Um corpo de 2 kg, em queda vertical, passa por um ponto situado a 20 m do solo com velocidade de 5 m/s. Determine o que acontece com a energia cinética do corpo à medida que ele cai (aumenta, diminui ou permanece constante); e calcule a sua energia cinética quando ele se encontra a 10 m do solo. Despreze atritos e considere g = 10 m/s².

a) aumenta; 15 J

b) diminui; 225 J

c) aumenta; 25J

d) aumenta; 225 J

e) permanece constante; 25 J

Questão 03

(Fatec – SP) Um objeto de 2 kg é lançado verticalmente para cima a partir do solo com velocidade de 20 m/s, atingindo uma altura máxima de 15 m. (Dado: g = 10m/s²). É correto afirmar que:

a) essa altura não poderia ser atingida pelo objeto

b) a resistência do ar nessa situação não pode ser considerada desprezível.

c) a energia mecânica inicial do objeto é 100 J

d) a resistência do ar não influi nessa situação

e) a energia mecânica do objeto ao atingir o ponto mais alto é nula

Questão 04

(Unicamp – SP/Adaptada) Num conjunto arco e flecha, a energia potencial elástica é transformada em energia cinética da flecha durante o lançamento. A força da corda sobre a flecha é proporcional ao deslocamento x, como ilustrado na figura:

Sabendo que a massa da flecha é de 50 g; o deslocamento é x = 0,6 m e a força aplicada na corda é de 300 N. Qual a energia potencial elástica armazenada na corda, e a velocidade da flecha ao abandonar a corda?

a) 180 J; 60 m/s

b) 90 J; 120 m/s

c) 90 J; 60 m/s

d) 180 J; 120 m/s

Questão 05

(Efoa – MG) Na montanha russa, representada na figura abaixo, o carrinho parte do repouso, do ponto mais alto.

Considere a energia potencial no nível do solo igual a zero e desconsidere todo e qualquer atrito. Em relação às posições marcadas por 1 e 2, é correto afirmar que:

a) a energia cinética e a energia potencial são constantes.

b) em 2, a energia cinética é menor que a energia potencial.

c) a energia potencial em 1 é menor que a energia potencial em 2.

d) a energia cinética em 2 é maior que a energia cinética em 1.

e) em 1, a energia cinética é maior que a energia potencial.