Energia mecânica

Disciplina: Física

Autores: Ermiria Fernanda, José Victor e Laura Raquel

Mas o que é energia?

Energia é a capacidade de executar um trabalho. Portanto, qualquer coisa que esteja trabalhando está produzindo energia. Feita essa consideração, os mais importantes tipos de energia que existem são: cinética (movimento), mecânica (força), térmica (temperatura, calor), elétrica (potencial elétrico), química (reações químicas), nuclear (desintegração do núcleo). Porém as únicas que apresentaremos no estudo de dinâmica são a cinética e a potencial (gravitacional e elástica), as quais têm como unidade de medida do SI (Sistema Internacional de Unidades) o joule (J).

Energia mecânica

A energia mecânica pode ser definida como a capacidade de um corpo de realizar trabalho. Quando essa capacidade de realizar trabalho está relacionada com o movimento, ela é chamada de energia cinética. Porém, se a capacidade de realizar trabalho estiver relacionada com a posição de um corpo, ela é chamada de energia potencial. Em outras palavras, a energia mecânica corresponde a soma da energia cinética (EC), produzida pelo movimento dos corpos, com a energia potencial elástica (EPE) ou gravitacional (EPG), produzida por meio da interação dos corpos relacionada com a posição dos mesmos.

Ou seja, para calcularmos a energia mecânica, teremos:

EM = EC + EP

Onde:

EM: energia mecânica

EC: energia cinética

EP: energia potencial

Princípio da conservação da energia mecânica

Quando a energia mecânica advém de um sistema isolado (naquele em que não há atrito) baseado nas forças conservativas (que conserva a energia mecânica do sistema) sua resultante permanecerá constante em qualquer intervalo de tempo.

Sendo assim, matematicamente, temos:

EM = EC + EP = constante

Energia cinética

Essa forma de energia está relacionada com a massa e a velocidade de um corpo. Resulta da transferência de energia do sistema que põe o corpo em movimento.

Matematicamente, ela é dada pela equação:

Ec = mv^2/2

Onde:

EC: energia cinética, também pode ser representada pela letra K

M: massa do corpo

V: velocidade do corpo

A partir disso, conclui-se que quanto maior a massa de um corpo maior será sua velocidade; logo, a energia cinética será determinada pela ação dos corpos em movimento sendo que quanto maior sua velocidade maior será a energia cinética produzida.

Teorema da energia cinética (TEC)

Através desse importante teorema da Física, é possível calcular o trabalho total de todas as forças presentes num sistema, tanto as forças conservativas ou dissipativas quanto as forças internas ou externas ao sistema.

O TEC foi enunciado da seguinte forma:

“O trabalho total de todas as forças atuantes em um sistema físico é dado pela variação da energia cinética do sistema.”

Ou seja:

ΔEc = Ec - Eco

Onde:

ΔEC: Variação de energia cinética

EC: Energia cinética final

ECo: Energia cinética inicial

Energia potencial

De forma simples, pode-se dizer que Energia potencial é a energia que pode ser armazenada em um sistema físico e tem a capacidade de ser transformada em energia cinética.

Conforme o corpo perde energia potencial ganha energia cinética ou vice-e-verso.

Energia potencial gravitacional

É a energia que um objeto possui devido à sua posição em um campo gravitacional e é medida pelo trabalho realizado pelo seu peso para ir de uma posição (mais elevada) à outra (mais abaixo).

Dessa forma, quando elevamos um corpo de massa m à altura h estamos transferindo energia para o corpo na forma de trabalho. O corpo acumula energia e a transforma em energia cinética quando o soltamos, voltando à sua posição inicial.

A força da gravidade modifica-se com a altura, na superfície da Terra a diferença é muito pequena, assim considera-se a aceleração da gravidade como uma constante, de 9,8m/s2, em qualquer parte.

Situação-exemplo: Quando um corpo é levantado a uma determinada altura, adquire energia potencial gravitacional. Ao deixar cair esse corpo, a energia potencial converte-se em energia cinética.

Matematicamente, ela é dada pela equação:

EPG=m.g.h

Onde:

EPG = energia potencial gravitacional – dada em joule (J)

m = massa – dada em quilograma (kg)

g = aceleração gravitacional – dada em metros por segundo ao quadrado (m/s2)

h = altura – dada em metros (m)

Energia potencial elástica

Um corpo elástico é aquele que sofre uma deformação, produzida por uma força externa, passando de uma posição A (não deformado) para uma posição B (deformado) e recupera sua forma e tamanho original, voltando a posição inicial.

Portanto a posição de equilíbrio corresponde à posição em que o elástico ou a mola não está nem comprimida, nem esticada, é a sua posição natural.

É considerado no sistema elástico o corpo de massa m, uma constante da força elástica k e o comprimento x (a medida da deformação, quando o corpo passa da posição A para a posição B).

Situação-exemplo: Quando uma flecha (m) é lançada de um arco, o elástico preso nas extremidades do arco (k) sofre uma deformação (x) passando da posição de equilíbrio A para B.

Matematicamente sua fórmula é:

Epe = K.X^2/2

Lei de Hooke

A Lei de Hooke é uma lei da física que determina a deformação sofrida por um corpo elástico através de uma força. A teoria afirma que a distensão de um objeto elástico é diretamente proporcional à força aplicada sobre ele.

Como exemplo, podemos pensar numa mola. Ao esticá-la, ela exerce uma força contrária ao movimento realizado. Assim, quando maior a força aplicada, maior será sua deformação.

Observação: a Lei de Hooke recebe esse nome em homenagem ao cientista inglês Robert Hooke (1635-1703).

Sua fórmula pode ser dada por:

F = k . Δl

Onde:

F: força aplicada sobre o corpo elástico

K: constante elástica ou constante de proporcionalidade

Δl: variável independente, ou seja, a deformação sofrida

Segundo o Sistema Internacional (SI), a força (F) é medida em Newton (N), a constante elástica (K) em Newton por metro (N/m) e a variável (Δl) em metros (m).

Obs: A variação da deformação sofrida Δl = L – L0, pode ser indicada por x. Note que L é o comprimento final da mola e L0, o comprimento inicial.