Finalmente, chegamos no conteúdo principal do nosso capítulo, a energia! Mas, espera aí, você sabe o que é energia? Intuitivamente, você pode ter uma noção, mas saberia descrever exatamente o que é?
Este conceito é meio “nebuloso”, não conseguimos achar uma definição exata para ele. O que sabemos sobre energia é que ela pode aparecer de diversas formas: mecânica, térmica, elétrica, química… Aqui nesta apostila, vamos estudar especificamente a energia mecânica, que aparece basicamente de duas formas: energia de movimento (energia cinética) ou “armazenada (energia potencial). É exatamente isso que nós vamos estudar agora, preparados?
Energia Cinética
Você sabe o significado da palavra cinética? Essa palavra quer dizer a mesma coisa que movimento. Sabendo disso, fica fácil entendermos o significado de energia cinética, certo? Essa é a forma de energia associada ao movimento dos corpos. Tudo que se movimenta possui energia cinética. Nós, enquanto caminhamos, possuímos energia cinética. Um caminhão em movimento possui energia cinética. Aviões possuem energia cinética. Em outras palavras, se um corpo possui velocidade, ele possui energia cinética.
Intuitivamente, nós já conseguimos perceber que um caminhão e uma pessoa com a mesma velocidade não podem possuir a mesma energia, certo? Certíssimo! Sendo assim, a energia cinética também deve depender de outra propriedade do corpo. E é exatamente isso que acontece, ela também depende da massa. A relação que nos permite encontrar a energia cinética de um corpo é essa aqui:
Note que a energia cinética depende da massa e da velocidade ao quadrado.
Atenção! A energia cinética do corpo pode aumentar ou diminuir conforme ele é empurrado ou freado por forças. Mais precisamente, a variação da energia cinética é exatamente igual ao trabalho realizado por essas forças! Escrevendo isso matematicamente temos a seguinte equação:
Energia Potencial
Essa é a energia que se encontra “armazenada” nos corpos. Mas como um corpo pode possuir energia armazenada nele? Você já vai entender. Na verdade, essa energia está associada com a posição em que o corpo se encontra. Pode parecer complicado, mas tenho certeza que, intuitivamente, você já consegue entender isso! Imagine uma pedra em cima de uma montanha. Se você empurrá-la, ela vai começar a rolar e ganhar velocidade. A energia potencial que ela tinha vai se converter em energia cinética, aquela ligada ao movimento.
Possuímos dois tipos mais comuns de energia potencial: o primeiro tipo é a energia armazenada na altura de um corpo (energia potencial gravitacional), como é o caso da pedra rolando a montanha. O segundo é a energia armazenada em deformações, como uma mola esticada ou comprimida (energia potencial elástica). Cada um desses tipos de energia potencial é muito importante, por isso vamos estudá-los individualmente.
Energia Potencial Elástica
Esse tipo de energia está diretamente ligado a molas. Em qualquer problema envolvendo molas, pode ter certeza que a energia será desse tipo. Se liga nessa imagem:
Aqui, é importante encontrarmos uma forma de conhecer a energia do bloco que está conectado à mola. Existe uma equação que nos permite encontrá-la:
Através desta equação, conseguimos ver que a energia potencial elástica de um corpo depende de dois fatores exclusivamente relacionados à mola: o primeiro é a deformação da mola (Δx) e o segundo é a constante elástica da mola (k).
Energia Potencial Gravitacional
Essa é a energia potencial mais intuitiva. Ela está relacionada com a altura em que o corpo se encontra. É fácil de entender: imagine um corpo na base e outro no topo de uma montanha. O corpo que está na base não possui energia potencial, afinal, ele está no chão. Justamente o contrário daquele que se encontra em cima da montanha, pois este possui energia potencial.
Você já percebeu que uma das variáveis para o cálculo dessa energia é a altura do corpo. Agora, você precisa lembrar de quando estudamos a Dinâmica. Lembra que a gravidade é responsável por atrair os corpos para o chão? Faz sentido pensarmos que, quanto maior for essa atração, maior a energia armazenada no corpo, certo? Assim, conseguimos deduzir mais um termo da equação, a aceleração da gravidade. O último termo que compõe a equação é muito intuitivo: imagine que você larga uma folha de papel e uma pedra em cima de um vidro. Certamente, a pedra vai quebrar o vidro e a folha de papel não. Isso significa que a pedra possui mais energia. Mas como? Afinal, ela e a folha estavam em uma mesma altura e submetidas à mesma aceleração da gravidade. É aqui que entra a massa, nossa última variável da equação de energia potencial gravitacional. Ela é a responsável pela maior energia da pedra.
Energia Mecânica
Agora que você já sabe quais são os tipos de energia mecânica, podemos falar em energia mecânica total de um corpo. Ela é a soma da energia cinética com as energias potenciais que o corpo possui. Matematicamente, isso pode ser visto pela expressão abaixo. Se liga:
Vale lembrar! Assim como para o trabalho, a unidade de energia no SI também é o Joule [J].