Como a energia potencial gravitacional se transforma em energia cinética?

Energia potencial é uma forma de energia que pode ser armazenada por um corpo e que depende da posição desse corpo. Toda energia potencial pode ser transformada em outras formas de energias potenciais ou em energia cinética por meio da aplicação de uma força sobre o corpo.

Tópicos deste artigo

Resumo sobre energia potencial

• Existem duas formas de energias potenciais mecânicas: energia potencial gravitacional e potencial elástica.

• A energia potencial pode ser armazenada pelo corpo e está diretamente relacionada à posição do corpo no espaço.

• Toda energia potencial é produzida pela aplicação de uma força conservativa no corpo, ou seja, uma força cuja ação não depende do caminho percorrido pelo corpo, depende somente da diferença entre as posições final e inicial do corpo.

O que é energia potencial?

Energia potencial é uma forma de energia que pode ser armazenada nos corpos e que depende do tipo de interação e da posição que o corpo apresenta em relação à sua vizinhança. Na Física, existem basicamente duas formas de energia potencial mecânica: energia potencial gravitacional e energia potencial elástica.

A energia potencial armazenada por qualquer objeto sujeito a forças conservativas é definida pela posição do objeto e independe do caminho tomado por ele. São chamadas de forças conservativas todas as forças capazes de armazenar energias que podem ser acessadas em momentos posteriores, como a força elástica ou a força gravitacional. Além disso, é necessário que as forças conservativas sejam capazes de transformar uma energia em outras formas de energia. Um exemplo de energia potencial é a energia potencial gravitacional, que independe da trajetória tomada pelo corpo. Para essa forma de energia, são consideradas somente as posições final e inicial do corpo.

Mapa Mental: Energia Potencial

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Trabalho e energia potencial

Quando a energia potencial de um corpo sofre acréscimos ou decréscimos em seu módulo sob a ação exclusiva de forças conservativas, dizemos que essas forças realizaram trabalho sobre ele. O trabalho é o fenômeno físico responsável pela transformação de uma forma de energia em outra por meio da aplicação de uma força. No caso em que um corpo é abandonado de uma certa altura, a força peso realiza trabalho sobre ele, transformando sua energia potencial gravitacional em energia cinética, por exemplo.

De maneira resumida, podemos dizer que a quantidade total de energia armazenada em um corpo representa a medida da sua capacidade de realizar trabalho.

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Unidade de medida da energia potencial

A unidade física utilizada para energia potencial no Sistema Internacional de Unidades é o joule (J): 1 joule equivale à quantidade de energia necessária para elevarmos a um metro (1,0 m) de altura um peso igual a 1 Newton (1,0 N).

Observe a figura acima. Nela, temos dois corpos que estão prestes a cair de uma mesma altura. A mudança na energia potencial gravitacional que cada um deles sofrerá é exatamente a mesma, uma vez que a força peso, responsável pelo movimento de queda dos corpos, é uma força conservativa. Apesar de o corpo à esquerda percorrer um caminho maior, a diferença de altura dos corpos em relação ao solo é a mesma.

Um exemplo de força não conservativa é a força de atrito. Se houvesse atrito na situação ilustrada na figura acima, ele não seria exatamente o mesmo para os dois casos, uma vez que a distância percorrida por um dos corpos é maior que a distância percorrida pelo outro. Logo, o atrito é uma força não conservativa e não é capaz de armazenar energia em forma de energia potencial.

O que é energia potencial gravitacional?

Energia potencial gravitacional é a energia relacionada à alturade um corpo em relação ao solo. Trata-se de uma grandeza escalar, definida unicamente pelo seu módulo, medido em joules (J). A energia potencial gravitacional é definida por meio da seguinte equação:

Legenda:
Ep – energia potencial gravitacional (J – joules)
m – massa do corpo (kg – quilogramas)
h – altura do corpo em relação ao solo (m – metros)

Como a energia potencial é escalar, ela pode ser definida em relação a qualquer referencial. Por exemplo: um corpo que se encontra na cobertura de um prédio tem uma grande energia potencial gravitacional em relação à rua, entretanto, sua energia potencial relativa àquela cobertura é nula.

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O que é energia potencial elástica?

Energia potencial elástica é uma forma de energia relacionada à compressão ou elongação de um corpo que tende a voltar ao seu formato original, como molas e elásticos.

Quando algum corpo tem tendência a voltar à sua posição de equilíbrio em razão de uma força restauradora, assim como uma mola esticada ou comprimida, dizemos que ele é capaz de armazenar energia em forma de energia potencial elástica.

A energia potencial elástica, assim como todas as outras formas de energia potencial, também é escalar. Dessa forma, o caminho tomado pelo corpo não afeta o módulo de sua energia potencial, que é afetado somente pela diferença entre as posições final e inicial do corpo. Por exemplo: um corpo elástico, quando esticado ou comprimido em dois centímetros, apresentará a mesma quantidade de energia potencial elástica para ambos os casos.

Podemos calcular a energia potencial elástica de um corpo por meio da equação apresentada abaixo:

Legenda:
Ep – energia potencial elástica (J)
k – constante elástica do corpo (N/m – Newton por metro)
x – deformação do corpo (m)

Na equação acima, k recebe o nome de constante elástica. Essa constante é uma propriedade do corpo e mede a intensidade da força necessária para deformar o corpo em um metro. Já a variável x mede a deformação do corpo em metros. Se o corpo estiver em seu tamanho original, sua deformação será nula, de forma que x = 0. Portanto, esse corpo não apresentará qualquer energia potencial elástica.

Veja também: Dicas para um estudo de Física mais eficiente

Fórmulas de energia potencial

Para calcularmos a energia potencial gravitacional contida em um corpo, utilizamos a fórmula abaixo:

Legenda:
Ep – energia potencial gravitacional (J)
m – massa do corpo (kg)
h – altura do corpo em relação ao solo (m)

Podemos calcular o módulo da energia potencial elástica de um corpo por meio da fórmula abaixo:

Legenda:
Ep – energia potencial elástica (J)
k – constante elástica do corpo (N/m)
x – deformação do corpo (m)

Exemplos sobre energia potencial

Confira alguns exemplos de aplicação das fórmulas de energia potencial gravitacional e energia potencial elástica.

Exemplo 1 - Calcule o módulo da energia potencial gravitacional de um corpo de massa igual a 4,0 kg que se encontra em uma altura de 50,0 cm em relação ao solo. Adote g = 10 m/s².

Resolução:

Para calcularmos o módulo da energia potencial gravitacional desse corpo, fazemos o seguinte cálculo:

Lembre-se de que é necessário que a altura esteja definida em metros (50,0 cm equivalem a 0,5 m).

Exemplo 2 - Uma mola de constante elástica igual a 100 N/m é esticada em 10,0 cm. Calcule o módulo da energia potencial elástica armazenada por essa mola.

Resolução:

É necessário lembrar que a deformação sofrida pela mola deve ser dada em metros (10 cm equivalem a 0,10 m). Podemos calcular a energia potencial armazenada nessa mola da seguinte forma:

Veja também: Cinco dicas para resolver exercícios de Física

Exercícios resolvidos sobre energia potencial

Exercício 1 - Uma mola de constante elástica igual a 100,0 N/m encontra-se deformada, de forma que sua energia potencial elástica tem módulo igual a 320,0 J. Calcule o valor da deformação apresentada por essa mola em centímetros.

Resolução:

Usando a fórmula da energia potencial elástica, vamos substituir os dados informados pelo exercício:

Portanto, a mola do exercício teve seu comprimento original alterado em 80,0 cm.

Exercício 2 - Um corpo de massa igual a 500 g encontra-se numa região na qual a gravidade local tem módulo igual a 9,8 m/s². Sendo a energia potencial gravitacional atribuída a esse corpo igual a 294,0 J, calcule a altura que esse corpo encontra-se em relação ao solo.

Resolução:

Podemos calcular a altura do corpo em relação ao solo por meio da fórmula da energia potencial gravitacional. Para tanto, precisamos lembrar que a massa desse corpo precisa ser dada em quilogramas (500 g equivalem a 0,5 kg). Assim, teremos:

Por Me. Rafael Helerbrock

Como transformar energia gravitacional em energia cinética?

Quando a energia potencial se transforma em cinética?

Como transformar energia potencial gravitacional em energia elétrica?

Qual a relação entre energia potencial e energia cinética?