Energia cinética, energia potencial e energia mecânica

A energia é uma propriedade que todos os corpos possuem e que se manifesta de várias formas. Existem dois tipos fundamentais de energia: energia cinética e energia potencial.

Energia cinética

A energia cinética de um corpo, $E_c$ , é dada em Joule ( $J$ ) está associada ao movimento do corpo:

$E_c=\frac{1}{2}\times m\times v^2$

Nota: A energia cinética de um corpo é diretamente proporcional à sua massa e ao quadrado da sua velocidade.

Exemplo

Um camião de $m=1500\,kg$ efetua o trajeto Lisboa-Madrid. Supõe que o camião passa pelo controlo fronteiriço a uma velocidade de $11\,m/s$ .

a) Qual o valor da energia cinética do camião nesse momento?

b) Compara esse valor com o da energia cinética de um carro de $600\,kg$ que passa pelo controlo fronteiriço à mesma velocidade.

a) A energia cinética do camião é:

$E_c=\frac{1}{2}\times m\times v^2\Leftrightarrow\\E_c= \frac{1}{2}\times 1500\times 11^2\Leftrightarrow\\ E_c= \underline{90\,750} \ J$

b) Calcula a razão entre a massa dos dois corpos:

$\frac{m_{camião}}{m_{carro}}=\frac{1500}{600}=2{,}5$ 

Logo, a energia cinética do carro será $2{,}5$ vezes inferior à do camião.

Energia potencial

A energia potencial de um corpo, $E_p$ , é a energia associada à interação desse corpo com outros corpos.

A energia potencial, $E_p$ , pode assumir várias formas.

Energia potencial $E_p$
Energia potencial gravítica	Associada à interação entre um corpo e a Terra: $E_p=m\times g\times h$
Energia potencial elástica	Associada à deformação de um objeto, como uma mola elástica.
Energia potencial elétrica	Associada à interação de cargas elétricas.

Exemplo

Uma bola com massa de $1\,kg$ é lançada verticalmente para cima e, após uns segundos, atinge o seu ponto mais alto, a $5\,m$ do solo. Considera o solo como a origem do referencial. Qual a energia potencial gravítica da bola nessa posição?

A energia potencial gravítica da bola é:

$E_{pg}=m\times g\times h\Leftrightarrow\\ E_{pg}=1\times10\times 5\Leftrightarrow\\ E_{pg}=\underline{50} \ J$

Energia mecânica

A energia mecânica de um corpo, $E_m$ , é macroscópica e corresponde à soma da energia cinética desse corpo com a sua energia potencial.

A energia cinética e a energia potencial podem transformar-se uma na outra.

Caso não haja transferências de energia entre o corpo e a vizinhança, a energia mecânica conserva-se.

Exemplo

Considera uma bola com massa $0{,}2\,kg$ sujeita a um movimento de queda livre, com resistência do ar desprezável. Numa determinado ponto da trajetória, a bola tem velocidade $2\,m/s$ e encontra-se a uma altura de $4\,m$ , relativamente ao solo. Considera o solo como a origem do teu referencial.

a) Qual a energia mecânica da bola nessa posição?

b) Com que velocidade é que a bola atinge o solo?

a) A energia mecânica da bola é:

$E_m=E_c+E_p\Leftrightarrow\\ E_m=(\frac{1}{2}\times m\times v^2)+(m\times g\times h)\Leftrightarrow\\ E_m=(\frac{1}{2}\times 0{,}2\times 2^2)+(0{,}2\times 10\times 4)\Leftrightarrow\\E_m= \underline{8{,}4} \ J$

b) Durante o percurso da bola, a energia mecânica mantém-se:

$E_m=E_{pg}+E_c\Leftrightarrow 8{,}4=m\times g\times h+\frac{1}{2}mv^2\Leftrightarrow 8{,}4=m\times g\times 0+\frac{1}{2}{0{,}2}v^2\Leftrightarrow v=\underline{9{,}2} \ m/s$ 

Energia interna

A energia interna de um corpo é microscópica e corresponde à energia cinética de todas as partículas que o constituem e da energia potencial resultante das interações entre as mesmas:

$E_{i}=U=E_{c\,(partículas)}+E_{p\,(partículas)}$

A energia interna varia de acordo com:

O número de partículas que constituem o sistema;
A temperatura do sistema.

Centro de massa

O ponto ou partícula onde está concentrada toda a massa de um sistema mecânico (sistema onde as variações de energia interna são desprezáveis) e onde estão aplicadas todas as forças que atuam no sistema, designa-se por centro de massa.

Quando se reduz um corpo ao seu centro de massa, está-se a assumir que ele:

É rígido;
É um sistema mecânico;
Efetua somente movimentos de translação.