ENERGIA POTENCIAL: CARACTERÍSTICAS, TIPOS, CÁLCULOS E EXEMPLOS - FISICA - 2025

A energia potencial é a energia que corpos sob sua própria configuração. Quando os objetos interagem, existem forças entre eles capazes de realizar trabalho, e essa capacidade de realizar trabalho, que fica armazenada em seu arranjo, pode ser traduzida em energia.

Por exemplo, os humanos têm aproveitado a energia potencial das cachoeiras desde tempos imemoriais, primeiro girando em moinhos e depois em usinas hidrelétricas.

Niagara Falls: um enorme reservatório de energia potencial gravitacional. Fonte: Pixabay.

Por outro lado, muitos materiais têm uma capacidade notável de fazer trabalho deformando e depois voltando ao tamanho original. E em outras circunstâncias, o arranjo da carga elétrica permite o armazenamento de energia potencial elétrica, como por exemplo em um capacitor.

A energia potencial oferece muitas possibilidades de ser transformada em outras formas de energia utilizável, daí a importância de conhecer as leis que a regem.

Origem da energia potencial

A energia potencial de um objeto tem sua origem nas forças que o afetam. No entanto, a energia potencial é uma quantidade escalar, enquanto as forças são vetoriais. Portanto, para especificar a energia potencial, basta indicar seu valor numérico e as unidades selecionadas.

Outra qualidade importante é o tipo de força com a qual a energia potencial pode ser armazenada, uma vez que nem toda força possui essa virtude. Apenas as forças conservadoras armazenam energia potencial nos sistemas sobre os quais atuam.

Uma força conservadora é aquela para a qual o trabalho não depende do caminho percorrido pelo objeto, mas apenas do ponto de partida e do ponto de chegada. A força que impulsiona a queda da água é a gravidade, que é uma força conservadora.

Por outro lado, as forças elásticas e eletrostáticas também possuem essa qualidade, portanto, há energia potencial associada a elas.

As forças que não atendem ao requisito acima mencionado são chamadas de não conservadoras; Exemplos disso são o atrito e a resistência do ar.

Tipos de energia potencial

Uma vez que a energia potencial sempre deriva de forças conservativas como as já mencionadas, falamos de energia potencial gravitacional, energia potencial elástica, energia potencial eletrostática, energia potencial nuclear e energia potencial química.

Energia potencial gravitacional

Qualquer objeto tem energia potencial em função de sua altura em relação ao solo. Esse fato aparentemente simples ilustra por que a queda de água é capaz de acionar turbinas e, eventualmente, ser transformada em energia elétrica. O exemplo do esquiador mostrado aqui também mostra a relação do peso e da altura com a energia potencial gravitacional.

Outro exemplo é um carro de montanha-russa, que tem maior energia potencial quando está a uma certa altura acima do solo. Depois de atingir o nível do solo, sua altura é igual a zero e toda a sua energia potencial foi transformada em energia cinética (energia do movimento).

A animação mostra a troca entre a energia potencial gravitacional e a energia cinética de um objeto em movimento em uma montanha-russa. A soma de ambas as energias, denominada energia mecânica, é constante ao longo do movimento. Fonte: Wikimedia Commons.

Energia potencial elástica

Objetos como molas, arcos, bestas e elásticos são capazes de armazenar energia potencial elástica.

Ao puxar o arco, o arqueiro realiza um trabalho que é armazenado como energia potencial do sistema de arco e flecha. Quando você solta o arco, essa energia se transforma no movimento da flecha. Fonte: Pixabay.

A elasticidade de um corpo ou material é descrita pela lei de Hooke (até certos limites), que nos diz que a força capaz de exercer quando é comprimido ou esticado é proporcional à sua deformação.

Por exemplo, no caso de uma mola ou mola, isso significa que quanto mais ela encolhe ou estica, maior a força que pode exercer sobre um objeto colocado em uma extremidade.

Energia potencial eletrostática

É a energia que as cargas elétricas possuem em virtude de sua configuração. Cargas elétricas do mesmo sinal se repelem, portanto, para colocar um par de cargas positivas ou negativas em uma determinada posição, um agente externo deve trabalhar. Caso contrário, eles tenderiam a se separar.

Este trabalho é armazenado na forma como as cargas foram localizadas. Quanto mais próximas estiverem as cargas do mesmo sinal, maior será a energia potencial da configuração. O oposto acontece quando se trata de muitos signos diferentes; À medida que se atraem, quanto mais próximos estão, menos energia potencial têm.

Energia potencial nuclear

Representação aproximada do átomo de hélio. No núcleo, os prótons são representados em vermelho e os nêutrons em azul.

O núcleo atômico é formado por prótons e nêutrons, genericamente chamados de núcleons. Os primeiros têm carga elétrica positiva e os segundos são neutros.

Uma vez que eles estão aglomerados em um espaço minúsculo além da imaginação, e sabendo que cargas do mesmo signo se repelem, podemos nos perguntar como o núcleo atômico permanece coeso.

A resposta está em outras forças além da repulsão eletrostática, características do núcleo, como a interação nuclear forte e a interação nuclear fraca. Essas são forças muito fortes, excedendo em muito a força eletrostática.

Energia potencial química

Essa forma de energia potencial vem do modo como os átomos e moléculas das substâncias estão dispostos, de acordo com os diferentes tipos de ligações químicas.

Quando ocorre uma reação química, essa energia pode ser transformada em outros tipos, por exemplo, por meio de uma célula ou bateria elétrica.

Exemplos de energia potencial

A energia potencial está presente na vida diária de várias maneiras. Observar seus efeitos é tão fácil quanto colocar qualquer objeto a uma certa altura e ter a certeza de que ele pode rolar ou cair a qualquer momento.

Aqui estão algumas manifestações dos tipos de energia potencial descritos anteriormente:

-Montanhas-russas

-Carros ou bolas rolando colina abaixo

-Arcos e flechas

- Baterias elétricas

-Um relógio de pêndulo

Quando uma das esferas nas extremidades é colocada em movimento, o movimento é transmitido às outras. Fonte: Pixabay.

- Balançando em um balanço

-Pular na cama elástica

-Use uma caneta retrátil.

Veja: exemplos de energia potencial.

Cálculo de energia potencial

A energia potencial depende do trabalho realizado pela força e este por sua vez independe da trajetória, podendo-se afirmar que:

-Se A e B são dois pontos, o trabalho W _AB necessário para ir de A a B é igual ao trabalho necessário para ir de B a A. Portanto: W _AB = W _BA, então:

-E se duas trajetórias diferentes 1 e 2 são tentadas para unir os ditos pontos A e B, o trabalho realizado em ambos os casos também é o mesmo:

W ₁ = W ₂.

Em ambos os casos, o objeto experimenta uma mudança na energia potencial:

Bem, a energia potencial do objeto é definida como o negativo do trabalho realizado pela força (conservadora):

Mas uma vez que o trabalho é definido por este integral:

:

Observe que as unidades de energia potencial são as mesmas do trabalho. No SI International System, a unidade é o joule, abreviado J e igual a 1 newton x metro, do físico inglês James Joule (1818-1889).

Outras unidades de energia incluem o cgs erg, o pound-force x foot, o BTU (British Thermal Unit), as calorias e o quilowatt-hora.

Vejamos a seguir alguns casos particulares de como calcular a energia potencial.

Cálculo da energia potencial gravitacional

Nas proximidades da superfície terrestre, a força da gravidade aponta verticalmente para baixo e sua magnitude é dada pela equação Peso = massa x gravidade.

Denotando o eixo vertical com a letra “y” e atribuindo a esta direção o vetor unitário j, positivo para cima e negativo para baixo, a mudança na energia potencial quando um corpo se move de y = y _A para y = e _B é:

Cálculo da energia potencial elástica

A lei de Hooke nos diz que a força é proporcional à deformação:

Aqui x é a deformação ek é uma constante própria da mola, indicando quão rígida ela é. Por meio dessa expressão é calculada a energia potencial elástica, levando em consideração que i é o vetor unitário na direção horizontal:

Cálculo da energia potencial eletrostática

Quando você tem uma carga elétrica pontual Q, ela produz um campo elétrico que percebe outra carga pontual q, e que funciona sobre ela quando é movida de uma posição para outra no meio do campo. A força eletrostática entre duas cargas pontuais tem uma direção radial, simbolizada pelo vetor unitário r:

Figura por exemplo 1. Fonte: F. Zapata.

Solução

Quando o bloco está a uma altura h _A em relação ao solo, ele possui energia potencial gravitacional devido à sua altura. Quando liberada, essa energia potencial é gradualmente convertida em energia cinética e, à medida que desliza pela rampa curva e suave, sua velocidade aumenta.

Durante o caminho de A para B, as equações do movimento retilíneo uniformemente variado não podem ser aplicadas. Embora a gravidade seja responsável pelo movimento do bloco, o movimento que ele experimenta é mais complexo, porque a trajetória não é retilínea.

Conservação de energia no caminho AB

No entanto, como a gravidade é uma força conservadora e não há atrito na rampa, você pode usar a conservação da energia mecânica para encontrar a velocidade no final da rampa:

A expressão é simplificada observando que a massa aparece em cada termo. Ele é liberado do repouso v _A = 0. E h _B está no nível do solo, h _B = 0. Com essas simplificações, a expressão se reduz a:

Trabalho realizado esfregando na seção BC

Agora o bloco começa sua jornada na seção áspera com esta velocidade e finalmente para no ponto C. Portanto, v _C = 0. A energia mecânica não é mais conservada, porque o atrito é uma força dissipativa, que fez um trabalho no bloco dado por:

Este trabalho tem sinal negativo, pois o atrito cinético retarda o objeto, contrariando seu movimento. A magnitude do atrito cinético f _k é:

Onde N é a magnitude da força normal. A força normal é exercida pela superfície sobre o bloco, e como a superfície é totalmente horizontal, ela equilibra o peso P = mg, portanto a magnitude do normal é:

O que leva a:

O trabalho que f _k faz no bloco é: W _k = - f _k.D = - μ _k.mg.D.

Cálculo da mudança na energia mecânica

Este trabalho equivale à variação da energia mecânica, calculada assim:

Nesta equação existem alguns termos que desaparecem: K _C = 0, pois o bloco para em C e U _C = U _B também desaparecem, pois esses pontos estão no nível do solo. A simplificação resulta em:

A massa novamente se cancela e D pode ser obtido da seguinte forma:

Referências

1. Bauer, W. 2011. Physics for Engineering and Sciences. Volume 1. Mc Graw Hill.
2. Figueroa, D. (2005). Série: Física para Ciência e Engenharia. Volume 2. Dynamics. Editado por Douglas Figueroa (USB).
3. Giancoli, D. 2006. Física: Princípios com Aplicações. 6º. Ed Prentice Hall.
4. Knight, R. 2017. Physics for Scientists and Engineering: a Strategy Approach. Pearson.
5. Sears, Zemansky. 2016. Física Universitária com Física Moderna. 14º. Ed. Volume 1-2.