Na física, o conceito de energia gravitacional trata sobre todo o conteúdo energético que está armazenado em um corpo, a depender de sua posição em altura, trata-se de um tipo de energia potencial. A principal função é transformar-se em energia cinética, que permite a movimentação dos objetos no espaço.
O Enem é uma prova que, com muita frequência, cobra questões sobre energia gravitacional, potencial e cinética, de diferentes pontos de vista: tanto em termos conceituais, como no sentido matemático, com cálculos e uma interpretação mais exata dos fenômenos.
Para te ajudar com esse assunto, a Coruja preparou um resumo sobre a definição, tipos e características da energia potencial, acompanhada das principais fórmulas físicas. Além disso, veja resolução de questões do Enem que cobram o tema. Continue lendo e conheça mais!
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O que é energia potencial?
Quando uma energia está armazenada em um corpo qualquer, é denominada de energia potencial. Geralmente, esse potencial energético acontece porque o corpo está em uma posição do espaço que é influenciado pela gravidade ou constantes elásticas.
Ou seja, pode cair e sofrer aceleração; em física, a aceleração está atrelada à velocidade e assim o corpo pode se mover, o que transforma a energia armazenada em energia cinética. Por outro lado, em molas e elásticos, há sempre uma capacidade de se deformar e liberar energia, como quando um estilingue é utilizado — isso significa que o material armazena energia potencial e também pode haver transformação para cinética.
A conversão do potencial energético em uma tipo específico de energia (cinética ou gravitacional, por exemplo) depende da ação de uma força sobre o corpo. Por definição física, a resultante das forças sobre um sistema é dada pela multiplicação entre massa e aceleração, o que modifica o estado do corpo no espaço — traz para um deslocamento ou deformação do corpo.
O conceito de energia potencial independe do caminho tomado pelo corpo, apenas de sua posição no espaço e do armazenamento energético possível. Diante disso, considera-se apenas a posição inicial e final do objeto.
Energia potencial gravitacional
Como aponta o nome, a energia potencial gravitacional diz respeito à energia armazenada em um sistema a partir de sua altura. Afinal, com a diferença de altura até o solo, a aceleração da gravidade terá influência sobre o corpo, gerando energia cinética, que tem relação com a velocidade.
Se uma força é necessária para transformar a energia potencial em outras formas energéticas, a principal entidade que atua neste caso é a força peso. Lembre-se que ela será definida pela massa do corpo (m) multiplicada pela aceleração da gravidade (g): P = m.g.
Com isso, a energia armazenada naquele corpo é dada pelo trabalho que pode ser realizado pela força peso. Em física, a definição de trabalho (T) é dada por T = Força.distância percorrida, então a energia potencial gravitacional será tomada como:
E Potencial Gravitacional = T Força Peso = Força peso.distância percorrida
Nesse caso, a distância de deslocamento do corpo é dada pela altura do objeto em relação ao solo (h):
E potencial gravitacional = TForça Peso = Força peso.altura
E Potencial Gravitacional = TForça Peso = m.g.h
E Potencial Gravitacional = P.h
É importante manter as unidades conforme o Sistema Internacional de Unidades:
- A massa é dada em unidades de quilogramas (kg);
- A gravidade é referida como uma aceleração m/s2;
- h, a altura deve ser inserida na unidade de metros (m); e
- As energias são sempre medidas em Joules (J).
Para a determinação da altura, é necessário encontrar um marco zero da trajetória vertical. Em geral, admite-se que o solo vale 0 e tudo que está acima dele será quantificado em metros. Por exemplo, sendo o chão o ponto inicial, um edifício de altura 200m terá h = 200m.
Energia potencial elástica
A energia potencial elástica trata sobre o armazenamento energética em corpos que apresentam consta elástica, como molas e tecidos elásticos. Por exemplo, quando esticamos um elástico em sua capacidade máxima e depois ele é solto ou afrouxado bruscamente, a energia é transformada em cinética, a partir da força elástica (FEL).
Como fórmula, esse tipo de energia potencial é dado pelo trabalho da FEL:
E Potencial Elástico : (k.x2)/2
Nesse cálculo k é a constante elástica, medida em N/m e x é o deslocamento em relação a posição de equilíbrio (tamanho natural do elástico ou mola), ele também é medido em metros. Por fim, a energia potencial elástica será medida em Joules (J).
Questões do Enem
(Enem 2017) Bolas de borracha, ao caírem no chão, quicam várias vezes antes que parte da sua energia mecânica seja dissipada. Ao projetar uma bola de futsal, essa dissipação deve ser observada para que a variação na altura máxima atingida após um número de quiques seja adequada às práticas do jogo. Nessa modalidade é importante que ocorra grande variação para um ou dois quiques. Uma bola de massa igual a 0,40 kg é solta verticalmente de uma altura inicial de 1,0 m e perde, a cada choque com o solo, 80% de sua energia mecânica. Considere desprezível a resistência do ar e adote g = 10 m/s2.
O valor da energia mecânica final, em joule, após a bola quicar duas vezes no solo, será igual a:
a) 0,16.
b) 0,80.
c) 1,60.
d) 2,56.
e) 3,20.
Com as informações do enunciado, podemos complicar que
m = 0,4 kg
g = 10 m/s2
h = 1m
A energia potencial gravitacional inicial será dada por:
EPG1 = m.g.h
EPG1 = 0,4.10.1
EPG1 = 4 J
Ao chocar com o chão pela primeira vez, 80% dessa energia será perdida para o ambiente:
Perda ao primeiro choque = EPG1 . 0,8
Perda ao primeiro choque = 4 . 0,8
Perda ao primeiro choque = 3,2
A energia armazenada, depois disso, será dada pela diferença entre EPG1 e a perda ao primeiro choque:
EPG2 = EPG1 – Perda ao primeiro choque
EPG2 = 4 – 3,2
EPG2 = 0,8
Agora, haverá um segundo choque da bola contra o chão, também com perda de 80% dessa energia EPG2.
Perda ao segundo choque = EPG2 . 0,8
Perda ao segundo choque = 0,8 . 0,8
Perda ao segundo choque = 0,64
Novamente, a energia ao final desse processo (EPG3) será considerada como:
EPG3 = EPG2 – Perda ao segundo choque
EPG3 = 0,8 – 0,64
EPG3 = 0,16, como aponta a alternativa A.
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