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Índice
Introdução
A energia potencial é uma forma de energia mecânica que depende da posição em que um corpo se encontra. É um tipo de energia que se encontra armazenada no sistema, de acordo com a posição do corpo, e pode ser convertida em energia cinética.
Os dois principais tipos de energia potencial são a energia potencial gravitacional e a energia potencial elástica.
Principais conclusões
- Energia potencial é a energia mecânica armazenada que depende da posição de um corpo em um campo; representa capacidade de transformação em energia cinética e inclui as formas gravitacional e elástica.
- Energia potencial atua por meio do trabalho das forças: E_pg = m·g·h usa altura relativa a um referencial; E_pel = ½kx² usa deformação da mola; ambas em joules e convertem-se em energia cinética quando liberadas.
- A fórmula E_pg = m·g·h vale perto da superfície terrestre onde g é praticamente constante; variações grandes de g entram no domínio da gravitação; energia elástica aparece em molas e elásticos; energia elétrica é estudada na eletrostática.
- No Enem, erros comuns são não definir o referencial para h, confundir o sinal da energia potencial quando h é negativa e tratar g como variável sem justificativa; questões exploram conservação de energia e ligação com eletrostática.
- Conhecer energia potencial é essencial para aplicar conservação de energia em problemas, projetar molas e amortecedores, analisar transformações entre energia armazenada e movimento e avaliar segurança e eficiência em sistemas práticos.
Energia potencial gravitacional
Esse tipo de energia é aquela que um corpo possui ao estar em uma certa altura, enquanto imerso em um campo gravitacional. Seu valor pode ser obtido pelo trabalho da força peso, que corresponde a uma variação de energia.
$$ E_{PG} = m \cdot g \cdot h $$
Onde:
- \( m \) é a massa do corpo, em quilogramas (kg);
- \( g \) é a aceleração da gravidade local, em \( m / s^{2} \);
- \( h \) é a altura do corpo, em metros.
Utilizando essas unidades do Sistema Internacional, a energia potencial gravitacional estará em joules (J).
A altura do corpo deve ser medida em relação a algum referencial, ou seja, deve-se estabelecer algum ponto no qual a altura seja zero.
Em muitos problemas, é conveniente estabelecer altura zero no nível do solo (o que faz mais sentido, intuitivamente). Contudo, em algumas situações, pode ser útil colocar o referencial em outro nível.
Caso o corpo esteja em uma posição abaixo do nível de altura nula, pode-se considerar que ele tem altura negativa e, portanto, energia potencial gravitacional negativa.
O conceito dessa energia potencial se baseia no fato de que, quanto maior a altura em que um corpo se encontra, maior velocidade ele adquirirá no final da queda. Em termos de energia, quanto maior a energia potencial gravitacional, maior será a energia cinética gerada pela queda. Essa transformação entre os tipos de energia é realizada pela força peso.
Observação: A fórmula \( E_{PG} = m \cdot g \cdot h \) é válida para corpos próximos da superfície da Terra, onde o campo gravitacional é constante (ou seja, o valor de \( g \) não se altera com a altura). Os casos em que isso não é válido, ou seja, em que há variação de altura suficientemente grande para alterar o valor de \( g \), são estudados pela gravitação.
Energia potencial elástica
Essa forma de energia corresponde à energia armazenada por uma mola ao ser comprimida ou distendida. Seu valor é obtido pelo trabalho da força elástica, de valor:
$$ E_{PEl} = \frac{k \cdot x^{2}}{2} $$
Onde:
- \( k \) é a constante elástica da mola, em \( N/m \);
- \( x \) é o deslocamento em relação à posição de equilíbrio, em metros.
A posição x=0 corresponde ao equilíbrio da mola, ou seja, ao estado da mola sem nenhuma força agindo sobre ela - nem comprimida nem distendida.
No Sistema Internacional, a unidade da energia é o joule (J).
Além de molas, elásticos também podem armazenar energia potencial elástica quando distendidos.
Assim como a energia potencial gravitacional, a potencial elástica também pode ser convertida em cinética. Acoplando um corpo à extremidade de uma mola, deformando-a e depois liberando o sistema, ocorrerá a transformação da energia potencial da mola em energia cinética do bloco.
Outro tipo de energia potencial é a energia potencial elétrica, que é estudada na eletrostática.
Exercício de fixação
Exercícios sobre Energia Potencial | O Que é, Tipos, Fórmula e O Que Cai no Enem para vestibular
ENEM/2012
Os carrinhos de brinquedo podem ser de vários tipos. Dentre eles, há os movidos a corda, em que uma mola em seu interior é comprimida quando a criança puxa o carrinho para trás. Ao ser solto, o carrinho entra em movimento enquanto a mola volta à sua forma inicial.
O processo de conversão de energia que ocorre no carrinho descrito também é verificado em:
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