Energia potencial: características, tipos, cálculos e exemplos - Ciência - 2023

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o energia potencial É a energia que os corpos possuem em virtude de sua 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 seres humanos têm aproveitado a energia potencial das cachoeiras desde tempos imemoriais, primeiro girando em moinhos e depois em usinas hidrelétricas.

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

A energia potencial oferece muitas possibilidades de ser transformada em outras formas de energia utilizáveis, 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

Visto 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 dependendo de sua altura em relação ao solo. Esse fato aparentemente simples ilustra por que a queda de água é capaz de acionar turbinas e, por fim, ser transformada em energia elétrica. O exemplo de esquiadores mostrado aqui também mostra a relação de peso e 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. Uma vez atingido o nível do solo, sua altura é igual a zero e toda a sua energia potencial foi transformada em energia cinética (energia do movimento).

Energia potencial elástica

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

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 se contrai ou se 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, então, 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 signo, 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

O núcleo atômico é formado por prótons e nêutrons, genericamente chamados 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, típicas do núcleo, como a interação nuclear forte e a interação nuclear fraca. Essas são forças muito fortes, que excedem 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 bateria ou célula elétrica.

Exemplos de energia potencial

A energia potencial está presente na vida cotidiana 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

- 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 para B é igual ao trabalho necessário para ir de B para A. Portanto: W_AB = W_BA, assim que:

W_AB + W_BA = 0

-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:

W₁ = W₂.

Em qualquer caso, o objeto experimenta uma mudança na energia potencial:

Mudança = Energia potencial final - Energia potencial inicial

ΔU = U_final- OU_inicial = U_B - OU_PARA

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

ΔU = -W_AB

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, que é abreviado J e é equivalente a 1 newton x metro, do físico inglês James Joule (1818-1889).

Outras unidades de energia incluem o cgs erg, a libra-força x pé, o BTU (Unidade Térmica Britânica), calorias e quilowatt-hora.

Vejamos agora 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 equaçãoPeso = 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_PARA até y = y_B isto é:

U (y) = mgy

Cálculo da energia potencial elástica

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

F = -k.x

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

U (x) = ½ kx²

Cálculo da energia potencial eletrostática

Quando você tem uma carga elétrica pontual Q, ela produz um campo elétrico que percebe outra carga pontual o que, e que funciona quando é movido 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:

Exercícios resolvidos

- Exercício 1: uma mola que se estende

Uma mola cuja constante é k = 10,0 N / cm inicialmente se estende 1,00 cm de seu comprimento de equilíbrio. Você deve calcular a energia adicional necessária para esticar a mola em 5,00 cm além de seu comprimento de equilíbrio.

Solução

Substituindo diretamente x = 1,00 cm na equação por U (x), obtemos N.cm, mas os centímetros devem ser convertidos em metros para obter a energia em joules:

U (1) = 0,5 x 10,0 N / cm x (1,00 cm)² = 5 N. cm = 0,05 J; U (5) = 0,5 x 10,0 N / cm x (5,00 cm)² = 125 N.cm = 1,25 J

Portanto, a diferença de energia procurada é 1,25 - 0,05 J = 1,20 J.

- Exercício 2: forças conservadoras e não conservadoras

Um pequeno bloco é liberado do repouso do ponto A, de modo que desliza ao longo da rampa curva sem atrito até o ponto B. A partir daí, ele entra em uma superfície horizontal longa e rugosa, com um coeficiente de atrito dinâmico μ_k = 0,2. Descubra a que distância do ponto B ele para, assumindo que h_PARA= 3m.

Solução

Quando o bloco está a uma altura h_PARA Com relação ao solo, 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:

Energia mecânica em A = energia mecânica em B

m.g.h_PARA + ½ m.v_PARA² = m.g.h_B + ½ m.v_B²

A expressão é simplificada observando que a massa aparece em cada termo. É liberado do repouso v_PARA= 0. E h_B está ao nível do solo, h_B = 0. Com essas simplificações, a expressão se reduz a:

v_B²= gh_PARA

Trabalho realizado esfregando na seção BC

Agora o bloco começa sua jornada na seção aproximada 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 trabalho no bloco dado por:

W_toque = - força de atrito x distância percorrida

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

F_k = μ_k .N

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, equilibra o peso P = mg, portanto, a magnitude do normal é:

N = mg

O que leva a:

F_k = μ_k .mg

O trabalho que F_kfaz sobre o bloqueio é: W_k = - f_k .D = - μ_k .mg.D.

Cálculo da mudança na energia mecânica

Este trabalho é equivalente a mudança na energia mecânica, calculado assim:

Energia mecânica em C - Energia mecânica em B =

ΔE_m = (U_C + K_C) - (OU_B + K_B)= – μ_k .mg.D

Nesta equação, existem alguns termos que desaparecem: K_C = 0, já que o bloco para em C e U também desaparece_C = U_B, porque esses pontos estão no nível do solo. A simplificação resulta em:

- K_B = – μ_k .m.g.D

½ m.v_B² = μ_k .m.g.D

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

D = (½ v_B²)/( μ_k . g) = (½ v_B²)/( μ_k . g) = (½g.h_PARA)/(μ_k . g) = (½h_PARA)/μ_k = 0,5 x 3 m / 0,2 = 7,5 m

Referências

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