Energia é um conceito relacionado à ideia de habilidade ou força para fazer algo. Dependendo da área de estudo, o significado específico pode variar, mas está sempre ligado a essa capacidade de ação . Na física, a mecânica clássica define energia como a capacidade de trabalho e afirma que a quantidade de energia contida em um sistema fechado é sempre a mesma, permanece constante, mas pode ser transformada em diferentes formas ou tipos e pode ser transferida de uma partícula para outra. de outros.

Entre os tipos de energia que conhecemos está a mecânica, que pode ser usada diretamente para realizar trabalho mecânico, ou seja, para alterar o estado de movimento ou a configuração de um corpo. Existem dois tipos de energia mecânica, energia cinética e energia potencial , cuja soma é igual à energia mecânica do sistema.

A diferença entre as duas é que a energia cinética está associada ao movimento, enquanto a energia potencial está associada à posição ou configuração em relação a um campo de força. Se houver movimento, a posição muda e, portanto, também a energia potencial. Vamos ver em que consiste cada um e sua relação.

Energia cinética

A energia cinética (designado E c ) é a de um corpo em movimento. Este conceito, que vai da mecânica clássica à mecânica quântica, é definido como o trabalho que deve ser feito para trazer uma determinada pessoa de uma velocidade zero (estado de repouso) para sua velocidade atual e metade de sua massa é igual ao quadrado da velocidade:

Ao aplicar essa energia ao corpo, ele acelera até atingir a velocidade indicada e, uma vez que chega ao corpo, mantém a mesma energia cinética, a menos que a velocidade mude. Para que o corpo volte ao estado de repouso, é necessário aplicar um trabalho de mesma magnitude, mas na direção oposta. A energia cinética também é expansiva, portanto pode ser obtida como a soma da energia cinética de cada partícula que compõe um sistema.

Energia potencial

Energia potencial é aquela que um corpo possui devido à sua posição ou configuração dentro de um campo de força conservador , que se caracteriza pelo fato de que o trabalho total realizado pelo campo para uma partícula realizar um movimento em um caminho fechado é igual a zero. ., por exemplo, uma órbita planetária. Ou seja, o trabalho total para mudar o sistema de uma determinada configuração para voltar à mesma configuração é zero independente do caminho percorrido, portanto o trabalho depende apenas do estado inicial e final .

Para explicar o conceito de energia potencial, costuma-se pensar nela como a energia que uma partícula armazena ao mudar de posição dentro de um campo de força conservador. Para que a partícula vá do ponto A ao ponto diferente de B, trabalho deve ser aplicado à partícula. A energia deste trabalho é transferida para o participante e transformada em energia potencial. Para retornar do ponto B ao ponto A, o mesmo trabalho deve ser aplicado no sentido oposto, de forma que o trabalho total na trajetória fechada, qualquer que seja a trajetória seguida, seja igual a zero.

Nas condições de um campo conservador, a energia potencial é definida como:

De onde se segue que a força aplicada do ponto A ao ponto B é igual ao gradiente inverso entre os pontos do campo de força:

Existem três tipos de campos conservadores e três tipos de energia potencial associada:

  1. Energia potencial gravitacional : é a energia potencial devida ao campo gravitacional. Depende da distância (altura relativa) ao centro de massa entre dois objetos.
  2. Energia potencial eletrostática : devido ao campo gerado pelas forças de interação entre partículas de carga oposta.
  3. Energia potencial elástica : também chamada de energia de deformação, é a energia mecânica potencial que um sistema armazena ao aplicar forças que mudam sua forma ou volume, mas não geram mudanças termodinâmicas irreversíveis.

Exemplo: relação entre energia cinética e energia potencial gravitacional

Para visualizar como a energia cinética e a energia potencial são duas formas de energia mecânica, podemos usar o exemplo clássico de levantar uma pedra do solo contra a força do campo gravitacional. A energia potencial da pedra é dada por sua massa, a força da gravidade e a altura:

Onde U g é a energia potencial gravitacional, m é a massa do corpo, g é a força da gravidade eh é a sua altura (distância ao centro de massa entre a Terra e a pedra ou centro de gravidade).

Para levantar a pedra teremos que aplicar trabalho com uma força maior que a força da gravidade, mas na direção oposta. Ao aplicar essa força à pedra, transferimos a energia que é transformada em energia cinética para que a pedra se mova para cima. Continuamos aplicando a força até atingirmos a altura de 1m e paramos a pedra. Agora a energia cinética torna-se zero e é transformada em energia potencial gravitacional que é armazenada na pedra.

Se agora liberarmos a pedra e deixá-la cair, a energia potencial gravitacional armazenada é transformada de volta em energia cinética e a pedra cai até atingir o ponto inicial, momento em que terá a mesma energia total de antes de levantá-la.