sexta-feira, 26 de fevereiro de 2016

Energia Cinética, Potencial e Mecânica Para o ENEM



Para dar continuidade aos estudos envolvendo energia, hoje vamos ver alguns conceitos e fórmulas da física bastante estudados e cobrados na prova de Ciências da Natureza e Suas Tecnologias do Enem, que são os tipos de energia: cinética, potencial (gravitacional, elástica e elétrica) e mecânica.
Primeiramente, precisamos entender que quando não há forças dissipativas envolvidas, ou seja, não há perda de energia para o ambiente, a energia mecânica do sistema deve se conservar. Para isso, as energias cinética e potencial se convertem uma à outra, mas conservam o total (mecânica).
Mecânica = Cinética + Potencial


Energia Cinética (EC)

É a energia ligada ao movimento, logo, tem relação direta com a velocidade do objeto. Ou seja, um corpo parado nunca apresentará energia cinética!
cinetica
Sendo m = massa (kg) e v = velocidade (m/s).

Energia Potencial

É a energia que tem potência para entrar em movimento. A energia potencial vai diminuir na mesma proporção que a cinética aumentar, e vice-versa. Ou seja, conforme aumenta o movimento, diminui o potencial para o movimento. Vamos ver separadamente cada uma delas.

Energia Potencial Gravitacional (EPG)

Como o nome diz, está ligada à gravidade. Para haver a força da gravidade sobre um objeto, é necessário que ele esteja à alguma altura do chão. Lembre-se: algo que está “no alto”, cai pela ação da gravidade, ou seja, tem potencial para cair.
potencial gravitacional
Sendo m = massa (kg) , g = a aceleração da gravidade (10m/s²) e h = altura do objeto ao chão (m).

Energia Potencial Elástica (EPE)

É a energia ligada à elasticidade. Pense assim: quando você estica uma mola, o que acontece? Ela ganha “potência” para entrar em movimento. Você esticou e ao soltar, a mola “sozinha” entra em movimento.
elastica
Sendo k = constante elástica do material, geralmente fornecido no enunciado das questões e x = deformação sofrida pelo material (o tanto que contraiu ou esticou).

Energia Potencial Elétrica (EPEle)

Cargas elétricas também são fontes de energia potencial. A expressão utilizada é:
potencial_eletrica
Sendo k = constante eletrostática (9.10^9 N.m²/C²), Q e q = cargas elétricas (C) e d = distância entre as cargas (m).
Vale lembrar que a unidade de medida de energia é Joule.
Para fixar os conceitos apresentados acima, vamos ver a resolução de uma questão que caiu no Enem 2011 sobre o assunto?
Enem 2011 – Caderno Amarelo – Questão 85
Uma das modalidades presentes nas olimpíadas é o salto com vara. As etapas de um dos saltos de um atleta estão representadas na figura:
1imagem
Desprezando-se as forças dissipativas (resistência do ar e atrito), para que o salto atinja a maior altura possível, ou seja, o máximo de energia seja conservada, é necessário que
a) a energia cinética, representada na etapa I, seja totalmente convertida em energia potencial elástica representada na etapa IV.
b) a energia cinética, representada na etapa II, seja totalmente convertida em energia potencial gravitacional, representada na etapa IV.
c) a energia cinética, representada na etapa I, seja totalmente convertida em energia potencial gravitacional, representada na etapa III.
d) a energia potencial gravitacional, representada na etapa II, seja totalmente convertida em energia potencial elástica, representada na etapa IV.
e) a energia potencial gravitacional, representada na etapa I, seja totalmente convertida em energia potencial elástica, representada na etapa III.

RESOLUÇÃO E COMENTÁRIOS
Alternativa C
Para esta questão vamos relembrar quatro conceitos:
Energia Cinética: onde a manifestação pode ser observada através da velocidade v de um corpo de massa m através da relação:
2imagem
Energia Potencial gravitacional: onde a manifestação pode ser observada através da altura h de um corpo de massa m em relação a um referencial ao qual está submetido à ação da aceleração da gravidade:
3imagem
Energia Potencial elástica: onde a manifestação pode ser observada através da deformação x de uma mola de constante elástica k:
4imagem
Sistema Conservativo: é aquela onde, se todas as forças que nele atuam são conservativas, a soma das energias cinética e potencial é constante.
De acordo com estes conceitos, vamos analisar, da passagem de uma etapa para outra, quais energias
envolvidas foram transformadas:
Etapa I para Etapa II:
Durante a Etapa I, o garoto correndo possui energia cinética. Já na Etapa II ele irá tencionar a vara. Deste modo a energia cinética será transformada em energia potencial elástica.
Etapa II para Etapa III:
Na Etapa III, o garoto adquiriu altura em decorrência da deformação negativa da vara. Em outras palavras, a energia potencial elástica adquirida pela vara será devolvida ao garoto na forma de energia potencial gravitacional.
Etapa III para IV:
Na Etapa IV, o garoto, ao liberar a vara, caiu no colchão. Ou seja, a energia potencial gravitacional adquirida na etapa anterior se transforma novamente em energia cinética até que o garoto toque o colchão.
Logo, a única alternativa que descreve corretamente cada etapa com sua respectiva energia envolvida é a letra C.
Comentário: Uma questão bastante interessante onde relaciona os conceitos de energia cinética e potencial com a modalidade olímpica de salto com vara. É evidente que o aluno, para resolver esta questão, possua conhecimentos mínimos sobre o assunto. Porém, mais uma vez, a análise das alternativas e através da eliminação seria possível o aluno chegar à resposta correta.
Conteúdo envolvido: Energia Mecânica.
Ufa, que resolução! As explicações acima foram realizadas pelos professores Felipe Magalhães e Fernando Buglia, ambos graduados em Física pela UNICAMP e responsáveis pelas soluções de todas as questões de física das últimas seis edições do Enem das Apostilas para o Enem 2015.CLIQUE AQUI para adquirir seu kit agora mesmo!.

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    Artigo Original: Energia Cinética, Potencial e Mecânica Para o Enem Baixe gratuitamente o e-Book: Manual do Sisu 2015 / Manual do Prouni 2015

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