A energia mecânica é igual à soma da quantidade de energia cinética e de energia potencial de um corpo ou sistema. Aprenda o que isso significa neste resumo de Física para o Enem!
Para a física, a energia pode ser definida como a capacidade de realizar trabalho. Existem vários tipos de energia, sendo que os principais são energia mecânica, térmica, elétrica, química e nuclear. Nesta aula você irá aprender mais sobre a energia mecânica, como ela se comporta e qual a sua fórmula. Também verá um exemplo de exercício resolvido e vai poder testar seus conhecimentos com o nosso simulado!
O que é energia mecânica
A energia mecânica de um corpo ou de um sistema de corpos é a soma da quantidade de energia cinética e de energia potencial. Ela pode se manifestar de diversas maneiras em diferentes situações.
Por exemplo: durante um salto em uma apresentação de ginástica olímpica, o ginasta pode ter, ao mesmo tempo, energia cinética e energia potencial gravitacional. Além disso, à medida que realiza seus movimentos, um tipo de energia pode ir se transformando na outra.
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Essas duas modalidades de energia também podem se manifestar em outras situações, como um automóvel que se desloca por uma ladeira, descendo ou subindo.
Conservação da energia mecânica
Em alguns casos específicos, a energia mecânica do corpo se conserva, e o sistema é então chamado de sistema conservativo.
Contudo, na maior parte dos casos, a energia mecânica não se conserva, ou seja, a energia final não tem o mesmo valor que a inicial em um evento. Nesses casos, ocorre uma variação da energia mecânica durante o processo.
Essa variação de energia é decorrente da ação de forças não conservativas, como a força de atrito, a força de tração presente em cordas e cabos etc. Essas forças acabam “roubando” um pouco ou até toda a energia existente durante o processo.
Para você entender, imagine um carrinho de supermercado empurrado numa superfície horizontal um tanto áspera sob ação da força de atrito. Enquanto o carrinho se movimenta, a força de atrito realiza trabalho resistente ao movimento, pois tem sentido contrário a ele.
Ao deixar de ser empurrado, essa força de atrito estará minando toda a energia de movimento. Isso faz com que a energia mecânica do carrinho diminua até ele parar.
Fórmula da energia mecânica
Essa variação pode ser calculada através do teorema da energia mecânica. De acordo com o teorema, o trabalho realizado pelas forças não conservativas existentes é igual à energia mecânica inicial menos a final. Isso resulta na seguinte fórmula:
Tfnc = |Emi – Emf|
Cabe observar que essa variação é obtida através da diferença da quantidade de energia em dois momentos, inicial e final, não importando qual é o maior.
Sistema conservativo e sistema não conservativo
Para você entender melhor o que acabei de escrever, pense em um objeto de massa e área pequenas sofrendo a ação do vento. Por exemplo, uma bolinha de papéis amassados.
Imagine essa bolinha caindo de uma certa altura em queda livre. De repente, passa a atuar um vento de cima para baixo empurrando a bolinha ainda mais para baixo. O que está acontecendo com sua energia mecânica?
À medida que a bolinha cai, sua energia cinética aumenta, pois está cada mais rápida. Em contrapartida, sua energia potencial diminui, pois a altura vai diminuindo. Entretanto, no momento em que surge esse vento, a bolinha passa a ter mais energia devido ao trabalho realizado pela força do vento.
Se o vento persistir até a superfície, quando a bolinha tocar o solo teremos como energia mecânica a soma da energia cinética mais o trabalho realizado pela força do vento. Ou seja: ao tocar o solo, a energia será maior do que a do início de sua queda.
Concluindo, então:
Em um sistema conservativo, a energia mecânica inicial é sempre igual à final. Não há ganho nem perda de energia durante o processo.
Em um sistema não conservativo, a energia mecânica final nunca é igual à inicial. Sempre há perda ou ganho de energia durante o processo.
Exemplos de exercícios
A fim de que você entenda como esse conteúdo é cobrado no Enem e nos vestibulares, vamos resolver dois exemplos.
Exemplo 1
Uma garota de massa igual a 39 kg corre e salta sobre um tapete de massa 1 kg, fazendo-o deslizar pela sala. Sabendo que o conjunto garota-tapete adquire velocidade de 2 m/s, deslizando 4 metros até parar, determine:
A energia inicial do conjunto logo após a garota pular sobre o tapete;
A energia do conjunto após o deslizamento;
O trabalho da força de atrito.
Resolução:
Como o chão é horizontal, a energia mecânica do conjunto garota-tapete é constituída apenas por energia cinética. Dessa forma, a energia mecânica inicial do conjunto corresponde a sua energia cinética inicial:
Ao final do deslizamento, a velocidade do conjunto é nula porque ele para. Portanto, suas energias cinética mecânica também são nulas.
Para determinar o trabalho da força de atrito, podemos aplicar o teorema da energia mecânica. Como o movimento é horizontal, a única força não conservativa que realiza trabalho é o atrito. Consequentemente, temos:
Tforça de atrito = Efmecânica – Eimecânica
Como a energia mecânica final é nula, então o trabalho da força de atrito é igual à energia inicial, que é de 80 J.
Exemplo 2
(FAMEMA SP/2020) A figura mostra uma esfera, de 250 g, em repouso, apoiada sobre uma mola ideal comprimida. Ao ser liberada, a mola transfere 50 J à esfera, que inicia, a partir do repouso e da altura indicada na figura, um movimento vertical para cima.
Desprezando-se a resistência do ar e adotando-se a máxima altura que a esfera alcança, em relação à altura de sua partida, é
a) 40 m.
b) 25 m.
c) 20 m.
d) 10 m.
e) 50 m.
Resolução:
Para resolver esse exercício, precisamos aplicar a fórmula da conservação de energia mecânica: Eelástica = Epot. Para isso, utilizaremos a fórmula de energia potencial gravitacional, que é E = mgh. Veja:
Eelástica = Epot
Ee = m g H
50 = 0,2510H
H = 20 m
Portanto, a alternativa correta é a letra c) 20m.
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Exercícios
Por fim, resolva os exercícios para testar seus conhecimentos:
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Pergunta 1 de 10
1. Pergunta
(UNIFOR CE/2018)
Dois irmãos, Jorge e Rodrigo, resolvem testar as leis da Física em um tobogã. Jorge está inicialmente à uma altitude H, maior que a altitude inicial de Jorge, que é h = H/2. Rodrigo possui o dobro do peso de Jorge. Ao som de um apito, os dois começam a escorregar descendo pelo tobogã. Despreze as forças de atrito. É correto afirmar que, nessa situação, ao atingirem o nível do solo, Jorge e Rodrigo terão energias cinéticas:
Correto
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Incorreto
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Pergunta 2 de 10
2. Pergunta
(UEFS BA/2017)
A figura representa um sistema massa-mola ideal, cuja constante elástica é de 4N/cm. Um corpo de massa igual a 1,2kg é empurrado contra a mola, comprimindo-a de 12,0cm. Ao ser liberado, o corpo desliza ao longo da trajetória representada na figura. Desprezando-se as forças dissipativas em todo o percurso e considerando a aceleração da gravidade igual a 10m/s2, é correto afirmar que a altura máxima H atingida pelo corpo, em cm, é igual a
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Pergunta 3 de 10
3. Pergunta
(IBMEC SP Insper/2017)
Certa montadora automobilística apregoa que a potência dos motores dos veículos por ela produzidos é de 150 cv (cavalo-vapor). Em testes de pista realizados por uma revista especializada, um dos veículos da montadora, de massa 1 400 kg, atingiu a velocidade de 144 km/h em 10,0 s, partindo da imobilidade e deslocando-se em pista horizontal e retilínea.
Se, uma vez atingida a máxima velocidade e com o motor em ponto morto, o veículo colidisse, frontal e inelasticamente, com uma carreta parada, de 600 kg de massa, a energia dissipada nessa colisão, em kJ, seria mais próxima de
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Pergunta 4 de 10
4. Pergunta
(UERJ/2017)
Duas carretas idênticas, A e B, trafegam com velocidade de 50 km/h e 70 km/h, respectivamente.
Admita que as massas dos motoristas e dos combustíveis são desprezíveis e que EA é a energia cinética da carreta A e EB a da carreta B.
A razão EA/EB equivale a:
Correto
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Pergunta 5 de 10
5. Pergunta
(FM Petrópolis RJ/2017)
No dia 15 de fevereiro de 2014, em Donetsk, na Ucrânia, o recorde mundial de salto com vara foi quebrado por Renaud Lavillenie com a marca de 6,16 m. Nesse tipo de salto, o atleta realiza uma corrida e utiliza uma vara para conseguir ultrapassar o “sarrafo” – termo utilizado para se referir à barra horizontal suspensa, que deve ser ultrapassada no salto.
Considerando que ele ultrapassou o sarrafo com uma velocidade horizontal da ordem de 1 cm/s, fruto das transformações de energia ocorridas durante a prova, tem-se que, após perder o contato com a vara, no ponto mais alto de sua trajetória, a energia mecânica associada ao atleta era
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Pergunta 6 de 10
6. Pergunta
(PUCCAMP SP/2017)
Na formação escolar é comum tratarmos de problemas ideais, como lançamentos verticais de objetos nos quais se despreza a resistência do ar. Mas podemos também abordar um problema destes sem esta simplificação.
Um objeto é lançado verticalmente pra cima, a partir do solo, com velocidade 20 m/s. Na subida este objeto sofre uma perda de 15% em sua energia mecânica devido às forças dissipativas.
Adotando-se g = 10 m/s², a altura máxima que será atingida por este objeto em relação ao solo será, em metros, de:
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Pergunta 7 de 10
7. Pergunta
(Mackenzie SP/2017)
Um Drone Phanton 4 de massa 1300 g desloca-se horizontalmente, ou seja, sem variação de altitude, com velocidade constante de 36,0 km/h com o objetivo de fotografar o terraço da cobertura de um edifício de 50,0 m de altura. Para obter os resultados esperados o sobrevoo ocorre a 10,0 m acima do terraço da cobertura. A razão entre a energia potencial gravitacional do Drone, considerado como um ponto material, em relação ao solo e em relação ao terraço da cobertura é
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Pergunta 8 de 10
8. Pergunta
(FAMEMA SP/2017)
A figura representa, em corte, parte de uma instalação utilizada para demonstrações de experimentos. Um corpo de dimensões desprezíveis escorrega pela superfície inclinada e atinge o ponto A com velocidade escalar igual a 10 m/s. Considere o atrito e a resistência do ar desprezíveis e g = 10 m/s².
Em relação ao nível de referência indicado na figura, a altura, na superfície inclinada, em que a energia cinética do corpo é igual ao triplo de sua energia potencial gravitacional é
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Pergunta 9 de 10
9. Pergunta
(IFBA/2017)
Num parque aquático uma criança de massa de 20,0 kg é lançada de um tobogã aquático, com velocidade inicial de 2,0 m/s, de uma altura de 10,0 m, onde a gravidade local vale 10 m/s². A água reduz o atrito, de modo que, a energia dissipada entre os pontos A e B foi de 40,0 J.
Nestas condições, a velocidade da criança, em m/s, ao passar pelo ponto B será, aproximadamente, igual a:
Correto
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Pergunta 10 de 10
10. Pergunta
(IFRS/2017)
Salto com vara é um evento do atletismo em que os competidores utilizam uma vara longa e flexível para alcançar a maior altura possível. O saltador começa com energia cinética e potencial iguais a zero. Quando começa a correr, ele aumenta sua energia ___________________________. Então, ele finca a vara e começa o salto, trocando sua energia ___________________________ pela energia potencial gravitacional. Quando a vara se curva, absorve muito da energia cinética do atleta, como se comprimisse uma mola. Ele usa a energia ___________________________ armazenada na vara para elevar seu corpo sobre a barra. No alto de seu salto, ele converte grande parte de sua energia cinética em energia ___________________________.
A alternativa que completa corretamente e na sequência as lacunas é
Correto
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Sobre o(a) autor(a):
Rodinei Pachani é mestre em Geofísica pela USP-SP, com licenciatura plena em matemática, possui pós-graduação em Gerência Financeira e especialização em Estatística Aplicada. Possui experiência de mais de 28 anos em sala de aula, tendo trabalhado com ensino médio, cursinhos e Faculdades. É autor do livro “Ciência ao alcance de todos” e possui um canal no YouTube onde realiza experimentos, explica conteúdos e resolve exercícios de física.
