O que é energia mecânica e lei da conservação

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?

Inicialmente, sua energia mecânica, é a soma da energia potencial gravitacional (m.g.h) com a energia cinética (m.v² / 2).

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:

  1. A energia inicial do conjunto logo após a garota pular sobre o tapete;
  2. A energia do conjunto após o deslizamento;
  3. 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:

Exemplo de exercício sobre energia mecânica

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.

Bola sobre mola - energia mecânica

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.

Videoaula

Para aprofundar os seus estudos, assista à videoaula do nosso canal no YouTube com o professor Rossetto:

Exercícios

Por fim, resolva os exercícios para testar seus conhecimentos:

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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.

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