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Física - Ensino Médio
Lei da conservação de energia
Veja uma discussão sobre como a energia não pode ser criada ou destruída em um sistema isolado, e confira um exemplo de como a energia é transformada quando uma bola cai na direção da Terra.
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Transcrição de vídeo
RKA2JV - E aí, pessoal!
Tudo bem? Nesta aula, vamos falar a respeito
da lei de conservação de energia, que é uma das leis mais
importantes em toda a ciência. Você ficaria surpreso com o quanto
o universo depende dessa lei, e ficaria assustado com a quantidade
de filmes de ficção científica que poderíamos
fazer baseados nela. Vamos começar
lendo um texto do que geralmente você vê a respeito
dessa lei de conservação de energia. Aqui temos o seguinte: a energia total de um
sistema é constante. A energia não é
criada nem destruída, ela só pode ser transformada
de uma forma para outra ou transferida de
um sistema para outro. Eu meio que sublinhei
quase tudo, não é? Porque todas as partes deste
texto são importantes. Mas enfim, para
você entender isso, vamos relembrar os tipos
de energia que já estudamos. Já estudamos a energia cinética,
que é a energia de movimento dos corpos, já estudamos a energia potencial,
que é uma energia armazenada nos corpos, a energia devido
à posição de um objeto. E, se você combinar estes
dois tipos de energia, vamos ter o que chamamos
de energia mecânica. Geralmente, você estuda
estes dois tipos de energia quando está estudando
Física pela primeira vez. Mas claro, existem outros
tipos de energia: energia térmica, energia nuclear,
energia química, entre outros. Ou seja, estes dois tipos
não são os únicos. Quando falamos a respeito
de lei de conservação de energia, estamos dizendo,
por exemplo, que a energia cinética pode
ser transformada em energia química. Mas, neste vídeo, não vamos falar
a respeito de outros tipos de energia. Então, para começar, vamos pensar em como
essa energia mecânica pode ser conservada. E claro, vamos tentar criar alguns
cenários para tentar desafiar essa lei e tentar explicar o que
está acontecendo de fato. Então, digamos que você
queira desafiar essa lei. Para isso, você começa criando um
sistema que chamamos de bola terrestre, ou um sistema entre
a Terra e a bola. Claro, você ainda não está lidando
com a lei de conservação de energia, e é importante assumir que
este seja um sistema isolado. Ou seja, não está interagindo
com sistemas externos como o Sol, resistência do ar ou
outro tipo de sistema. Então, você tem o chão aqui,
e a bola está aqui em cima. Quando essa bola está parada, estamos assumindo que não
tem resistência do ar em volta. Com isso, neste momento,
temos energia potencial. Então, tudo aqui
é energia potencial. Energia potencial
gravitacional, então, Epg. Neste ponto, não há
energia cinética. Se pensarmos em um sistema mais amplo,
como o sistema solar ou algo parecido, a Terra está orbitando
ao redor do Sol e o Sol está orbitando
ao redor do centro da galáxia. Por isso, estamos especificando
que é um sistema bola da Terra. Mas o acontece se
eu largar essa bola? Qual é o tipo de energia
quando a bola toca aqui? E claro, eu estou assumindo
que ela vai atingir o solo e não quicar
de forma alguma, porque isso complicaria
um pouco as coisas. Nessa situação, você não tem
mais energia potencial gravitacional. Mas em compensação,
assim que toca o chão, não quando está parado,
vai ter muita energia cinética. Então, tudo aqui
é energia cinética. O que vemos nesta parte
é que toda a energia potencial foi transformada em energia
cinética quando toca o solo. E depois disso,
o que acontece? Se a bola não quicar e ficar parada,
parece que não temos mais energia. Ou seja, parece que a energia
foi destruída, correto? A minha pergunta é:
onde foi parar essa energia? Eu sugiro que você pause o vídeo
e pense a respeito disso. Vamos lá, então. Pode ser que você diga que,
uma vez que a bola esteja em repouso, talvez essa lei de conservação de
energia pode não estar sempre certa. E é interessante que você seja
sempre cético, que questione as coisas. Mas, neste caso, será que
a energia foi perdida de fato? Na verdade, não.
Ela se transformou em calor. Ou seja, a energia cinética foi
convertida em energia térmica. Portanto, a bola e o solo
vão ficar mais quentes, porque a energia cinética,
assim que tocar o solo, vai ser transformada
em energia térmica. Então, de novo, não desafiamos
a lei de conservação de energia. Outra coisa que
você pode dizer é: imagine um cenário que
tenha a resistência do ar. Com isso, você tem um monte
de partículas de ar aqui. Sabemos que, quando
a bola cai, ela atravessa o ar, que vai oferecer
uma resistência. Isso faz com que a bola
desça de forma mais lenta. Com isso, talvez ela não tenha tanta
energia cinética quando chega aqui. De novo, parece que
a energia foi destruída. Mas não,
não foi. O que acontece é que,
conforme a bola cai, ela vai aquecendo
o ar ao seu redor. Essa resistência do ar
é uma força dissipativa. Isso vai gerar
energia térmica. E se quisermos colocar isso
em termos matemáticos? Pela lei de conservação
de energia, sabemos que a energia cinética inicial
mais a energia potencial inicial é igual à energia cinética final
mais a energia potencial final. E existem outras maneiras
de escrever isso. A primeira é que a variação
da energia cinética mais a variação da energia potencial
tem que ser igual a zero. Isso, assumindo que não
temos forças dissipativas e também assumindo que não estamos
transformando em outros tipos de energia, ou seja, em energia química,
em energia térmica ou outro tipo. E se você quisesse
incluir forças dissipativas? Elas fazem um trabalho
não conservador, ou seja, um trabalho negativo, porque estão agindo sempre no
sentido contrário ao do movimento. Por isso, podemos reescrever
esta igualdade como: a energia cinética inicial,
mais a energia potencial inicial, mais a força dissipativa, que,
neste caso, é a resistência do ar e seria negativa aqui, se estivéssemos
falando a respeito de atrito. Isto vai ser igual
à energia cinética final, mais a energia
potencial final, e poderíamos também colocar
o trabalho das forças dissipativas, que, neste caso,
seria a resistência do ar. E também podemos escrever
isto como variação, colocando a variação da energia cinética
mais a variação da energia potencial, que é igual ao trabalho
das forças dissipativas. E, quando estamos falando
de atrito, isto aqui é negativo. Outra maneira
de pensar nisso é que poderíamos ter colocado
a energia térmica, também. Ou seja, poderíamos colocar:
a variação de energia cinética, mais a variação
de energia potencial, mais a variação de energia térmica,
vai ser igual a zero. Você também pode incluir
o trabalho dessas forças dissipativas. Imagine um cenário onde toda
a sua variação de energia seja negativa. Você não está desafiando
a lei de conservação de energia. Ou seja, a sua energia
não foi destruída. O que acontece é que você
teve um trabalho negativo feito pelas
forças dissipativas. Mas para onde
foi essa energia? Foi convertida
em energia térmica. Então, vamos fazer mais alguns
exemplos para entender isso melhor. Vamos fazer aqui um sistema
de pêndulo terrestre. Eu tenho uma torre com
um pêndulo bem aqui. O ponto mais baixo que
esse pêndulo pode assumir é aqui, e depois vai
para o ponto mais alto. Vamos dizer que a medida
entre este ponto e o centro da bola seja a altura, que
vamos chamar de "h". Este aqui vai ser o ponto
mais alto que o pêndulo vai chegar. Aqui temos energia potencial máxima,
mas não temos energia cinética. Ou seja, o pêndulo vai ficar
parado por um breve momento, mas aí ele vai voltar
e vai chegar bem aqui. Toda a energia potencial vai ser
convertida em energia cinética. E claro, estamos assumindo
que não temos forças dissipativas, como atrito ou
resistência do ar. Toda a energia cinética é convertida
de volta em energia potencial. Outro exemplo que poderíamos ver,
e que complicaria um pouco mais isso, é pensar em um
sistema bola-elástico. Ou seja, aqui temos
a nossa mola, temos uma bola que
começa parada aqui, e, neste momento,
temos energia potencial: energia potencial
gravitacional. Tudo energia
potencial gravitacional. E, supondo que não há resistência do ar,
se soltarmos a bola aqui, um pouco antes de tocar a mola,
quando temos uma velocidade máxima, vamos ter tudo
energia cinética. Mas a mola vai comprimir e, assumindo
que nenhuma energia térmica seja gerada, deixando claro que, em um mundo real,
sempre terá energia térmica, mas, se a mola for comprimida e,
em algum momento, a bola estiver aqui, você tem parte dessa energia convertida
em energia potencial elástica. Isso porque ela
vai se recuperar e vai ser convertida de volta
em energia cinética ou energia potencial
gravitacional. Eu espero que esta
aula tenha lhes ajudado, e até a próxima, pessoal!