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Física do ensino médio
Curso: Física do ensino médio > Unidade 3
Lição 1: Introdução à energiaLei da conservação de energia
Vamos explorar a lei da conservação de energia. Versão original criada por Mahesh Shenoy.
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Transcrição de vídeo
RKA3JV - Olá,
tudo bem com você? Você vai assistir agora a mais uma
aula de Ciências da Natureza. Nesta aula, vamos conversar sobre
a Lei da Conservação da Energia. Para começar
a falar sobre isso, suponha que eu joguei este
gato aqui de uma certa altura e que eu queira saber a velocidade
que ele vai atingir o solo. Ah, não se preocupe,
não é um gato de verdade, é um gato
de brinquedo. Mas, enfim, como eu
resolveria este problema? Uma forma de fazer isso é pensar
sobre as forças e acelerações. Mas isso pode ser um
pouco cansativo e difícil por causa do
caminho curvo. Outra forma mais
rápida de fazer isso é usar o princípio da
Conservação da Energia. Mas o que é isso? O princípio da
Conservação da Energia diz que a energia não pode
ser criada nem destruída, mas apenas convertida
de uma forma para outra. Você não pode criar
ou destruir energia, mas você pode convertê-la
de uma forma em outra forma. Conseguiu compreender
esta ideia? Vamos ver
um exemplo. Digamos que
pegamos o gato, mas, desta vez, apenas o deixamos
cair de uma certa altura. O que vai acontecer
com a energia? Bem, inicialmente neste ponto,
se ele não tiver velocidade, ele não vai ter
energia cinética. Se a gente colocar um medidor
de energia cinética aqui, ele vai mostrar
zero agora. No entanto, como ele se encontra
a uma certa altura do solo, ele tem uma energia
potencial gravitacional. Considere que isso seja um
medidor de energia potencial, e vamos dizer que
ele está completo. Como um exemplo, vamos ver
o que acontece com essas energias à medida que o gato cai. O gato começa cair, aí, em um determinado ponto,
o gato terá alguma velocidade. Isso significa que o gato
ganhou energia cinética, não é? Ele tinha zero antes, mas agora
ele tem uma certa energia cinética. Sabendo disso, de onde veio
esta energia cinética? Ela foi criada? Não, ela não foi criada. Embora, a energia cinética
tenha aumentado, observe que a energia potencial
do gato diminuiu. Diminuiu pouco, porque ele está
mais perto da altura de lançamento. Mas, mesmo assim, podemos dizer
que parte da energia potencial foi convertida
em energia cinética. Aqui, inicialmente, era zero. Agora, um pouco desta
energia potencial foi convertida em
energia cinética. É daí que vem
a energia cinética. Este processo continua acontecendo
conforme o gato continua caindo. A energia cinética aumenta
e a energia potencial diminui. Aí, em um dado momento, quando o gato está no limite
para atingir o solo, ele terá velocidade máxima. Isso significa que ele
terá muita energia cinética e terá perdido toda
a sua energia potencial. Porque, agora, a altura
em que ele se encontra é zero. Isso significa que
toda a energia potencial foi convertida em cinética. Como vimos,
enquanto o gato cai toda a energia potencial
foi convertida em energia cinética, mas o ponto importante aqui
é que, neste processo, a energia total
não mudou nada. Ela foi conservada, ela apenas foi convertida
de uma forma para outra. Agora, antes de olhar para
o que acontece com a energia quando o gato
atinge o solo, vamos ver se podemos provar
que a energia total não mudou? Para fazer isso, podemos nos livrar
de todas estas coisas extras. Vamos manter o gato
em apenas duas posições. Digamos que a altura inicial
do gato seja h1. E imagine que a altura
depois de algum tempo seja h2. Agora, queremos verificar
se a energia total do gato aqui é a mesma que
a energia total do gato aqui. Para fazer isso, podemos usar
o Teorema do Trabalho-Energia. O Teorema do Trabalho-Energia diz que o trabalho total realizado
por todas as forças em um objeto é o trabalho líquido realizado e que isso deve ser igual
à variação da energia cinética. "K1" representa
a energia cinética inicial, e "K2" representa
a energia cinética final. Em nosso exemplo,
"K1" é zero. Mas vamos
manter "K1" aqui. O que esta equação
está basicamente dizendo é que o trabalho total
realizado em um corpo representa quanta energia cinética
é adicionada ou removida dele. Nós falamos muito sobre
esta equação em outro vídeo, então, se você precisar de
mais clareza sobre isso, dá uma olhada neste vídeo
e depois volte aqui. Enfim, de qualquer maneira
vamos calcular o trabalho realizado por todas
as forças aqui neste gato. Quantas forças estão
agindo sobre ele? Há apenas uma força, não é? Eu estou falando da
força da gravidade, é claro. Quando as coisas
estão caindo, o ar também começa a aplicar
uma força sobre essa coisa, mas estamos
ignorando isso, porque normalmente
essa força é muito pequena. Então, feito isso, uma vez que a força
é apenas a gravidade, esse trabalho
é feito pela gravidade. Sendo assim, o trabalho
é igual à força da gravidade, vezes o deslocamento do objeto. A força da gravidade
é o peso do gato "mg". E qual é o deslocamento? Bem, o gato foi
daqui até aqui, então esse deslocamento
é apenas a diferença entre a altura "h1"
e a altura "h2". Vamos escrever isso aqui
para o nosso deslocamento. Temos h1 - h2. Enfim, o trabalho total realizado aqui
deve ser igual a K2 - K1. Vamos simplificar isto aqui
abrindo os parênteses? Ao fazer isso, teremos aqui
mgh1 - mgh2. E isso é igual a K2 - K1. Se você olhar com atenção,
isso aqui é a energia potencial, a energia potencial
do gato em "h1". E isto aqui é a energia potencial
do gato em "h2". Podemos colocar
a representação da energia potencial
e da energia cinética aqui. Usamos o "K" para representar
a energia cinética, mas também é muito comum
usar o "EC" de energia cinética. E vamos usar aqui o "U"
para representar a energia potencial, mas também poderíamos usar
"EP", de energia potencial. Ao fazer isso,
teremos aqui U1 - U2. E isso sendo
igual a K2 - K1. Reorganizando isso aqui, teremos
do lado esquerdo U1 + K1 e isso sendo
igual a U2 + K2. O que esta equação está nos
dizendo é que a energia total, ou seja, a energia potencial do gato
mais a energia cinética, é inicialmente igual
à energia total do gato. E depois teremos
a mesma coisa. Agora, eu tenho quase certeza
de que você concorda com uma coisa. Mesmo se eu tivesse considerado
"h2" em algum outro lugar, independentemente de onde eu
considerasse a segunda posição deste gato, a energia total vai ser
sempre a mesma, pois as equações ainda
funcionarão da mesma forma. Agora aqui está
uma coisa bonita. Mesmo se eu não tivesse
jogado o gato para baixo, por exemplo, se eu
jogasse ele para o lado, devido à gravidade, o gato vai
fazer um movimento curvo. Mesmo assim, esta equação
ainda é válida. Porque, lembre-se,
o trabalho feito pela gravidade não depende do caminho, depende apenas
da diferença de altura. Assim, ainda teremos
h1 - h2. Então, ainda vamos acabar
com a mesma equação. Isso significa que mesmo em
um movimento tão complicado, a energia total aqui vai ser
igual à energia total aqui. E podemos usar isso para
resolver o nosso problema original. Pode ser difícil pensar em
termos de forças e acelerações, mas se você pensar em termos de
energia cinética mais energia potencial, fica muito mais fácil de resolver
e, inclusive, faremos isso em outro vídeo. De qualquer forma, já que essa
energia total permanece a mesma, é muito comum
chamar esta soma entre energia potencial
e energia cinética de energia mecânica. E se a gravidade é a única força
agindo em um corpo, então, independentemente do caminho
que leva para ir de um ponto a outro, a energia mecânica total
deve permanecer a mesma. Feito esta discussão, a próxima pergunta que
podemos fazer aqui é a seguinte. O que vai acontecer se outras forças
começarem a agir neste corpo? A energia mecânica ainda
vai permanecer a mesma? Vamos descobrir isso. E, para isso, vamos voltar ao
experimento original do gato. Vamos ver o que acontece com
a energia quando o gato atinge o solo. Quando o gato atinge o solo, a energia potencial
é de fato igual a zero. Mas ele também vai
parar neste momento. Isso significa que a energia cinética
também se torna zero. Se tanto a energia potencial quanto
a energia cinética são iguais a zero, para onde foi
esta energia? Ela simplesmente
desapareceu? Bem, nós sabemos que
isso não pode acontecer, a energia não pode
ser destruída. Mas para onde vai
esta energia então? Se a gente der uma olhada no local
onde o gato acabou de parar, a gente vai perceber que o local
ficou um pouco quente. Claro, não é algo ardente,
mas ele ficou um pouco quente. Como sabemos, o calor
também é uma forma de energia. Isso significa que a energia cinética
não foi destruída. O que aconteceu é que
esta energia cinética foi convertida
em energia térmica. Ou seja, depois de atingir o solo,
a energia mecânica não foi destruída, ela apenas foi convertida
em energia térmica. É claro, você deve estar
se perguntando agora, o que aconteceu com
essa energia térmica? O calor vai se espalhar por todos
os lugares ali da região, essa energia está lá,
ela não foi destruída, ela apenas vai se espalhar
ali pelos arredores. Por isso que a gente não vai conseguir
detectá-la com tanta facilidade. Mas, acredite em mim,
ela existe. Agora, uma outra
pergunta aqui. De onde veio a
energia potencial gravitacional? Se a gente voltar
ao ponto antes de tudo, vamos perceber que
o gato tinha pulado e foi assim que ele
ganhou esta energia. Mas antes de pular, o gato também
não tinha uma energia cinética nem tinha
energia potencial, ele estava em
repouso no solo. Então, de onde
veio esta energia? Bem, para pular, seus músculos
têm que se mover, o que significa que algum tipo
de trabalho precisa ser realizado e deve haver alguma
energia para isso. Essa energia presente dentro
de todos os seres vivos e que nos permite fazer
diferentes tipos de trabalho é frequentemente chamada
de energia química. Isso significa que o gato usou
sua energia química para pular, e ganhou energia potencial,
energia potencial gravitacional. Ou seja, quando o gato pulou,
a energia química foi convertida em energia
potencial gravitacional. Então é daí que
veio esta energia. Mas, tem mais uma pergunta que
eu quero fazer para você agora. De onde o gato conseguiu
a energia química? Bem, se a gente
voltar um pouco mais, a gente vai perceber que
o gato tinha acabado de comer uma maçã
no café da manhã. Então, percebemos que esta
energia química estava dentro da maçã, e, depois de comê-la,
o gato a pegou. Então, esta energia
veio da maçã. Mas de onde veio a
energia química da maçã? A maçã veio da macieira, essa árvore tinha
energia química e foi ela que a colocou
dentro da maçã. Mas de onde vem
a energia da árvore? Ela vem da
luz do Sol. Você já deve ter ouvido falar de um
processo chamado fotossíntese, não é? Neste processo, as árvores
pegam a energia da luz e a convertem
em energia química. Acho que podemos fazer
outra pergunta agora. De onde vem essa
energia da luz? Sabemos que a energia
da luz vem do Sol, mas o Sol cria
esta energia como? Essa energia
vem dos átomos. Você já deve ter ouvido falar
que tudo ao nosso redor é feito de átomos,
incluindo o Sol, não é? A energia produzida pelo Sol
estava, na verdade, inicialmente, presente
dentro dos átomos. O Sol apenas está pegando
a energia dos átomos e transformando-a
em energia radiante, ou seja, em luz. E você vai aprender
muito mais sobre isso quando estudar
física nuclear. Afinal, todas as coisas
divertidas vêm desta parte. Talvez você até esteja
se perguntando agora, de onde vem a energia
presente nos átomos? Bem, é aí que as coisas ficam
um pouco difíceis de responder. Eu não tenho certeza de onde
veio a energia nos átomos. Existem teorias e tudo mais
que dizem que ela veio do Big Bang, mas eu não vou tentar pensar
nisso aqui agora, tudo bem? Contanto que a gente
não vá tão a fundo, podemos dizer que toda energia em nosso
planeta vem da própria luz do Sol. É por isso que
amamos a energia, porque conforme a natureza passa
por todas as suas mudanças, a energia é a única coisa
que não muda. Ela se converte de uma forma
para outra, isso é um fato. Vai de um corpo
para outro, mas essa energia
nunca é destruída, podemos sempre
rastreá-la. Isso também nos ajuda
a resolver diversos problemas. Enfim, para resumir o que
aprendemos aqui neste vídeo, vimos que quando gatos
ou qualquer objeto, está sob a influência
da gravidade, sua energia cinética
mais a energia potencial sempre permanece igual. O valor total nunca muda. E isso não depende do caminho
necessário para ir daqui até aqui. Ou seja, se ele vai direto para baixo,
ou se faz um caminho sinuoso, ou ainda, se ao invés
de descer, ele subisse. Isso não importa. A energia total vai
permanecer a mesma. Inclusive, essa
energia total é frequentemente chamada
de energia mecânica. Então, a energia mecânica deste gato
não muda enquanto ele está caindo. No entanto, se outras forças
começarem a agir sobre este gato, como, por exemplo,
quando o gato atinge o solo, essa energia mecânica pode ser
convertida em outras formas de energia, como talvez calor
ou energia química. Enfim, o que descobrimos é que,
aconteça o que acontecer, a energia não pode ser criada
e nem de destruída, só pode ser convertida
de uma forma para outra. E isso é o que
amamos na energia. Eu espero que você
tenha compreendido todas as ideias que
conversamos aqui. E, mais uma vez, eu quero deixar
para você um grande abraço, e dizer que te encontro na próxima. Então, até lá!