Lei da conservação de energia

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!