O energia potencial É a energia que os corpos possuem em virtude de sua configuração. Quando os objetos interagem, existem forças entre eles capazes de fazer trabalho, e essa capacidade de fazer trabalho, que fica armazenada em sua disposição, pode ser traduzida em energia..
Por exemplo, os humanos têm aproveitado a energia potencial das cachoeiras desde tempos imemoriais, primeiro em fiações e depois em usinas hidrelétricas..
Por outro lado, muitos materiais têm uma capacidade notável de fazer trabalho deformando e depois voltando ao tamanho original. E em outras circunstâncias, o arranjo da carga elétrica permite o armazenamento de energia potencial elétrica, como por exemplo em um capacitor.
A energia potencial oferece muitas possibilidades de ser transformada em outras formas de energia utilizáveis, daí a importância de conhecer as leis que a regem..
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A energia potencial de um objeto tem sua origem nas forças que o afetam. No entanto, a energia potencial é uma magnitude escalar, enquanto as forças são vetoriais. Portanto, para especificar a energia potencial, basta indicar o seu valor numérico e as unidades selecionadas.
Outra qualidade importante é o tipo de força com a qual a energia potencial pode ser armazenada, uma vez que nem toda força tem essa virtude. Apenas as forças conservadoras armazenam energia potencial nos sistemas em que atuam.
Uma força conservadora é aquela para a qual o trabalho não depende do caminho percorrido pelo objeto, mas apenas do ponto de partida e do ponto de chegada. A força que impulsiona a queda d'água é a gravidade, que é uma força conservadora.
Por outro lado, as forças elásticas e eletrostáticas também possuem esta qualidade, portanto, há energia potencial associada a elas..
As forças que não atendem ao requisito acima mencionado são chamadas de não conservadoras; exemplo deles estão em atrito e resistência do ar.
Visto que a energia potencial sempre deriva de forças conservativas como as já mencionadas, falamos de energia potencial gravitacional, energia potencial elástica, energia potencial eletrostática, energia potencial nuclear e energia potencial química..
Qualquer objeto tem energia potencial em função de sua altura em relação ao solo. Esse fato aparentemente simples ilustra por que a queda de água é capaz de acionar turbinas e, por fim, ser transformada em energia elétrica. O exemplo dos esquiadores mostrado aqui também mostra a relação do peso e altura com a energia potencial gravitacional.
Outro exemplo é o de uma montanha-russa, que tem maior energia potencial quando está a uma certa altura do solo. Uma vez que atingiu o nível do solo, sua altura é igual a zero e toda a sua energia potencial foi transformada em energia cinética (energia de movimento).
Objetos como molas, arcos, bestas e elásticos são capazes de armazenar energia potencial elástica..
A elasticidade de um corpo ou material é descrita pela lei de Hooke (até certos limites), que nos diz que a força capaz de exercer quando é comprimido ou esticado é proporcional à sua deformação.
Por exemplo, no caso de uma mola ou mola, isso significa que quanto mais ela encolhe ou estica, maior a força que pode exercer sobre um objeto colocado em uma extremidade..
É a energia que as cargas elétricas possuem em virtude de sua configuração. Cargas elétricas do mesmo sinal se repelem, portanto, para colocar um par de cargas positivas - ou negativas - em uma determinada posição, um agente externo deve trabalhar. Caso contrário, eles tenderiam a se separar.
Este trabalho é armazenado na forma como as cargas foram localizadas. Quanto mais próximas estiverem as cargas do mesmo signo, maior será a energia potencial da configuração. O oposto acontece quando se trata de muitos signos diferentes; como eles se atraem, quanto mais próximos estão, menos energia potencial eles têm.
O núcleo atômico é formado por prótons e nêutrons, genericamente chamados núcleons. Os primeiros têm carga elétrica positiva e os segundos são neutros..
Uma vez que eles estão aglomerados em um espaço minúsculo além da imaginação, e sabendo que cargas do mesmo signo se repelem, questiona-se como o núcleo atômico permanece coeso.
A resposta está em outras forças além da repulsão eletrostática, típicas do núcleo, como a interação nuclear forte e a interação nuclear fraca. Estas são forças muito fortes, que excedem em muito a força eletrostática.
Essa forma de energia potencial vem da forma como os átomos e as moléculas das substâncias estão dispostos, de acordo com os diferentes tipos de ligações químicas..
Quando ocorre uma reação química, essa energia pode ser transformada em outros tipos, por exemplo, por meio de uma bateria ou bateria elétrica.
A energia potencial está presente na vida diária de várias maneiras. Observar seus efeitos é tão fácil quanto colocar qualquer objeto a uma certa altura e ter a certeza de que ele pode rolar ou cair a qualquer momento.
Aqui estão algumas manifestações dos tipos de energia potencial descritos anteriormente:
-Montanhas-russas
-Carros ou bolas rolando morro abaixo
-Arcos e flechas
-Baterias eletricas
-Um pêndulo de relógio
-Balançar em um balanço
-Pule em um trampolim
-Usando uma caneta retrátil.
Veja: exemplos de energia potencial.
A energia potencial depende do trabalho realizado pela força e este por sua vez independe da trajetória, podendo-se afirmar que:
-Se A e B são dois pontos, o trabalho CAB necessário para ir de A para B é igual ao trabalho necessário para ir de B para A. Portanto: CAB = WBA, assim que:
CAB + CBA = 0
-E se duas trajetórias diferentes 1 e 2 são tentadas para unir os ditos pontos A e B, o trabalho realizado em ambos os casos também é o mesmo:
C1 = Wdois.
Em ambos os casos, o objeto experimenta uma mudança na energia potencial:
Mudança = Energia Potencial Final - Energia Potencial Inicial
ΔU = Ufinal - OUinicial = UB - OUPARA
Bem, a energia potencial do objeto é definida como o negativo do trabalho realizado pela força (conservadora):
ΔU = -WAB
Mas, uma vez que o trabalho é definido por esta integral:
Observe que as unidades de energia potencial são as mesmas do trabalho. No Sistema Internacional SI, a unidade é o joule, que é abreviado J e é equivalente a 1 newton x metro, pelo físico inglês James Joule (1818-1889).
Outras unidades de energia incluem o cgs erg, a libra-força x pé, o BTU (Unidade Térmica Britânica), calorias e quilowatt-hora.
Vamos ver abaixo alguns casos particulares de como calcular a energia potencial.
Nas proximidades da superfície terrestre, a força da gravidade aponta verticalmente para baixo e sua magnitude é dada pela equação Peso = massa x gravidade.
Denotando o eixo vertical com a letra "y" e atribuindo a esta direção o vetor unitário j, positivo para cima e negativo para baixo, a mudança na energia potencial quando um corpo se move de y = yPARA até y = yB isso é:
U (y) = mgy
A lei de Hooke nos diz que a força é proporcional à deformação:
F = -k.x
Aqui x é a deformação e k é uma constante própria da mola, que indica o quão rígida ela é. Por meio desta expressão é calculada a energia potencial elástica, levando em consideração que eu é o vetor unitário na direção horizontal:
U (x) = ½ kxdois
Quando você tem uma carga elétrica pontual Q, ela produz um campo elétrico que percebe outra carga pontual o que, e que funciona quando é movido de uma posição para outra no meio do campo. A força eletrostática entre duas cargas pontuais tem uma direção radial, simbolizada pelo vetor unitário r:
Uma mola cuja constante é k = 10,0 N / cm inicialmente se estende 1,00 cm de seu comprimento de equilíbrio. Você deve calcular a energia adicional necessária para esticar a mola até 5,00 cm além de seu comprimento de equilíbrio..
Substituindo diretamente x = 1,00 cm na equação por U (x), obtemos N.cm, mas os centímetros devem ser convertidos em metros para obter a energia em joules:
U (1) = 0,5 x 10,0 N / cm x (1,00 cm)dois = 5 N. cm = 0,05 J; U (5) = 0,5 x 10,0 N / cm x (5,00 cm)dois = 125 N.cm = 1,25 J
Portanto, a diferença de energia buscada é 1,25 - 0,05 J = 1,20 J.
Um pequeno bloco é liberado do repouso do ponto A, para deslizar ao longo da rampa curva sem atrito até o ponto B. A partir daí, ele entra em uma superfície horizontal longa e áspera, com um coeficiente de atrito dinâmico μk = 0,2. Descubra a que distância do ponto B ele para, assumindo que hPARA= 3m.
Quando o bloco está a uma altura hPARA Com relação ao solo, possui energia potencial gravitacional devido à sua altura. Quando liberada, essa energia potencial é gradualmente convertida em energia cinética e, à medida que desliza pela rampa curva e suave, sua velocidade aumenta..
Durante o caminho de A para B, as equações de movimento retilíneo uniformemente variado não podem ser aplicadas. Embora a gravidade seja responsável pelo movimento do bloco, o movimento que ela experimenta é mais complexo, pois a trajetória não é retilínea..
No entanto, como a gravidade é uma força conservadora e não há atrito na rampa, você pode usar a conservação da energia mecânica para encontrar a velocidade no final da rampa:
Energia mecânica em A = energia mecânica em B
m.g.hPARA + ½ m.vPARAdois = m.g.hB + ½ m.vBdois
A expressão é simplificada observando que a massa aparece em cada termo. É liberado do repouso vPARA = 0. E hB está ao nível do solo, hB = 0. Com essas simplificações, a expressão se reduz a:
vBdois = ghPARA
Agora o bloco começa sua jornada na seção aproximada com esta velocidade e finalmente para no ponto C. Portanto, vC = 0. A energia mecânica não é mais conservada, porque o atrito é uma força dissipativa, que trabalhou no bloco dado por:
Ctoque = - força de atrito x distância percorrida
Este trabalho tem um sinal negativo, pois o atrito cinético retarda o objeto, opondo-se ao seu movimento. A magnitude do atrito cinético Fk isso é:
Fk = µk .N
Onde N é a magnitude da força normal. A força normal é exercida pela superfície sobre o bloco e, como a superfície é totalmente horizontal, equilibra o peso P = mg, portanto, a magnitude do normal é:
N = mg
O que leva a:
Fk = µk .mg
O trabalho que Fk faz sobre o bloqueio é: Ck = - fk .D = - μk .mg.D.
Este trabalho é equivalente a mudança na energia mecânica, calculado assim:
Energia mecânica em C - Energia mecânica em B =
ΔEm = (UC +KC)- (OUB + KB) = - μk .mg.D
Nesta equação, existem alguns termos que desaparecem: KC = 0, uma vez que o bloco para em C e U também desapareceC = UB, porque esses pontos estão no nível do solo. A simplificação resulta em:
- KB = - μk .m.g.D
½ m.vBdois = µk .m.g.D
A massa novamente se cancela e D pode ser obtido da seguinte forma:
D = (½ vBdois) / (μk . g) = (½ vBdois) / (μk . g) = (½g.hPARA) / (μk . g) = (½hPARA) / μk = 0,5 x 3 m / 0,2 = 7,5 m
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