Energia potencial: o que é e por que é importante (com fórmula e exemplos)

Todos os estudantes de física têm potencial - energia potencial, quero dizer. Mas aqueles que tomam o tempo para determinar o que isso significa em termos de física terãomais potencialpara afetar o mundo ao seu redor do que aqueles que não o fazem. No mínimo, eles serão capazes de responder com conhecimento de causa a um adulto irritante com uma piada sobre meme da internet: "Não sou preguiçoso, estou transbordando de energia potencial."

O conceito de energia potencial pode parecer confuso à primeira vista. Mas, em resumo, você pode pensar na energia potencial como energia armazenada. Tem opotencialpara se transformar em movimento e fazer algo acontecer, como uma bateria que ainda não está conectada ou um prato de espaguete que um corredor está prestes a comer na noite anterior à corrida.

A energia potencial é uma das três grandes categorias de energia encontradas no universo. As outras duas são a energia cinética, que é a energia do movimento, e a energia térmica, que é um tipo especial de energia cinética não reutilizável.

Sem energia potencial, nenhuma energia poderia ser economizada para uso posterior. Felizmente, existe muita energia potencial, e ela está constantemente se convertendo para a frente e para trás entre si e a energia cinética, fazendo as coisas acontecerem.

A cada transformação, algum potencial e energia cinética se transformam em energia térmica, também conhecida como calor. Eventualmente, toda a energia do universo será convertida em energia térmica, e ele experimentará "morte por calor", quando não houver mais energia potencial. Mas até aquele tempo futuro longínquo, a energia potencial manterá abertas as possibilidades de ação.

A unidade SI para energia potencial, e qualquer unidade de energia para esse assunto, é o joule, onde 1 joule = 1 (newton) (metro).

Existem muitos tipos de energia potencial. Entre essas formas de energia estão:

​Energia potencial mecânica:Também conhecido como energia potencial gravitacional, ou GPE, refere-se à energia armazenada por umposição do objeto em relação a um campo gravitacional, como aquele próximo à superfície da Terra​.

Por exemplo, um livro colocado no topo de uma prateleira pode cair devido à força da gravidade. Quanto mais alto ele está em relação ao solo - e, portanto, em relação à Terra, a fonte do campo gravitacional - mais longa é a queda que tem o potencial de percorrer. Mais sobre isso mais tarde.

​Energia potencial química:A energia armazenada em ligações moleculares é energia química. Ele pode ser liberado e transformado em energia cinética quebrando ligações.Portanto, quanto mais ligações em uma molécula, mais energia potencial ela contém.​

Por exemplo, ao comer alimentos, o processo de digestão quebra moléculas de gorduras, proteínas, carboidratos ou aminoácidos para que o corpo possa usar essa energia para se mover. Como as gorduras são as moléculas mais longas com mais ligações entre os átomos, elas armazenam a maior parte da energia.

Da mesma forma, as toras usadas em uma fogueira contêm energia potencial química que é liberada quando são queimadas e as ligações entre as moléculas da madeira são quebradas. Qualquer coisa que exija uma reação química para "ir" - incluindo o uso de baterias ou a queima de gasolina em um carro - contém energia potencial química.

​Energia potencial elástica:Esta forma de energia potencial é a energia armazenada na deformação de um objeto de sua forma normal. Quando um objeto é esticado ou comprimido de sua forma original - digamos, um elástico puxado ou uma mola presa em uma bobina apertada - ele tem opotencialpara saltar ou saltar para trás quando lançado. Ou então, uma almofada fofa do sofá é pressionada com a impressão de alguém sentado nela para que, quando eles se levantem, a impressão suba lentamente para trás até que o sofá tenha a mesma aparência de antes de eles se sentarem.

​Energia potencial nuclear:Uma grande quantidade de energia potencial é armazenada pelas forças nucleares que mantêm os átomos unidos. Por exemplo, a força nuclear forte dentro de um núcleo que mantém os prótons e nêutrons no lugar. É por isso que é tão difícil dividir átomos, um processo que só acontece em reatores nucleares, aceleradores de partículas, centros de estrelas ou outras situações de alta energia.

Não deve ser confundida com energia potencial química, a energia potencial nuclear é armazenadadentro de átomos individuais. Como seu nome indica, as bombas atômicas representam um dos usos mais agressivos da energia potencial nuclear da humanidade.

​Energia potencial elétrica:Esta energia é armazenada mantendo cargas elétricas em uma configuração particular. Por exemplo, quando um suéter que tem muitas cargas negativas acumuladas é aproximado de um objeto positivo ou neutro, ele tem opotencialpara causar movimento, atraindo cargas positivas e repelindo outras cargas negativas.

Qualquer única partícula carregada mantida no lugar em um campo elétrico também tem energia potencial elétrica. Este exemplo é análogo à energia potencial gravitacional em que a posição da carga em relação ao campo elétrico é o que determina sua quantidade de energia potencial, assim como a posição de um objeto em relação ao campo gravitacional determina seu GPE.

A energia potencial gravitacional, ou GPE, é um dos poucos tipos de energia para os quais os alunos de física do ensino médio normalmente realizam cálculos (outros são energia cinética linear e rotacional). Resulta da força gravitacional. As variáveis ​​que afetam quanto GPE um objeto tem são de massam,a aceleração devido à gravidadege alturah.​

Onde GPE é medido em joules (J), massa em quilogramas (kg), aceleração devido à gravidade em metros por segundo por segundo (m / s²) e altura em metros (m).

Observe que na Terra,gé tratado como sempre igual a 9,8 m / s². Em outros locais onde a Terra não é a fonte local de aceleração gravitacional, como em outros planetas,gtem outros valores.

A fórmula para GPE implica que quanto maior a massa de um objeto ou quanto mais alto ele é colocado, mais energia potencial ele contém. Isso, por sua vez, explica por que uma moeda que caiu do topo de um edifício vai muito mais rápido embaixo do que uma que caiu do bolso de uma pessoa logo acima da calçada. (Esta também é uma ilustração da conservação de energia: conforme o objeto cai, sua energia potencial diminui, então sua energia cinética deve aumentar na mesma quantidade para que a energia total permaneça constante.)

Começar em uma altura mais alta significa que a moeda vai acelerar para baixo em uma distância maior, resultando em uma velocidade mais rápida no final da viagem. Ou, para continuar se movendo por uma distância maior, a moeda no telhado deve ter começado com mais energia potencial, que a fórmula GPE quantifica.

Classifique os seguintes objetos da maior para a menor energia potencial gravitacional:

• Uma mulher de 50 kg no topo de uma escada de 3 m
• Uma caixa móvel de 30 kg no topo de um patamar de 10 m
• Uma barra de 250 kg mantida 0,5 m acima da cabeça de um levantador de peso

Para compará-los, calcule o GPE para cada situação usando a fórmula GPE = mgh.

• Mulher GPE = (55 kg) (9,8 m / s²) (3 m) = 1.617 J
• Caixa móvel GPE = (30 kg) (9,8 m / s²) (10 m) = 2.940 J
• Barra GPE = (250 kg) (9,8 m / s²) (0,5 m) = 1.470 J
  

Então, do mais para o menos GPE a ordem é: caixa de mudança, mulher, barra.

Observe que, matematicamente, uma vez que todos os objetos estavam na Terra e tinham o mesmo valor parag, deixar esse número de fora ainda resultaria na ordem correta (mas, ao fazê-lo,nãodê as quantidades reais de energia em joules!).

Considere, em vez disso, que a caixa móvel estava em Marte, e não na Terra. Em Marte, a aceleração da gravidade é cerca de um terço do que na Terra. Isso significa que a caixa móvel teria cerca de um terço da quantidade de GPE em Marte a 10 m de altura, ou 980 J.