Energia e Trabalho: A Moeda Universal da Física
Uma maçã de 100 g caindo de 1 metro tem energia potencial de ≈1 joule. O teu pequeno-almoço de cereais tem ≈1000 kilojoules. A bomba atómica de Hiroshima libertou ≈ 6,3 × 10¹³ joules. O Sol emite 3,8 × 10²⁶ joules por segundo.
Escalas radicalmente diferentes, mesma unidade. Porque a energia é a linguagem universal da física.
Trabalho de uma Força
O trabalho realizado por uma força F ao longo de um deslocamento d é:
onde θ é o ângulo entre a força e o deslocamento.
- θ = 0° → W = Fd (trabalho máximo, força paralela ao movimento)
- θ = 90° → W = 0 (força perpendicular ao movimento não faz trabalho)
- θ = 180° → W = −Fd (força opõe-se ao movimento)
Unidade: 1 joule (J) = 1 N·m
A força centrípeta (que mantém um objeto em órbita circular) é perpendicular ao movimento → faz trabalho nulo → não altera a velocidade, apenas a direção.
Teorema Trabalho-Energia Cinética
A energia cinética é a energia associada ao movimento:
O trabalho total realizado sobre um objeto é igual à variação da sua energia cinética:
Energia Potencial
Energia potencial gravítica (campo gravítico uniforme):
onde h é a altura em relação a um nível de referência.
Energia potencial elástica (mola com constante k e extensão x):
Conservação de Energia
Em sistemas sem forças dissipativas:
Quando um pêndulo sobe, perde Ec e ganha Ep. Quando desce, recupera. No ponto mais baixo, toda a energia é cinética. No ponto mais alto, toda é potencial.
Potência
A potência é a taxa a que o trabalho é realizado:
Unidade: 1 watt (W) = 1 J/s
Rendimento:
Um motor elétrico típico tem rendimento de 85–95%. Um motor de combustão interna, apenas 25–35% — a maioria da energia do combustível dissipa-se em calor.