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Energia Potencial

Física

Energia potencial é uma forma de energia que pode ser armazenada. Entre as formas de energia potencial conhecidas, destacamos a energia potencial gravitacional e a elástica.
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Energia potencial é uma forma de energia que pode ser armazenada por um corpo e que depende da posição desse corpo. Toda energia potencial pode ser transformada em outras formas de energias potenciais ou em energia cinética por meio da aplicação de uma força sobre o corpo.


Resumo sobre energia potencial

  • Existem duas formas de energias potenciais mecânicas: energia potencial gravitacional e potencial elástica.

  • A energia potencial pode ser armazenada pelo corpo e está diretamente relacionada à posição do corpo no espaço.

  • Toda energia potencial é produzida pela aplicação de uma força conservativa no corpo, ou seja, uma força cuja ação não depende do caminho percorrido pelo corpo, depende somente da diferença entre as posições final e inicial do corpo.


O que é energia potencial?

Energia potencial é uma forma de energia que pode ser armazenada nos corpos e que depende do tipo de interação e da posição que o corpo apresenta em relação à sua vizinhança. Na Física, existem basicamente duas formas de energia potencial mecânica: energia potencial gravitacional e energia potencial elástica.

A energia potencial armazenada por qualquer objeto sujeito a forças conservativas é definida pela posição do objeto e independe do caminho tomado por ele. São chamadas de forças conservativas todas as forças capazes de armazenar energias que podem ser acessadas em momentos posteriores, como a força elástica ou a força gravitacional. Além disso, é necessário que as forças conservativas sejam capazes de transformar uma energia em outras formas de energia. Um exemplo de energia potencial é a energia potencial gravitacional, que independe da trajetória tomada pelo corpo. Para essa forma de energia, são consideradas somente as posições final e inicial do corpo.

Mapa Mental: Energia Potencial

Mapa Mental: Energia Potencial

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Trabalho e energia potencial

Quando a energia potencial de um corpo sofre acréscimos ou decréscimos em seu módulo sob a ação exclusiva de forças conservativas, dizemos que essas forças realizaram trabalho sobre ele. O trabalho é o fenômeno físico responsável pela transformação de uma forma de energia em outra por meio da aplicação de uma força. No caso em que um corpo é abandonado de uma certa altura, a força peso realiza trabalho sobre ele, transformando sua energia potencial gravitacional em energia cinética, por exemplo.

De maneira resumida, podemos dizer que a quantidade total de energia armazenada em um corpo representa a medida da sua capacidade de realizar trabalho.

Veja também: O que determina o sentido da água que desce pelo ralo?


Unidade de medida da energia potencial

A unidade física utilizada para energia potencial no Sistema Internacional de Unidades é o joule (J): 1 joule equivale à quantidade de energia necessária para elevarmos a um metro (1,0 m) de altura um peso igual a 1 Newton (1,0 N).

Observe a figura acima. Nela, temos dois corpos que estão prestes a cair de uma mesma altura. A mudança na energia potencial gravitacional que cada um deles sofrerá é exatamente a mesma, uma vez que a força peso, responsável pelo movimento de queda dos corpos, é uma força conservativa. Apesar de o corpo à esquerda percorrer um caminho maior, a diferença de altura dos corpos em relação ao solo é a mesma.

Um exemplo de força não conservativa é a força de atrito. Se houvesse atrito na situação ilustrada na figura acima, ele não seria exatamente o mesmo para os dois casos, uma vez que a distância percorrida por um dos corpos é maior que a distância percorrida pelo outro. Logo, o atrito é uma força não conservativa e não é capaz de armazenar energia em forma de energia potencial.


O que é energia potencial gravitacional?

Energia potencial gravitacional é a energia relacionada à altura de um corpo em relação ao solo. Trata-se de uma grandeza escalar, definida unicamente pelo seu módulo, medido em joules (J). A energia potencial gravitacional é definida por meio da seguinte equação:

Legenda:
Ep – energia potencial gravitacional (J – joules)
m – massa do corpo (kg – quilogramas)
h – altura do corpo em relação ao solo (m – metros)

Como a energia potencial é escalar, ela pode ser definida em relação a qualquer referencial. Por exemplo: um corpo que se encontra na cobertura de um prédio tem uma grande energia potencial gravitacional em relação à rua, entretanto, sua energia potencial relativa àquela cobertura é nula.

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Veja também: Energia mecânica


O que é energia potencial elástica?

Energia potencial elástica é uma forma de energia relacionada à compressão ou elongação de um corpo que tende a voltar ao seu formato original, como molas e elásticos.

Quando algum corpo tem tendência a voltar à sua posição de equilíbrio em razão de uma força restauradora, assim como uma mola esticada ou comprimida, dizemos que ele é capaz de armazenar energia em forma de energia potencial elástica.

A energia potencial elástica, assim como todas as outras formas de energia potencial, também é escalar. Dessa forma, o caminho tomado pelo corpo não afeta o módulo de sua energia potencial, que é afetado somente pela diferença entre as posições final e inicial do corpo. Por exemplo: um corpo elástico, quando esticado ou comprimido em dois centímetros, apresentará a mesma quantidade de energia potencial elástica para ambos os casos.

Podemos calcular a energia potencial elástica de um corpo por meio da equação apresentada abaixo:

Legenda:
Ep – energia potencial elástica (J)
k – constante elástica do corpo (N/m – Newton por metro)
x – deformação do corpo (m)

Na equação acima, k recebe o nome de constante elástica. Essa constante é uma propriedade do corpo e mede a intensidade da força necessária para deformar o corpo em um metro. Já a variável x mede a deformação do corpo em metros. Se o corpo estiver em seu tamanho original, sua deformação será nula, de forma que x = 0. Portanto, esse corpo não apresentará qualquer energia potencial elástica.

Veja também: Dicas para um estudo de Física mais eficiente


Fórmulas de energia potencial

Para calcularmos a energia potencial gravitacional contida em um corpo, utilizamos a fórmula abaixo:

Legenda:
Ep – energia potencial gravitacional (J)
m – massa do corpo (kg)
h – altura do corpo em relação ao solo (m)

Podemos calcular o módulo da energia potencial elástica de um corpo por meio da fórmula abaixo:

Legenda:
Ep – energia potencial elástica (J)
k – constante elástica do corpo (N/m)
x – deformação do corpo (m)


Exemplos sobre energia potencial

Confira alguns exemplos de aplicação das fórmulas de energia potencial gravitacional e energia potencial elástica.

Exemplo 1 - Calcule o módulo da energia potencial gravitacional de um corpo de massa igual a 4,0 kg que se encontra em uma altura de 50,0 cm em relação ao solo. Adote g = 10 m/s².

Resolução:

Para calcularmos o módulo da energia potencial gravitacional desse corpo, fazemos o seguinte cálculo:

Lembre-se de que é necessário que a altura esteja definida em metros (50,0 cm equivalem a 0,5 m).

Exemplo 2 - Uma mola de constante elástica igual a 100 N/m é esticada em 10,0 cm. Calcule o módulo da energia potencial elástica armazenada por essa mola.

Resolução:

É necessário lembrar que a deformação sofrida pela mola deve ser dada em metros (10 cm equivalem a 0,10 m). Podemos calcular a energia potencial armazenada nessa mola da seguinte forma:

Veja também: Cinco dicas para resolver exercícios de Física


Exercícios resolvidos sobre energia potencial

Exercício 1 - Uma mola de constante elástica igual a 100,0 N/m encontra-se deformada, de forma que sua energia potencial elástica tem módulo igual a 320,0 J. Calcule o valor da deformação apresentada por essa mola em centímetros.

Resolução:

Usando a fórmula da energia potencial elástica, vamos substituir os dados informados pelo exercício:

Portanto, a mola do exercício teve seu comprimento original alterado em 80,0 cm.

Exercício 2 - Um corpo de massa igual a 500 g encontra-se numa região na qual a gravidade local tem módulo igual a 9,8 m/s². Sendo a energia potencial gravitacional atribuída a esse corpo igual a 294,0 J, calcule a altura que esse corpo encontra-se em relação ao solo.

Resolução:

Podemos calcular a altura do corpo em relação ao solo por meio da fórmula da energia potencial gravitacional. Para tanto, precisamos lembrar que a massa desse corpo precisa ser dada em quilogramas (500 g equivalem a 0,5 kg). Assim, teremos:


Por Me. Rafael Helerbrock

As molas são corpos capazes de armazenar energia potencial elástica quando deformados.
As molas são corpos capazes de armazenar energia potencial elástica quando deformados.

Gostaria de fazer a referência deste texto em um trabalho escolar ou acadêmico? Veja:

HELERBROCK, Rafael. "Energia Potencial"; Brasil Escola. Disponível em: https://brasilescola.uol.com.br/fisica/energia-potencial.htm. Acesso em 16 de dezembro de 2019.

Lista de Exercícios
Questão 1

Um vaso de 2,0kg está pendurado a 1,2m de altura de uma mesa de 0,4m de altura. Sendo g = 10m/s², determine a energia potencial gravitacional do vaso em relação à mesa e ao solo.

Questão 2

(FUVEST – SP ) No rótulo de uma lata de leite em pó lê-se “valor energético: 1509kj por 100g (361kcal)”. Se toda energia armazenada em uma lata contendo 400g de leite fosse utilizada para levantar um objeto de 10kg, a altura máxima atingida seria de aproximadamente (g = 10m/s²)

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