A energia potencial se apresenta de duas formas: a energia potencial gravitacional e a energia potencial elástica.
Esse tipo de energia representa a que pode ser transformada em energia cinética, ou seja, que pode produzir movimento. Podemos armazená-la utilizando o campo gravitacional da Terra (energia potencial gravitacional) ou provocando deformações elásticas nos corpos (energia potencial elástica).
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O que é a energia potencial gravitacional?
Essa energia está relacionada à posição de um corpo no campo gravitacional da Terra. Por exemplo, quando levantamos um balde até uma altura h a partir do solo, estamos aumentando a distância de separação entre ele e o centro da Terra. Quando levantamos o balde, ocorre a realização de um trabalho, então o sistema balde-Terra armazena essa energia na forma de energia potencial gravitacional.
Se adotarmos a superfície da terra como ponto de altura zero, ele se torna o nosso referencial. A energia armazenada no sistema balde-Terra pode ser entendida como a energia potencial do balde no campo gravitacional da Terra.
Nessas condições, podemos dizer que a energia potencial gravitacional Epg de um corpo colocado no solo é nula.
Para elevar um corpo de massa m a partir do solo até um ponto de altura h, devemos aplicar uma força F que irá realizar um trabalho contra a força peso do corpo. Esse trabalho, em módulo, deve ser igual ao trabalho realizado pela força peso. Assim, o trabalho realizado pela força F é armazenado no sistema Terra-corpo, na forma de energia potencial gravitacional do corpo de massa m.
Ou seja, o trabalho realizado pela força que puxa o balde deve ser igual ao trabalho realizado pela força peso, que também deve ser igual à energia potencial gravitacional: WF = Ep = – Wp.
O trabalho da força peso é dado por:
- Wp = – mgh.
Portanto, um corpo de massa m, colocado a uma altura h do solo, possui uma energia potencial gravitacional, em relação à superfície da Terra, dada por:
- Ep (grav) = mgh.
O que é a energia potencial elástica?
A energia potencial elástica está associada a deformações elásticas que os corpos apresentam quando sofrem a ação de forças de tração ou de compressão.
Por exemplo, quando um arqueiro retesa seu arco, ele despende uma certa quantidade de energia. Parte dessa energia é armazenada na corda do arco que, quando liberada, é convertida em energia cinética da flecha.
Geralmente, quando tratamos de energia potencial elástica, usamos um sistema no qual existe um bloco acoplado a uma mola. As molas são corpos elásticos que podem armazenar energia potencial quando tracionados ou quando comprimidos.
Exemplos de energia potencial
A energia potencial elástica armazenada em uma mola pode ser usada para colocar um corpo em movimento. É o que acontece nas espingardas de pressão: quando engatilhadas, apresentam uma energia potencial elástica armazenada na mola, que é usada para expulsar o projétil.
Ao produzir deformação em uma mola, fornecemos a ela uma quantidade de energia potencial elástica. Aplicando uma força F, realizamos um trabalho contra a força elástica da mola (força restauradora), que em módulo é igual ao trabalho realizado pela força elástica da mola.
Imagine um suporte no qual iremos prender uma mola, de modo que essa extremidade presa fique fixa. Teremos também preso na outra extremidade da mola um bloco, que no caso será o representante de um objeto que se comporta como uma partícula.
A mola deve estar no estado relaxado, ou seja, ela não está nem comprimida nem alongada, como mostra a imagem acima.
A intensidade da força elástica varia proporcionalmente à deformação x produzida na mola, que é a distância percorrida pela mola quando a esticamos ou a comprimimos. A mola tende a voltar a seu estado inicial devido a uma força restauradora, de sentido contrário à força que foi exercida sobre a mola para causar deformação.
Tratando como desprezível a massa da mola, considerando-a uma mola ideal (obedece exatamente a lei de Hooke) e supondo também que não existe atrito entre o piso e o bloco, o trabalho de uma força elástica é dado por:
Sendo xi a posição inicial da mola e xf a posição final da mola.
Caso xi = 0 e chamando a posição final de x, podemos escrever também:
Como vimos acima, o trabalho realizado pela força elástica é igual à energia potencial elástica. Podemos escrever, então:
