Energia (Física)

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Trabalho de uma força constante (fórmula)

W = F · d · cos(θ). F é a força (N), d é o deslocamento (m) e θ é o ângulo entre a força e o deslocamento.

Unidade de Trabalho e Energia no SI

Joule (J). 1 Joule equivale a 1 Newton multiplicado por 1 metro (1 N·m ou 1 kg·m²/s²).

Trabalho motor

Trabalho realizado por uma força a favor do movimento (0° ≤ θ < 90°), resultando em valor positivo (W > 0).

Trabalho resistente

Trabalho realizado por uma força contrária ao movimento (90° < θ ≤ 180°), resultando em valor negativo (W < 0).

Trabalho de força perpendicular ao deslocamento

O trabalho é nulo (W = 0), pois cos(90°) = 0. Exemplo: força centrípeta e força normal em plano horizontal.

Trabalho em gráfico Força versus Deslocamento (F x d)

A área sob a curva no gráfico F x d é numericamente igual ao trabalho realizado pela força.

Trabalho da força peso (fórmula)

W = ± m · g · h. Positivo na descida (força a favor) e negativo na subida (força contrária). Independe da trajetória.

Força conservativa

Força cujo trabalho realizado entre dois pontos independe da trajetória percorrida (ex.: peso, força elástica e força eletrostática).

Força dissipativa

Força que transforma energia mecânica em outras formas não recuperáveis de energia, como térmica (ex.: atrito e resistência do ar).

Trabalho da força de atrito (Fat)

W_fat = - Fat · d. Geralmente negativo por se opor ao deslocamento relativo, convertendo energia mecânica em calor.

Trabalho da força elástica (fórmula)

W = ± (k · x²) / 2. Depende apenas das deformações inicial e final da mola, sendo uma força conservativa.

Energia Cinética (conceito e fórmula)

Energia associada ao movimento de um corpo. Ec = (m · v²) / 2, onde m é a massa (kg) e v é a velocidade (m/s).

Relação entre velocidade e Energia Cinética

A energia cinética é proporcional ao quadrado da velocidade: se a velocidade dobra, a energia cinética quadruplica.

Teorema da Energia Cinética (TEC)

W_total = ΔEc = Ec_final - Ec_inicial. O trabalho da resultante de todas as forças equivale à variação da energia cinética.

Como usar o TEC em colisões e frenagens

Iguala-se o trabalho da força resultante (frequentemente o atrito: -Fat · d) à variação da energia cinética final menos inicial.

Energia Potencial Gravitacional (fórmula)

Epg = m · g · h, definida em relação a um nível de referência arbitrário adotado como altura zero.

Energia Potencial Elástica (fórmula)

Epe = (k · x²) / 2, onde k é a constante elástica da mola (N/m) e x é a deformação sofrida (m).

Energia Mecânica (definição)

Soma da energia cinética com as energias potenciais presentes no sistema: Emec = Ec + Ep (onde Ep pode ser Epg + Epe).

Princípio da Conservação da Energia Mecânica

Na presença exclusiva de forças conservativas, a energia mecânica total permanece constante: Emec_inicial = Emec_final.

Conservação de energia com forças dissipativas

Emec_final = Emec_inicial + W_dissipativas, onde W_dissipativas é negativo e representa a perda mecânica em calor.

Como resolver: velocidade no ponto mais baixo de uma rampa sem atrito

Iguale a energia mecânica no topo e na base: m·g·h = (m·v²)/2. Simplificando a massa, obtém-se v = √(2·g·h).

Queda livre e velocidade em função da altura

v = √(2·g·h). A velocidade independe da massa do corpo quando a resistência do ar é desprezada.

Compressão máxima de mola por corpo em movimento sem atrito

Toda a energia cinética vira elástica: (m·v²)/2 = (k·x²)/2. Isola-se x para encontrar a deformação máxima.

Looping vertical: velocidade mínima no topo para completar a volta

A força normal no topo é nula; o peso atua como resultante centrípeta: m·g = m·v²/R, logo v_mín = √(g·R).

Looping vertical: altura mínima de lançamento para completar a volta

Por conservação de energia sem atrito partindo do repouso: m·g·h = m·g·(2R) + (m·v_topo²)/2. Com v² = g·R, h_mín = 2,5·R.

Potência Média (fórmula geral)

P = W / Δt ou P = ΔE / Δt. Mede a rapidez com que a energia é transformada ou o trabalho é realizado. Unidade no SI: Watt (W).

Unidade Watt (W)

1 Watt = 1 Joule por segundo (1 J/s).

Potência Instantânea (fórmula)

P = F · v · cos(θ). Se a força e a velocidade tiverem a mesma direção e sentido: P = F · v.

Unidade Kilowatt-hora (kWh)

Unidade de energia comumente usada na conta de luz. 1 kWh = 1000 W · 3600 s = 3,6 · 10⁶ J (3,6 MJ).

Cálculo de consumo elétrico mensal

E(kWh) = [Potência(W) · horas por dia · dias] / 1000. Multiplica-se o resultado pela tarifa unitária da concessionária.

Rendimento de uma máquina (fórmula)

η = Potência_útil / Potência_total = Energia_útil / Energia_total. Valor adimensional entre 0 e 1 (ou 0% a 100%).

Potência dissipada

P_total = P_útil + P_dissipada. A energia perdida geralmente é convertida em calor por atrito ou efeito Joule.

Gráfico Potência versus Tempo (P x t)

A área sob a curva no gráfico P x t é numericamente igual à energia consumida ou ao trabalho realizado no intervalo.

Princípio Geral da Conservação da Energia

A energia não pode ser criada nem destruída, apenas transformada de uma forma em outra; a energia total do universo é constante.

Energia Térmica e Calor (diferença conceitual)

Energia térmica é a energia cinética média das partículas; calor é a transferência de energia térmica devido a diferença de temperatura.

Conversão de caloria para Joule

1 cal ≈ 4,18 J (frequentemente aproximado para 4,2 J em questões de física no vestibular).

Equivalente mecânico do calor

Experimento de Joule que demonstrou a conversão direta de trabalho mecânico em aumento de temperatura da água: W = Q.

Trabalho termodinâmico em transformações isobáricas

W = p · ΔV. Em pressão constante, trabalho positivo indica expansão e trabalho negativo indica compressão do gás.

Primeira Lei da Termodinâmica

ΔU = Q - W. A variação da energia interna de um gás depende do calor trocado e do trabalho realizado.

Energia em movimento harmônico simples (MHS)

A soma da energia potencial elástica com a cinética é constante: Emec = (k·A²)/2, onde A é a amplitude do movimento.

MHS: pontos de máxima energia cinética

Na posição de equilíbrio (x = 0), onde a deformação da mola é nula e a velocidade do corpo é máxima.

MHS: pontos de máxima energia potencial

Nas extremidades da oscilação (x = ±A), onde a velocidade do corpo é zero e a aceleração é máxima.

Colisão Perfeitamente Elástica

Ocorre conservação tanto da quantidade de movimento total quanto da energia cinética total do sistema (coeficiente e = 1).

Colisão Inelástica

A quantidade de movimento conserva-se, mas há perda de energia cinética em deformação ou calor (coeficiente e < 1).

Colisão Perfeitamente Inelástica

Os corpos saem grudados com a mesma velocidade; ocorre a perda percentual máxima possível de energia cinética (e = 0).

Energia solar fotovoltaica (transformação)

Transformação direta de energia luminosa (radiação solar) em energia elétrica por meio de materiais semicondutores.

Energia hidrelétrica (cadeia de transformação)

Energia potencial gravitacional da água represada -> energia cinética na queda -> mecânica nas turbinas -> elétrica no gerador.

Energia eólica (transformação)

Transformação da energia cinética das massas de ar em energia mecânica nas pás e, em seguida, em elétrica pelo gerador.

Energia fóssil / termelétrica (transformação)

Energia química contida no combustível fóssil -> energia térmica na queima -> mecânica no vapor -> elétrica no gerador.

Fórmula da energia de um fóton

E = h · f, onde h é a constante de Planck (6,63 · 10⁻³⁴ J·s) e f é a frequência da onda eletromagnética.