O que É Energia?

O termo energia é tão amplo que é difícil pensar em uma definição simples. Tecnicamente, energia é uma grandeza escalar associada ao estado de um ou mais objetos; entretanto, essa definição é vaga demais para ser útil a quem está começando.

Uma definição menos rigorosa pode servir pelo menos de ponto de partida.

Energia é um número que associamos a um sistema de um ou mais objetos. Se uma força afeta um dos objetos, fazendo-o, por exemplo, entrar em movimento, o número que descreve a energia do sistema varia. Após um número muito grande de experimentos, os cientistas e engenheiros confirmaram que, se o método por meio do qual atribuímos um número à energia for definido adequadamente, esse número pode ser usado para prever os resultados de experimentos e, mais importante, para construir máquinas capazes de realizar proezas fantásticas, como voar. Este sucesso se baseia em uma propriedade fascinante do universo: a energia pode mudar de forma e ser transferida de um objeto para outro, mas a quantidade total de energia permanece constante (a energia é conservada). Até hoje, nunca foi encontrada uma exceção dessa lei de conservação da energia.

Dinheiro. Pense nas muitas formas de energia como se fossem os números

que representam as quantias depositadas em contas bancárias. Algumas regras foram estabelecidas para o significado desses números e a forma como podem ser modificados. Você pode transferir os números que representam quantias em dinheiro de uma conta para outra, talvez eletronicamente, sem que nenhum objeto material seja movimentado; entretanto, a quantidade total de dinheiro (a soma de todos os números) permanece constante: essa soma é conservada em todas as transações bancárias. Neste capítulo, concentramos nossa atenção em um único tipo de energia (a energia cinética) e uma única forma de transferência de energia (o trabalho).

Energia Cinética

A energia cinética K é a energia associada ao estado de movimento de um objeto. Quanto mais depressa o objeto se move, maior é a energia cinética. Quando um objeto está em repouso, a energia cinética é nula.

Para um objeto de massa m cuja velocidade v é muito menor que a

velocidade da luz,

Um pato de 3,0 kg que voa a 2,0 m/s, por exemplo, tem uma energia cinética de 6,0 kg·m2/s2, ou seja, associamos esse número ao movimento do pato.

A unidade de energia cinética (e de qualquer outra forma de energia) no SI é

o joule (J), em homenagem a James Prescott Joule, um cientista inglês do

século XIX. É definida a partir da Eq. 7-1 em termos das unidades de massa e velocidade:

Assim, o pato do exemplo anterior tem uma energia cinética de 6,0 J.

Exemplo 7.01 Energia cinética em um

choque de locomotivas

Em 1896, em Waco, Texas, William Crush posicionou duas locomotivas em extremidades opostas de uma linha férrea com 6,4 km de extensão, acendeu as caldeiras, amarrou os aceleradores para que permanecessem acionados e fez com que as locomotivas sofressem uma colisão frontal, em alta velocidade, diante de 30.000

espectadores (Fig. 7-1). Centenas de pessoas foram feridas pelos destroços; várias morreram. Supondo que cada locomotiva pesava 1,2 H 106 N e tinha uma aceleração constante de 0,26 m/s2, qual era a energia cinética das duas locomotivas imediatamente antes da colisão?

IDEIAS-CHAVE

(1) Para calcular a energia cinética de cada locomotiva usando a Eq.

7-1, precisamos conhecer a massa de cada locomotiva e sua velocidade imediatamente antes da colisão. (2) Como podemos supor que cada locomotiva sofreu uma aceleração constante, podemos usar

as equações na Tabela 2-1 para calcular a velocidade v imediatamente antes da colisão.

Cálculos: Escolhemos a Eq. 2-16 porque conhecemos os valores de todos os parâmetros, exceto v:

Com v = 0 e x – x = 3,2 H 103 m (metade da distância inicial), 0 0

temos:

Podemos calcular a massa de cada locomotiva dividindo o peso por g:

Em seguida, usando a Eq. 7-1, calculamos a energia cinética total das duas locomotivas imediatamente antes da colisão:

A colisão foi como a explosão de uma bomba!