Por que o primeiro morro de uma montanha-russa é sempre o mais alto — e por que nenhum morro seguinte consegue ser tão alto quanto ele?
Repare em uma montanha-russa de verdade: o único trecho em que existe um motor trabalhando é a primeira subida, quando uma corrente barulhenta arrasta o trem até o topo — em geral uns 40 m de altura, o equivalente a um prédio de 13 andares. Dali em diante, o trem despenca, sobe, faz curvas e loopings por quase um quilômetro de trilho sem receber um único empurrão. No fundo do primeiro vale, ele chega perto de 100 km/h.
De onde vem toda essa velocidade? E por que, morro após morro, o trem vai perdendo fôlego até precisar de freio no final? A resposta é o assunto deste capítulo — e é, provavelmente, a ideia mais poderosa de toda a física.
"A energia se gasta" e "trabalho é esforço"
Você provavelmente pensa duas coisas que a física vai desmontar aqui:
“A energia se gasta.” A bateria “acaba”, o carro “consome” gasolina. Mas a energia nunca desaparece: ela muda de forma e de lugar. O que ela perde é a utilidade, não a existência.
“Trabalho é esforço.” Segurar uma mochila pesada parada por dez minutos cansa horrores — e mesmo assim, para a física, o trabalho realizado sobre a mochila é zero. Cansaço mede o gasto interno dos músculos; trabalho mede a energia entregue ao objeto.
Por que chamamos energia de “moeda”?
Dinheiro muda de mãos o tempo todo: sai do seu bolso, vira pão na padaria, vira salário do padeiro… A quantia total não some ao circular — só troca de dono e de forma. A energia se comporta exatamente assim: pode estar guardada na gasolina (química), no movimento de um carro (cinética), na água represada (potencial gravitacional), no elástico esticado (potencial elástica) — e pode ser transferida e transformada.
Princípio da conservação da energia
Em um sistema isolado, a energia total não aumenta nem diminui — apenas se transforma de um tipo em outro ou se transfere de um corpo para outro. A unidade de energia no SI é o joule (J): aproximadamente a energia para erguer uma barra de chocolate de 100 g a 1 m de altura.
Como a energia muda de mãos?
Se energia é a moeda, o trabalho é o pagamento: a energia transferida a um corpo por uma força ao longo de um deslocamento. Só a parte da força na direção do movimento transfere energia.
Trabalho de uma força constante
W=Fdcosθ
em que F é a força, d o deslocamento e θ o ângulo entre eles. Unidade: N·m = J. Três casos-limite: θ=0° → trabalho positivo (W=Fd, a força entrega energia); θ=90° → trabalho nulo; θ=180° → trabalho negativo (W=−Fd, a força retira energia — caso do atrito na freada).
Repare: se o deslocamento é zero, o trabalho é zero — não importa o esforço. E o trabalho do peso só depende do desnívelh, nunca do trajeto (reta, rampa ou zigue-zague): forças assim são chamadas conservativas. É isso que permite “guardar” energia como energia potencial.
Quem realiza o mesmo trabalho mais rápido?
Dois elevadores levam você ao 10º andar: um em 20 s, outro em 60 s. O trabalho é o mesmo — o que muda é a potência, a rapidez com que o trabalho é realizado: P=ΔtW, medida em watts (1 W = 1 J por segundo; 1 cv ≈ 735 W). Para um corpo a velocidade v sob força F na direção do movimento, vale também P=Fv: com potência limitada, mais força exige menos velocidade — por isso a moto sobe a serra devagar.
Nenhuma máquina converte toda a energia recebida na forma desejada: a fração aproveitada é o rendimento, η=EtotalEuˊtil, sempre entre 0 e 1. Um motor a combustão fica em torno de 30%; um motor elétrico, perto de 90%. Rendimento acima de 100% violaria a conservação da energia — desconfie na hora.
O que a conta de luz cobra?
A distribuidora não vende potência; vende energia, medida em quilowatt-hora: 1 kWh é a energia de um aparelho de 1 kW ligado por 1 h — ou seja, 3,6 MJ. Um chuveiro de 5500 W ligado 15 min por dia consome cerca de 41 kWh por mês: com a tarifa em torno de R$ 0,80 por kWh, uns R$ 33 mensais só de chuveiro. Banho de 8 minutos em vez de 15? Quase metade desse dinheiro de volta.
Quanta energia carrega um corpo em movimento?
O trabalho da força resultante vira energia de movimento — a energia cinética, Ec=2mv2. A velocidade entra ao quadrado: dobrar a velocidade quadruplica a energia. Pelo teorema da energia cinética (Wres=ΔEc), isso quadruplica também a distância de frenagem: um carro que para em 25 m a 72 km/h precisa de 100 m a 144 km/h. São esses números que justificam os limites de velocidade urbanos.
Energia também se guarda: erguida a uma altura h, uma caixa acumula energia potencial gravitacionalEpg=mgh (o valor depende do nível de referência que você escolhe — declare a escolha; as diferenças não dependem). E uma mola ideal deformada de x guarda energia potencial elásticaEpe=2kx2.
O que acontece quando só forças conservativas trabalham?
A energia mecânica é a soma Em=Ec+Epg+Epe. Quando apenas forças conservativas (peso, força elástica) realizam trabalho, ela não muda: o que a cinética ganha, a potencial perde, como dinheiro migrando entre dois bolsos da mesma calça.
Conservação da energia mecânica
2mv12+mgh1=2mv22+mgh2
Condição de validade: sem atrito, sem resistência do ar, sem motor ou freio realizando trabalho. Para descida a partir do repouso, o atalho é v=2gh — qualquer trajeto. No topo do primeiro morro da montanha-russa (40 m), isso dá v=2×10×40≈28 m/s ≈ 100 km/h no vale, sem resolver nenhuma equação de movimento. E a massa cancela: trem cheio ou vazio, mesma velocidade.
Na vida real, o pêndulo para e os morros precisam ser cada vez mais baixos. A energia mecânica diminui mesmo — mas não é destruída: forças dissipativas (atrito, resistência do ar) a convertem em energia térmica, molécula por molécula. A energia dissipada é exatamente Edissipada=Em,inicial−Em,final. A energia total sempre se conserva; ela se degrada — o que acaba é a energia organizada e útil.
De onde vem a energia elétrica que você usa?
Uma usina hidrelétrica é uma máquina de aplicar este capítulo: a barragem guarda um estoque gigantesco de Epg; a água desce trocando potencial por cinética, gira turbinas e o gerador converte rotação em energia elétrica. Itaipu tem 14 000 MW de potência instalada e desnível de uns 120 m: cada quilograma de água entrega mgh≈1200 J ao descer. Em 2023, quase 90% da eletricidade brasileira veio de fontes renováveis — no mundo, cerca de 60% ainda vem de queimar combustíveis fósseis.
O essencial em meia página
Trabalho (energia transferida por uma força): W=Fdcosθ. Nulo se d=0 ou θ=90°; negativo se a força se opõe ao movimento. Trabalho ≠ esforço!
Potência: P=ΔtW=Fv. Unidade: watt. 1 cv ≈ 735 W; 1 kWh = 3,6 MJ (unidade de energia da conta de luz).
Energia cinética: Ec=2mv2. Teorema: Wres=ΔEc (vale sempre). Dobrou v ⇒ quadruplicou Ec (e a distância de frenagem).
Potenciais: Epg=mgh (escolha o nível de referência e declare!); Epe=2kx2. Válidas para g uniforme e mola ideal.
Conservação da energia mecânica: Ec+Ep constante somente se só forças conservativas trabalham. Atalho: v=2gh para queda/descida do repouso, qualquer trajeto.
Com atrito: Edissipada=Em,inicial−Em,final vira energia térmica. Energia total sempre se conserva; ela se degrada, nunca desaparece.
Cadeia da hidrelétrica: Epg→Ec→ rotação → elétrica. Matriz elétrica do Brasil: ≈ 89% renovável (2023).
E a pergunta motriz? O primeiro morro é o caixa eletrônico da viagem: toda a energia que o trem vai usar é depositada ali como mgh pela corrente da subida — o único trecho com motor. Dali em diante, a energia mecânica só pode ser trocada (Ep↔Ec), nunca aumentada; e como o atrito converte, metro a metro, parte dela em energia térmica, cada morro precisa ser mais baixo que o anterior. A escadaria descendente de trilhos não é estética: é a física desenhada em aço.
Exercício resolvido
Por que dobrar a velocidade quadruplica a frenagem. Um carro de 1000 kg anda a 20 m/s (72 km/h). Em uma freada de emergência, a força resultante de frenagem (o atrito pneu–solo) vale 8000 N, constante, contra o movimento. (a) Qual a distância mínima para parar? (b) E se a velocidade fosse o dobro, 40 m/s?
Estratégia
Nada de funções horárias: use o teorema da energia cinética. Toda a energia cinética inicial precisa ser retirada pelo trabalho (negativo) da força de frenagem: −Fd=0−21mv2.
Resolução
(a) Ec=21000×202=21000×400=200000 J. Como Fd=Ec:
d=FEc=8000200000=25 m.
(b) A 40 m/s: Ec=21000×1600=800000 J — quatro vezes maior. Logo d=8000800000=100 m.
Verificação
Dobrou a velocidade, quadruplicou a distância: é o v2 em ação. 25 m a 72 km/h é compatível com testes reais de frenagem em piso seco (e sem contar o tempo de reação!). São esses números que justificam os limites de velocidade urbanos. Observação: o teorema resolve em duas linhas o que exigiria Torricelli mais a 2ª lei de Newton — energia costuma ser o atalho mais elegante.
Exercício resolvido
A montanha-russa. Um trem de montanha-russa parte praticamente do repouso do topo do primeiro morro, a 40 m de altura. Desprezando o atrito e adotando g=10 m/s², calcule a velocidade do trem: (a) no fundo do vale (h=0); (b) no topo do segundo morro, a 20 m.
Estratégia
Escolha o nível de referência no fundo do vale. Sem atrito, aplique EmA=Emponto. Note que a massa vai cancelar dos dois lados — por isso o enunciado nem a fornece!
A massa cancelou: trem cheio ou vazio, mesma velocidade (sem atrito). 102 km/h no vale bate com montanhas-russas reais de primeiro morro dessa altura. Caso-limite: se hC=hA, a fórmula dá vC=0 — o trem no máximo empata com a altura de partida, nunca a supera. Observação: guarde v=2gh; ela responde a pergunta motriz do capítulo.
Nível 1 · Primeiros passos
Um repositor empurra um carrinho de mercado com força horizontal de 30 N, na direção do movimento, por 12 m. Calcule o trabalho realizado pela força do repositor.
Ver solução
W=Fd=30×12=360 J. Como a força está na direção do movimento, θ=0° e cos0°=1: todo o empurrão transfere energia ao carrinho.
Nível 1 · Primeiros passos
Uma cadela empolgada puxa a guia para a frente com força de 20 N, formando 60° com a calçada horizontal, enquanto o tutor caminha 50 m. (a) Qual o trabalho da força da cadela sobre o tutor? (b) Pelo sinal desse trabalho, a força da cadela ajuda ou atrapalha a caminhada do tutor?
Ver solução
(a) W=Fdcos60°=20×50×0,5=500 J — só a componente horizontal da força trabalha. (b) Ajuda: como θ<90°, o trabalho é positivo — a cadela entrega energia ao tutor, puxando-o no sentido da caminhada.
Nível 1 · Primeiros passos
Tainá ficou 5 min em pé em um ônibus que andava em movimento retilíneo uniforme, segurando uma mochila de 10 kg imóvel nas costas. Calcule o trabalho que a força de Tainá realizou sobre a mochila e explique, em uma frase, por que ela mesmo assim chegou cansada.
Ver solução
W=0. No referencial do ônibus, a mochila não se desloca (d=0); no referencial da rua, ela até se move com o ônibus, mas a força de Tainá é vertical e o deslocamento é horizontal (θ=90°, cosθ=0). Nos dois referenciais o trabalho é nulo. O cansaço vem do gasto interno dos músculos (energia química → térmica no corpo), que não é transferido à mochila.
Nível 1 · Primeiros passos
Uma mola de constante elástica 200 N/m é comprimida 15 cm. Que energia fica armazenada nela?
Ver solução
Epe=2kx2=2200×0,152=2,25 J. Atenção à conversão: 15 cm =0,15 m — esquecer de passar para o SI é o erro clássico deste tipo de problema.
Nível 2 · Praticando de verdade
Uma moto de 200 kg (com piloto) a 15 m/s freia com força resultante constante de 1800 N. (a) Use o teorema da energia cinética para achar a distância de frenagem. (b) Sem refazer tudo, diga qual seria a distância se a velocidade fosse 30 m/s, e justifique.
Ver solução
(a) Ec=2200×152=22500 J; a força de frenagem precisa retirar toda essa energia: d=Ec/F=22500/1800=12,5 m. (b) 50 m: dobrar v quadruplica Ec (dependência em v2), logo quadruplica a distância de frenagem.
Nível 2 · Praticando de verdade
Seu Bira, mestre de obras filósofo, deu duas opções ao ajudante: subir com um saco de 40 kg até o andaime de 5,0 m, ou levar um único saco de 20 kg até a laje de 10 m — “escolhe aí o serviço mais leve”. O ajudante desconfiou da bondade. Calcule o trabalho contra a gravidade em cada opção (g=9,8 m/s²) e responda, em uma frase, se Seu Bira estava dando mole ou aplicando física.
Ver solução
As duas opções custam o mesmo trabalho: 40×9,8×5,0=1960 J e 20×9,8×10=1960 J. Seu Bira estava aplicando física: W=mgh só depende do produto m×h — trocar metade da massa pelo dobro da altura não muda nada.
(Enem 2009) Na avaliação da eficiência de usinas quanto à produção e aos impactos ambientais, utilizam-se vários critérios, tais como: razão entre produção efetiva anual de energia elétrica e potência instalada ou razão entre potência instalada e área inundada pelo reservatório. No quadro, esses parâmetros são aplicados às duas maiores hidrelétricas do mundo: Itaipu, no Brasil, e Três Gargantas, na China.
Parâmetros
Itaipu
Três Gargantas
potência instalada
12 600 MW
18 200 MW
produção efetiva anual
93 bilhões de kWh
84 bilhões de kWh
área inundada
1400 km²
1000 km²
Com base nessas informações, avalie: I. A energia elétrica gerada anualmente e a capacidade máxima de geração de Itaipu são maiores que as de Três Gargantas. II. Itaipu é mais eficiente que Três Gargantas no uso da potência instalada na produção de energia elétrica. III. A razão entre potência instalada e área inundada pelo reservatório é mais favorável em Três Gargantas do que em Itaipu. É correto apenas o que se afirma em:
a) I b) II c) III d) I e III e) II e III
Ver solução
e) II e III. I é falsa: Itaipu produz mais energia anual (93 > 84 bilhões de kWh), mas tem menor potência instalada. II é verdadeira: Itaipu produz mais com menos potência instalada. III é verdadeira: 18200/1000=18,2 MW/km² contra 12600/1400=9 MW/km². Observação: os 12 600 MW eram a potência instalada de Itaipu na época da prova; hoje são 14 000 MW.
Nível 3 · ENEM e vestibulares
(Estilo Enem) Para percorrer o mesmo trajeto urbano, um carro a combustão consome energia química a uma taxa média de 60 kW, com rendimento de 30%, enquanto um carro elétrico de mesmo porte realiza o mesmo trabalho útil por segundo com rendimento de 90%. A potência elétrica média consumida pelo carro elétrico nesse trajeto é de:
a) 6 kW b) 18 kW c) 20 kW d) 54 kW e) 60 kW
Ver solução
c) 20 kW. Potência útil do carro a combustão: 60×0,30=18 kW. Para entregar os mesmos 18 kW úteis com η=0,90: P=18/0,90=20 kW — um terço da energia consumida pelo carro a combustão, para o mesmo trabalho nas rodas.
Nível 3 · ENEM e vestibulares
(Estilo Fuvest) Em uma montanha-russa sem atrito, o carrinho passa pelo ponto A, no topo de um morro de 30 m de altura, com velocidade de 10 m/s. Adote g=10 m/s². A velocidade do carrinho ao passar pelo ponto B, no topo de um morro de 15 m de altura, é de:
a) 10 m/s b) 14 m/s c) 17 m/s d) 20 m/s e) 25 m/s
Ver solução
d) 20 m/s. Conservação da energia mecânica entre A e B: vB2=vA2+2g(hA−hB)=102+2×10×15=400, logo vB=20 m/s. Os 15 m de altura perdidos entre A e B reaparecem integralmente como energia cinética extra.
Estilo ENEM
Exercícios do ENEM — Energia: trabalho, potência e conservação
4 questões objetivas. Responda com um clique — no final você vê sua pontuação.
Entre na sua conta para salvar o resultado, ver o gabarito comentado e entrar no ranking.
Estilo PAS/UnB (Certo ou Errado)
Exercícios do PAS/UnB — Energia: trabalho, potência e conservação
4 questões objetivas. Responda com um clique — no final você vê sua pontuação (sem penalidade por erro, diferente da prova real).
Entre na sua conta para salvar o resultado, ver o gabarito comentado e entrar no ranking.
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TRABALHO DE UMA FORÇA - DINÂMICA - AULA 18 - Prof Marcelo Boaro
Professor Boaro
Aula completa sobre W=Fdcosθ com os três casos-limite (trabalho motor, nulo e resistente) — a base de todo o capítulo.
Trabalho e Energia Mecânica - Extensivo Física | Descomplica
Descomplica
Conecta trabalho, energia cinética e potencial em uma única aula de extensivo — boa ponte entre as seções 9.2 a 9.5 do capítulo.
Me Salva! TEP08 - Conservação da Energia Mecânica - Física Geral - Mecânica
Me Salva! ENEM
Mostra a troca Ep↔Ec com soma constante — o mesmo raciocínio do resolvido da montanha-russa e do pêndulo no nariz.
REVISÃO ENEM | FÍSICA: ENERGIA E SUAS TRANSFORMAÇÕES | ESQUENTA ENEM | DESCOMPLICA
Descomplica
Revisão focada no ENEM de transformações de energia e rendimento — o recorte que a prova mais cobra deste capítulo (hidrelétricas, motores, dissipação).
Depois do primeiro morro, nenhum motor empurra o trem: todo o resto da viagem é pago pela energia acumulada na primeira subida.No estilingue, o trabalho de esticar fica guardado como energia potencial elástica — e, se toda essa energia for transferida à pedra, reaparece como energia cinética no disparo.Como a criança chega à base com menos energia cinética do que a potencial que tinha no topo, a diferença não desapareceu: virou energia térmica no escorregador, no short e no ar.Na frenagem, a força de atrito aponta contra o movimento: seu trabalho negativo retira toda a energia cinética da moto ao longo da distância d, convertendo-a em energia térmica.As duas opções trocam massa por altura — e o trabalho contra a gravidade depende apenas do produto mgh, não de cada fator isoladamente.Sem atrito, a energia mecânica é a mesma em A e em B: os 15 m de altura perdidos entre os dois pontos reaparecem integralmente como energia cinética extra em B.Na hidrelétrica, a energia elétrica da sua tomada é energia potencial gravitacional da chuva represada — transformada em cadeia, nunca criada.
Física em Movimento
Capítulo 9 — “Energia: a moeda universal” · série EF-1