Energia: trabalho, potência e conservação

Do livro Física em Movimento, capítulo 9 — “Energia: a moeda universal”

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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=FdcosθW = F\,d\,\cos\theta

em que FF é a força, dd o deslocamento e θ\theta o ângulo entre eles. Unidade: N·m = J. Três casos-limite: θ=0°\theta = 0° → trabalho positivo (W=FdW = Fd, a força entrega energia); θ=90°\theta = 90° → trabalho nulo; θ=180°\theta = 180° → trabalho negativo (W=FdW = -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 desnível hh, 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=WΔtP = \frac{W}{\Delta t}, medida em watts (1 W = 1 J por segundo; 1 cv ≈ 735 W). Para um corpo a velocidade vv sob força FF na direção do movimento, vale também P=FvP = F\,v: 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=EuˊtilEtotal\eta = \frac{E_{\text{útil}}}{E_{\text{total}}}, 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=mv22E_c = \frac{mv^2}{2}. A velocidade entra ao quadrado: dobrar a velocidade quadruplica a energia. Pelo teorema da energia cinética (Wres=ΔEcW_{\text{res}} = \Delta E_c), 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 hh, uma caixa acumula energia potencial gravitacional Epg=mghE_{pg} = mgh (o valor depende do nível de referência que você escolhe — declare a escolha; as diferenças não dependem). E uma mola ideal deformada de xx guarda energia potencial elástica Epe=kx22E_{pe} = \frac{kx^2}{2}.

O que acontece quando só forças conservativas trabalham?

A energia mecânica é a soma Em=Ec+Epg+EpeE_m = E_c + E_{pg} + E_{pe}. 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

mv122+mgh1=mv222+mgh2\frac{mv_1^2}{2} + mgh_1 = \frac{mv_2^2}{2} + mgh_2

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=2ghv = \sqrt{2gh} — qualquer trajeto. No topo do primeiro morro da montanha-russa (40 m), isso dá v=2×10×4028v = \sqrt{2 \times 10 \times 40} \approx 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,inicialEm,finalE_{\text{dissipada}} = E_{m,\text{inicial}} - E_{m,\text{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 EpgE_{pg}; 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 mgh1200mgh \approx 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=FdcosθW = F\,d\,\cos\theta. Nulo se d=0d = 0 ou θ=90°\theta = 90°; negativo se a força se opõe ao movimento. Trabalho ≠ esforço!
  • Potência: P=WΔt=FvP = \frac{W}{\Delta t} = F\,v. Unidade: watt. 1 cv ≈ 735 W; 1 kWh = 3,6 MJ (unidade de energia da conta de luz).
  • Rendimento: η=EuˊtilEtotal1\eta = \frac{E_{\text{útil}}}{E_{\text{total}}} \leq 1 sempre. Combustão ≈ 30%; elétrico ≈ 90%.
  • Energia cinética: Ec=mv22E_c = \frac{mv^2}{2}. Teorema: Wres=ΔEcW_{\text{res}} = \Delta E_c (vale sempre). Dobrou vv ⇒ quadruplicou EcE_c (e a distância de frenagem).
  • Potenciais: Epg=mghE_{pg} = mgh (escolha o nível de referência e declare!); Epe=kx22E_{pe} = \frac{kx^2}{2}. Válidas para gg uniforme e mola ideal.
  • Conservação da energia mecânica: Ec+EpE_c + E_p constante somente se só forças conservativas trabalham. Atalho: v=2ghv = \sqrt{2gh} para queda/descida do repouso, qualquer trajeto.
  • Com atrito: Edissipada=Em,inicialEm,finalE_{\text{dissipada}} = E_{m,\text{inicial}} - E_{m,\text{final}} vira energia térmica. Energia total sempre se conserva; ela se degrada, nunca desaparece.
  • Cadeia da hidrelétrica: EpgEcE_{pg} \to E_c \to 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 mghmgh pela corrente da subida — o único trecho com motor. Dali em diante, a energia mecânica só pode ser trocada (EpEcE_p \leftrightarrow E_c), 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=012mv2-F\,d = 0 - \frac{1}{2}mv^2.

Resolução

(a) Ec=1000×2022=1000×4002=200000E_c = \frac{1000 \times 20^2}{2} = \frac{1000 \times 400}{2} = 200\,000 J. Como Fd=EcF\,d = E_c:

d=EcF=2000008000=25 m.d = \frac{E_c}{F} = \frac{200\,000}{8000} = 25 \text{ m}.

(b) A 40 m/s: Ec=1000×16002=800000E_c = \frac{1000 \times 1600}{2} = 800\,000 J — quatro vezes maior. Logo d=8000008000=100d = \frac{800\,000}{8000} = 100 m.

Verificação

Dobrou a velocidade, quadruplicou a distância: é o v2v^2 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=10g = 10 m/s², calcule a velocidade do trem: (a) no fundo do vale (h=0h = 0); (b) no topo do segundo morro, a 20 m.

Estratégia

Escolha o nível de referência no fundo do vale. Sem atrito, aplique EmA=EmpontoE_m^A = E_m^{\text{ponto}}. Note que a massa vai cancelar dos dois lados — por isso o enunciado nem a fornece!

Resolução

(a) De A (vA=0v_A = 0, hA=40h_A = 40 m) até B (hB=0h_B = 0):

mghA=mvB22vB=2ghA=2×10×40=80028 m/s  (102 km/h).mgh_A = \frac{mv_B^2}{2} \Rightarrow v_B = \sqrt{2gh_A} = \sqrt{2 \times 10 \times 40} = \sqrt{800} \approx 28 \text{ m/s} \;(\approx 102 \text{ km/h}).

(b) De A até C (hC=20h_C = 20 m):

mghA=mvC22+mghCvC=2g(hAhC)=2×10×20=400=20 m/s.mgh_A = \frac{mv_C^2}{2} + mgh_C \Rightarrow v_C = \sqrt{2g(h_A - h_C)} = \sqrt{2 \times 10 \times 20} = \sqrt{400} = 20 \text{ m/s}.

Verificação

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=hAh_C = h_A, a fórmula dá vC=0v_C = 0 — o trem no máximo empata com a altura de partida, nunca a supera. Observação: guarde v=2ghv = \sqrt{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.

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W=Fd=30×12=360W = Fd = 30 \times 12 = 360 J. Como a força está na direção do movimento, θ=0°\theta = 0° e cos0°=1\cos 0° = 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°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?

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(a) W=Fdcos60°=20×50×0,5=500W = Fd\cos 60° = 20 \times 50 \times 0{,}5 = 500 J — só a componente horizontal da força trabalha. (b) Ajuda: como θ<90°\theta < 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.

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W=0W = 0. No referencial do ônibus, a mochila não se desloca (d=0d = 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°\theta = 90°, cosθ=0\cos\theta = 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?

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Epe=kx22=200×0,1522=2,25E_{pe} = \frac{kx^2}{2} = \frac{200 \times 0{,}15^2}{2} = 2{,}25 J. Atenção à conversão: 15 cm =0,15= 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.

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(a) Ec=200×1522=22500E_c = \frac{200 \times 15^2}{2} = 22\,500 J; a força de frenagem precisa retirar toda essa energia: d=Ec/F=22500/1800=12,5d = E_c/F = 22\,500/1800 = 12{,}5 m. (b) 50 m: dobrar vv quadruplica EcE_c (dependência em v2v^2), 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=9,8g = 9{,}8 m/s²) e responda, em uma frase, se Seu Bira estava dando mole ou aplicando física.

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As duas opções custam o mesmo trabalho: 40×9,8×5,0=196040 \times 9{,}8 \times 5{,}0 = 1960 J e 20×9,8×10=196020 \times 9{,}8 \times 10 = 1960 J. Seu Bira estava aplicando física: W=mghW = mgh só depende do produto m×hm \times h — trocar metade da massa pelo dobro da altura não muda nada.

Nível 2 · Praticando de verdade

Na casa de Helena, o chuveiro é de 6000 W e fica ligado 12 min por dia; a tarifa local é de R$ 0,75 por kWh. (a) Quantos kWh o chuveiro consome em 30 dias? (b) Quanto custa isso por mês? © Se Helena reduzir o banho para 5 min, quanto economiza por mês, em reais?

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(a) 6,0×0,2×30=366{,}0 \times 0{,}2 \times 30 = 36 kWh (12 min =0,2= 0{,}2 h). (b) 36×0,75=36 \times 0{,}75 = R$ 27,00. © Com 5 min: 6,0×560×30=156{,}0 \times \frac{5}{60} \times 30 = 15 kWh → R$ 11,25; economia de R$ 15,75 por mês. Repare que a conta de luz cobra energia (kWh), não potência: reduzir o tempo de uso reduz o consumo na mesma proporção.

Nível 3 · ENEM e vestibulares ENEM 2009

(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

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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=18,218\,200/1000 = 18{,}2 MW/km² contra 12600/1400=912\,600/1400 = 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

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c) 20 kW. Potência útil do carro a combustão: 60×0,30=1860 \times 0{,}30 = 18 kW. Para entregar os mesmos 18 kW úteis com η=0,90\eta = 0{,}90: P=18/0,90=20P = 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=10g = 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

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d) 20 m/s. Conservação da energia mecânica entre A e B: vB2=vA2+2g(hAhB)=102+2×10×15=400v_B^2 = v_A^2 + 2g(h_A - h_B) = 10^2 + 2 \times 10 \times 15 = 400, logo vB=20v_B = 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.

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Estilo PAS/UnB (Certo ou Errado)

Exercícios do PAS/UnB — Energia: trabalho, potência e conservação

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TRABALHO DE UMA FORÇA - DINÂMICA - AULA 18 - Prof Marcelo Boaro
Professor Boaro
Aula completa sobre W=FdcosθW = F\,d\,\cos\theta 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 EpEcE_p \leftrightarrow E_c 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).
Física em Movimento
Capítulo 9 — “Energia: a moeda universal” · série EF-1