Energia Cinética

A energia cinética é a energia associada ao movimento dos corpos. Do grego o termo "cinética" significa "movimento".

Qualquer corpo em movimento é capaz de realizar trabalho, portanto, possui energia, que neste caso é chamada de cinética.

A unidade de medida da energia cinética, no sistema internacional, é o Joule (J), em homenagem ao cientista inglês James Prescott Joule (1818-1889).

Fórmula da Energia Cinética

Para calcular a energia cinética dos corpos, utiliza-se a equação abaixo:

Onde:

Ec: energia cinética, também pode ser representada pela letra K (J).m: massa do corpo (kg)v: velocidade do corpo (m/s)

A partir disso, conclui-se que se duplicarmos a massa de um corpo, mantendo sua velocidade, a sua energia cinética também irá duplicar.

Por outro lado, a velocidade está elevada ao quadrado, então se o seu valor duplicar e sua massa permanecer constante, a energia cinética será quadruplicada.

Exemplo

Qual a energia cinética de uma pessoa com 60 kg e que está numa velocidade de 10 m/s?

Assim, no instante considerado, a energia cinética do corpo é igual a 3000 J.

Energia Cinética e Trabalho

Para que um corpo sofra uma variação na sua velocidade, é necessário que um trabalho seja realizado sobre ele. Essa variação na velocidade do corpo faz com que sua energia cinética varie.

O teorema da energia cinética indica que a variação da energia cinética é igual ao trabalho, ou seja:

T = ∆Ec

Onde,

T: trabalho (J) ∆Ec: variação da energia cinética (J)

Exemplo

Qual o trabalho que deverá ser realizado sobre um corpo de massa igual a 6 kg, para que sua velocidade passe de 4 m/s para 20 m/s?

Solução

O trabalho é igual a variação da energia cinética. Essa variação pode ser calculada diminuindo-se o valor da energia cinética final da energia cinética inicial:

∆Ec = Ecf - Eci

Calculando os valores de Ecf e Eci, temos:

Portanto, o trabalho necessário para mudar a velocidade do corpo, será igual a 1152 J.

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Exercícios Resolvidos

1) Fuvest - 2017

Helena, cuja massa é 50 kg, pratica o esporte radical bungee jumping. Em um treino, ela se solta da beirada de um viaduto, com velocidade inicial nula, presa a uma faixa elástica de comprimento natural L0 = 15 m e constante elástica k = 250 N/m. Quando a faixa está esticada 10 m além de seu comprimento natural, o módulo da velocidade de Helena é: (Note e adote: Aceleração da gravidade: 10 m/s2 . A faixa é perfeitamente elástica; sua massa e efeitos dissipativos devem ser ignorado )

a) 0 m/s b) 5 m/s c) 10 m/s d) 15 m/s e) 20 m/s

Para calcular a velocidade de Helena quando a faixa está esticada 10 m, podemos utilizar o teorema da energia cinética.

Como Helena está presa em uma faixa elástica, podemos calcular o trabalho da força elástica e ao se soltar do viaduto, teremos também o trabalho da força peso.

Desta forma, o trabalho total produzido será igual a variação da energia cinética sofrida por Helena.

Sendo o trabalho total igual a soma do trabalho da força peso com o trabalho da força elástica.

Assim, vamos começar calculando o valor do trabalho da força peso.

O comprimento natural da faixa é 15 m, entretanto, ela está esticada 10 m. Portanto, a distância percorrida por Helena foi de 25 m (15 + 10).

Considerando que o trabalho da força peso na descida é positivo, temos:

Agora, vamos calcular o trabalho da força elástica.

Perceba que, neste caso, o trabalho será negativo (trabalho resistivo), pois a corda está esticada e a força elástica é contrária ao movimento.

Note ainda que x representa a deformação da faixa. Neste caso, o seu valor é igual a 10 m, assim:

Como Helena partiu do repouso, sua velocidade inicial era igual a zero. Portanto, sua energia cinética também era igual a zero.

Substituindo os valores encontrados no teorema da energia cinética:

Alternativa: a) 0 m/s

2) Uerj - 2015

Um carro, em um trecho retilíneo da estrada na qual trafegava, colidiu frontalmente com um poste. O motorista informou um determinado valor para a velocidade de seu veículo no momento do acidente. O perito de uma seguradora apurou, no entanto, que a velocidade correspondia a exatamente o dobro do valor informado pelo motorista. Considere Ec1 a energia cinética do veículo calculada com a velocidade informada pelo motorista e Ec2 aquela calculada com o valor apurado pelo perito. A razão Ec1/Ec2 corresponde a:

a)) 1/2 b) 1/4 c) 1 d) 2

A razão entre a energia cinética informada pelo motorista e a energia cinética encontrada pelo perito é dada por:

Alternativa: b) 1/4

3) Enem - 2015

Um carro solar é um veículo que utiliza apenas a energia solar para a sua locomoção. Tipicamente, o carro contém um painel fotovoltaico que converte a energia do Sol em energia elétrica que, por sua vez, alimenta um motor elétrico. A imagem mostra o carro solar Tokai Challenger, desenvolvido na Universidade de Tokai, no Japão, e que venceu o World Solar Challenge de 2009, uma corrida internacional de carros solares, tendo atingido uma velocidade média acima de 100 km/h.

Considere uma região plana onde a insolação (energia solar por unidade de tempo e de área que chega à superfície da Terra) seja de 1 000 W/m2 , que o carro solar possua massa de 200 kg e seja construído de forma que o painel fotovoltaico em seu topo tenha uma área de 9,0 m2 e rendimento de 30%. Desprezando as forças de resistência do ar, o tempo que esse carro solar levaria, a partir do repouso, para atingir a velocidade de 108 km/h é um valor mais próximo de

a) 1,0 s. b) 4,0 s. c) 10 s. d) 33 s. e) 300 s.

No carro solar, a energia recebida do Sol é transformada em trabalho. Esse trabalho será igual a variação da energia cinética.

Antes de substituir os valores no teorema da energia cinética, devemos transformar o valor a velocidade para o sistema internacional.

108 km/h : 3,6 = 30 m/s.

O trabalho será igual a:

No local, a insolação é igual a 1 000 W para cada m2 . Como a placa tem uma área de 9 m2, a potência do carro será igual a 9 000 W. Entretanto, o rendimento é de 30%, logo a potência útil será igual a 2 700 W.

Lembrando que potência é igual a razão do trabalho pelo tempo, temos:

Alternativa: d) 33 s