Questão conceitual
Uma bola é abandonada de uma determinada altura.
Durante a queda, sua velocidade aumenta.
Ao atingir o chão, ela se deforma, produz som, aquece ligeiramente os materiais envolvidos e pode quicar algumas vezes antes de parar.
Sabemos que a energia não desaparece, mas queremos agora contabilizá-la durante todo o processo.
Qual procedimento permite verificar corretamente se a energia foi conservada?
A) Comparar apenas a velocidade da bola antes e depois da queda, pois toda a energia do sistema está associada ao movimento.
B) Calcular somente a energia cinética imediatamente antes do impacto, pois depois que a bola atinge o chão não é mais possível acompanhar a energia.
C) Definir o sistema analisado, identificar as formas de energia presentes no estado inicial e no estado final e considerar também as transferências de energia que atravessam as fronteiras desse sistema.
D) Considerar apenas a altura inicial e final da bola, pois a energia potencial gravitacional representa toda a energia envolvida no fenômeno.
Resolução segundo a Jornada da Energia
1. Observe o fenômeno
A bola começa em repouso a certa altura do chão.
Quando é solta, sua velocidade aumenta durante a queda.
Ao atingir o chão, ocorre o impacto: a bola se deforma, produz som, pode aquecer ligeiramente os materiais envolvidos e, dependendo de suas características, quicar algumas vezes antes de parar.
Se observarmos apenas a bola no início e no final, algo parece estranho: ela estava parada antes de cair e volta a ficar parada depois de todo o processo.
Mas entre esses dois estados ocorreram movimento, impacto, deformações, som e aquecimento.
Portanto, para compreender o fenômeno, não basta perguntar se a bola está ou não em movimento.
Precisamos acompanhar o caminho da energia.
2. Defina o sistema
Antes de contabilizar a energia, precisamos decidir qual sistema estamos analisando.
Se considerarmos apenas a bola, energia poderá atravessar a fronteira desse sistema durante sua interação com a Terra, com o chão e com o ambiente.
Se ampliarmos o sistema para incluir a bola, a Terra, o chão e o ambiente relevante, conseguimos acompanhar uma parcela maior das transformações dentro do próprio sistema.
Essa escolha é fundamental porque uma aparente “perda” de energia pode ser, na realidade, apenas uma transferência de energia para fora do sistema que escolhemos observar.
Por isso, o primeiro passo de qualquer balanço energético é sempre estabelecer: O que faz parte do sistema e o que pertence ao ambiente?
3. Siga o caminho da energia
No estado inicial, a bola está elevada em relação ao chão.
Considerando o sistema bola–Terra, existe energia potencial gravitacional associada a essa configuração.
Quando a bola é solta, sua altura diminui e sua velocidade aumenta.
Assim, acompanhamos a primeira transformação: energia potencial gravitacional → energia cinética
No impacto, o caminho continua.
A energia cinética não desaparece: parte está associada às deformações da bola e do chão, parte é transferida por meio do som, parte contribui para o aumento da energia interna dos materiais e parte pode retornar ao movimento caso a bola quique.
Portanto, o que parecia inicialmente uma única forma de energia passa a estar distribuído entre diferentes formas e sistemas.
4. Faça o balanço
Agora podemos comparar os estados.
No início, identificamos onde a energia estava.
Durante o processo, acompanhamos suas transformações e transferências.
No final, procuramos onde essa energia se encontra.
A conservação da energia não exige que a energia permaneça sempre na mesma forma.
Exige que, ao contabilizarmos corretamente todas as formas de energia e todas as transferências através das fronteiras do sistema, o balanço seja consistente.
É exatamente por isso que não podemos olhar apenas para a velocidade, apenas para a altura ou apenas para um instante do movimento.
Precisamos acompanhar todo o processo.
4. Compare as alternativas
A alternativa A está incorreta porque a velocidade permite acompanhar apenas a energia associada ao movimento e ignora outras formas e transferências de energia.
A alternativa B está incorreta porque o impacto não encerra nossa possibilidade de acompanhar a energia. É justamente depois dele que parte da energia aparece em deformações, som, energia interna e eventualmente em novo movimento.
A alternativa D está incorreta porque observar somente a altura não permite contabilizar todas as formas de energia presentes durante o fenômeno.
A alternativa C descreve corretamente o procedimento: primeiro definimos o sistema, depois identificamos as formas de energia presentes e acompanhamos também as transferências que atravessam suas fronteiras.
Resposta correta: alternativa C.