O trabalho Em Física, é a transferência de energia realizada por uma força quando o objeto sobre o qual ela atua se move. Matematicamente, assume a forma do produto escalar entre os vetores de força F e deslocamento s.
E como o produto escalar entre dois vetores perpendiculares é zero, acontece que as forças que se formam 90º com o deslocamento não funcionam, conforme a definição, pois:
W = F ● s = F⋅ s⋅ cos θ
Onde W denota trabalho, da palavra em inglês trabalhos.
A vantagem de definir o trabalho é que ele é escalar, ou seja, não tem direção ou sentido, apenas módulo e a respectiva unidade. Isso facilita a realização de cálculos envolvendo mudanças de energia causadas pela ação de forças..
A gravidade e o atrito cinético são exemplos de forças que geralmente atuam em objetos em movimento. Outra força comum é a normal exercida por uma superfície, mas ao contrário dessas, nunca funciona sobre os objetos, pois é perpendicular ao deslocamento..
Quando um corpo cai livremente, a gravidade faz um trabalho positivo no móbile, fazendo com que aumente sua velocidade à medida que cai. Por outro lado, o atrito cinético tem um efeito completamente oposto, pois como sempre se opõe ao movimento, realiza trabalhos negativos que não o favorecem..
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O trabalho é calculado por:
W = F ● s
Esta expressão é válida para forças constantes e de acordo com a definição de um produto escalar, é equivalente a:
W = F. s. cos θ
Onde θ é o ângulo entre a força e o deslocamento. Segue-se, então, que apenas aquelas forças que têm um componente na direção do deslocamento podem trabalhar em um corpo.
E também fica claro que se não houver movimento, também não há trabalho.
Quanto ao sinal, o trabalho pode ser positivo, negativo ou zero. Caso a força tenha uma componente paralela ao movimento, o sinal do trabalho depende do valor do cos θ.
Existem alguns casos particulares que valem a pena considerar:
W = F⋅s cos 0º = F⋅s
W = F⋅s cos 180º = -F⋅s
W = F⋅s cos 90º = 0
Às vezes, a força aplicada não é constante; nesse caso, é necessário recorrer ao cálculo para encontrar o trabalho realizado. Primeiro, um diferencial de trabalho dW é determinado, realizado em um deslocamento infinitesimal ds:
dW = F⋅ds
Para encontrar o valor do trabalho total realizado por esta força quando o objeto vai do ponto A ao ponto B, é necessário integrar os dois lados, assim:
A unidade de trabalho no Sistema Internacional é o joule, abreviado J. A unidade leva o nome do físico inglês James Prescott Joule, um dos pioneiros no estudo da Termodinâmica..
A partir da equação de trabalho, o joule é definido como 1 newton por metro:
1 J = 1 N⋅m
Trabalho corresponde como uma unidade libra-força x pé, às vezes ligue pé de força libra. É também uma unidade de energia, mas deve-se lembrar que o trabalho feito em um corpo muda seu estado de energia e que, portanto, trabalho e energia são equivalentes. Não é de admirar que eles tenham as mesmas unidades.
A equivalência entre o pé libra-força e o joule é a seguinte:
1 pé-libra-força = 1,35582 J
Uma unidade bem conhecida para trabalho e energia, especialmente para a área de refrigeração e ar condicionado, é o BTU ou Unidade Térmica Britânica.
1 BTU é igual a 1055 J e 778.169 pés-libra-força.
Existem outras unidades de trabalho que são utilizadas em áreas específicas da física e da engenharia. Entre eles temos:
Denotado como erg, é a unidade de trabalho no sistema cegesimal e é igual a 1 dyna⋅cm ou 1 x 10-7 J.
Abreviado eV, é comumente usado em física de partículas e é definido como a energia que um elétron adquire quando se move por uma diferença de potencial de 1 V.
Aparece com frequência nas contas de serviços públicos. É o trabalho realizado durante 1 hora por uma fonte cuja potência é de 1 kW, equivalente a 3,6 x 106 J.
Geralmente está relacionado à energia dos alimentos, embora de fato, neste contexto, seja feita referência a um quilocaloria, ou seja, 1000 calorias. Na verdade, existem várias unidades que recebem este nome, então o contexto deve ser especificado muito bem.
A equivalência entre o joule e 1 caloria termoquímica isso é:
1 caloria = 4,1840 J
Quando os corpos descem, seja verticalmente ou descendo uma rampa, o peso faz um trabalho positivo, favorecendo o movimento. Em vez disso, sempre que um objeto sobe, a gravidade faz um trabalho negativo.
Um campo elétrico uniforme funciona em uma carga pontual que se move dentro dele. Dependendo do campo e do sinal da carga, este trabalho pode ser negativo ou positivo.
O atrito cinético entre as superfícies sempre faz um trabalho negativo no objeto em movimento.
Empurrar é uma força que afasta um objeto de algo. Puxar é uma força que faz com que um objeto se aproxime.
Uma polia é um sistema usado para transmitir uma força de uma de suas extremidades. Em uma polia simples, para levantar a carga, deve ser aplicada uma força igual à resistência exercida pelo objeto.
O normal, como observado acima, não funciona quando um objeto apoiado em uma superfície se move sobre ele, mesmo que a superfície não seja plana ou inclinada..
Outra força que não funciona é a força magnética que exerce um campo uniforme na partícula carregada perpendicular a ela. O movimento da partícula acaba sendo um movimento circular uniforme, com a força na direção radial. Como o deslocamento é perpendicular à força, ele não funciona na carga..
Uma corda também não funciona em um pêndulo suspenso, pois a tensão nela é sempre perpendicular ao deslocamento da massa..
A gravidade também não funciona em um satélite em órbita circular, pelo mesmo motivo dos casos anteriores: é perpendicular ao deslocamento..
Em um sistema massa-mola, a força F que a mola exerce sobre a massa tem magnitude F = kx, Onde k é a constante de primavera e x sua compressão ou alongamento. É uma força variável, portanto, o trabalho que ela faz depende de quanto a mola estica ou encolhe.
O gráfico a seguir mostra o trabalho realizado por uma força variável Fx que depende da posição x. Esta é a força exercida por um martelo em um prego. A primeira parte é a força usada para pregar na seção mais macia da parede e a segunda para terminar de cravar o prego.
Quanto trabalho o martelo tem que fazer para que o prego afunde um total de 5 cm na parede?
A força exercida pelo martelo é variável, uma vez que menos intensidade (50 N) é necessária para cravar o prego 1,2 cm na parte mole da parede, enquanto na parte mais dura, leva 120 N para fazer o prego afundar até 5 cm de profundidade, conforme mostrado no gráfico.
Neste caso, o trabalho é integral:
Onde A = 0 cm e B = 5 cm. Como a integral é a área sob o gráfico Fx vs x, basta encontrar esta área, que corresponde a dois retângulos, o primeiro com altura 50 N e largura 1,2 cm, e o segundo com altura 120 N e largura (5 cm - 1,2 cm) = 3,8 cm.
Ambos são calculados e adicionados para dar o trabalho total:
W = 50 N x 1,2 cm + 120 N x 3,8 cm = 516 N.cm = 516 N x 0,01 m = 5,16 J.
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