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No dia-a-dia chamamos trabalho a qualquer actividade de natureza muscular ou intelectual que exija esforço. Transportar sacos é trabalhar. Estudar também é trabalhar.
Em Física, a palavra “trabalho” utiliza-se com um significado próprio, embora relacionado com o sentido comum da palavra.
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Trabalho é uma forma de transferência de energia, mas, para que ocorra é necessário a actuação de uma força.
As forças que actuam sobre um corpo têm associado a si uma direcção, um sentido e uma intensidade, sendo por isso, representadas por vectores, e por isso são definidas como grandezas vectoriais.
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As forças podem ser:
Impulsivas, se actuarem em intervalos de tempo curtos;
Constantes, quando a direcção, sentido e intensidade não variam;
Variáveis, se houver alterações na direcção, no sentido ou na intensidade.
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Nem sempre, as forças actuam na mesma direcção que o movimento do corpo.
O vector força pode ser projectado na direcção dos eixos das coordenadas x e y, obtendo-se assim duas componentes de força. No entanto, apenas uma dessas componentes da força actua na direcção do movimento do corpo, sendo ela responsável pelo movimento do corpo.
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Ex: Supõe que uma força constante ( ) actua num corpo rígido com movimento de translação.
Fig. 1
F
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Fig.2 – é a projecção vertical de e é a sua projecção horizontal.
F
xF
yF
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Para calcular o trabalho realizado pela força constante, , que actua no centro de massa, é necessário duas condições:
Uma componente da força aplicada na direcção do movimento;
Deslocamento do centro de massa.
F
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Quanto maior for o valor da força aplicada na direcção do movimento, maior será a quantidade de energia transferida como trabalho.
Deslocamento:
•Quando o ponto de aplicação da força se move, o centro de massa efectua uma mudança de posição no eixo OX.
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Fig. 3
Essa mudança de posição do centro de massa é definida pelo vector , que se chama vector deslocamento. É uma grandeza vectorial, cujo valor corresponde à variação de posição do centro de massa.
r
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O trabalho realizado por uma força constante aplicada a um sistema rígido, é igual ao produto do valor da componente da força na direcção do deslocamento (F) pelo valor do deslocamento ( ) do corpo do centro de massa.
A definição de trabalho limita-se apenas às transformações mecânicas que ocorrem nos corpos rígidos (ou partículas materiais).
r
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O trabalho é uma grandeza escalar que depende:
da intensidade da força constante que actua no corpo;
do valor do deslocamento do ponto de aplicação dessa força;
do ângulo α que fazem entre si as direcções dos vectores força e deslocamento.
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Sempre que se aplica uma força constante a um sistema, esta contribui para o aumento da energia do centro de massa?
cos dFWF
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1) Quando a força constante e o deslocamento têm a mesma direcção e o mesmo sentido, o ângulo α tem a amplitude de zero graus. cos 0º = 1
Fig. 4
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W>0, trabalho é positivo, potente ou motor.
A acção da força contribui para o aumento da energia do centro de massa do sistema.
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2) Quando a força constante e o deslocamento têm a mesma direcção e sentidos opostos, o ângulo α é de 180º graus. cos 180º = -1
Fig. 5
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W<0, trabalho é negativo ou resistente.
A acção da força contribui para a diminuição da energia do centro de massa do sistema.
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3) Quando a força constante e o deslocamento têm direcções perpendiculares, o ângulo α é de 90º graus. cos 90º = 0
Fig. 6
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W = 0, trabalho é nulo
Não há variações da energia do centro de massa durante o deslocamento.
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Se um de vocês empurrar uma parede, haverá realização de trabalho?
Fig. 7
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A força constante que uma pessoa exerce numa parede não realiza trabalho porque não há deslocamento do seu ponto de aplicação (Δx = 0m).
Não há transferência de energia para a parede. No entanto, a pessoa despende energia (transpira) que cede à vizinhança do sistema.
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Exercício:
A direcção de uma força constante, cuja intensidade é de 100N, faz um ângulo de 30º com a direcção do deslocamento do seu ponto de aplicação. A força exerce-se no centro de massa de um corpo que se desloca 2m.
Qual é o trabalho realizado pela força sobre o centro de massa?
Calcula o trabalho para um ângulo de 0º e 60º.
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Conclui-se que quanto menor for o ângulo da força aplicada e do vector deslocamento, maior será a quantidade de energia transferida, sob a forma de trabalho.
O trabalho é máximo quando a força é aplicada na mesma direcção do deslocamento (α = 0º).
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Representação gráfica do trabalho realizado por uma força constante
Se a força constante e o deslocamento têm a mesma direcção e sentido: α = 0º
Fig. 8
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O trabalho realizado por uma força constante que desloca o seu ponto de aplicação de A para B, tendo a força e o deslocamento a mesma direcção e o mesmo sentido, é numericamente igual à área de um rectângulo, cujos lados são, respectivamente, a intensidade da força constante e o módulo do deslocamento.
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O trabalho é positivo quando a força e o deslocamento do centro de massa têm a mesma direcção e sentido:
Fig. 9
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O trabalho é negativo quando a força e o deslocamento do centro de massa têm a mesma direcção e sentido oposto:
Fig. 10
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Forças de atrito:
As forças de atrito são, na maioria das situações, consideradas forças dissipativas.
As forças dissipativas provocam diminuição da energia dos sistemas onde actuam.
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As forças de atrito só actuam nos sistemas se estes se encontrarem em movimento ou a tentar iniciá-lo.
Resultam de interacções entre as superfícies dos diferentes sistemas que contactam e dependem das características materiais das superfícies (ex: quanto mais rugosas forem, maior é o atrito entre elas).
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A força de atrito (tal como todas as forças) é uma grandeza vectorial e caracteriza-se por um ponto de aplicação, uma direcção, um sentido e uma intensidade ou valor.
O atrito pode ser útil ou prejudicial conforme as diferentes situações em que actua.
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Atrito útil:
O atrito entre os pneus dos carros e o solo permite-lhes acelerar, travar e parar.
O atrito entre os sapatos e o chão permite-nos andar.
O atrito entre os objectos e as mãos permite segurá-los.
O atrito entre a borracha e o papel permite apagar os riscos do lápis.
O atrito entre o giz e o quadro permite escrever.
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Atrito prejudicial:
O atrito entre os móveis e o chão dificulta o seu movimento.
O atrito entre as peças de uma máquina provoca o seu desgaste.
Existem situações em que pode ser vantajoso aumentar ou diminuir o atrito entre as superfícies.
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Para diminuir o atrito pode-se:
Fig. 11
Sempre que se diminui o atrito, durante o movimento de um sistema, aumenta-se a eficiência na transferência de energia para o sistema.
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Para aumentar o atrito pode-se:
Fig. 12
Sempre que se aumenta o atrito, durante o movimento de um sistema, diminui-se a eficiência na transferência de energia para o sistema.