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Trabalho realizado por força e seu cálculo
Em nossas vidas cotidianas, falamos sobre trabalho o tempo todo. No entanto, o conceito de trabalho na física é bastante específico. Quando discutimos trabalho no contexto da física, estamos descrevendo algo muito diferente do uso cotidiano da palavra. O trabalho na física lida com forças e os deslocamentos que elas causam.
O que é trabalho na física?
Na física, o trabalho é feito quando uma força faz um objeto acelerar. Para que ocorra trabalho, três coisas devem acontecer:
- Uma força deve ser aplicada a um objeto.
- O objeto deve se mover na direção da força.
- O deslocamento do objeto deve ser na direção da força.
O trabalho realizado por uma força é calculado usando a seguinte fórmula:
Trabalho (W) = Força (F) x Distância (d) x cos(θ)Onde:
- W é o trabalho realizado (medido em joules, J).
- F é a força aplicada (em newtons, N).
- d é a distância sobre a qual a força é aplicada (em metros, m).
- θ é o ângulo entre a força e a direção do movimento.
Entendendo os componentes
Vamos olhar cada um desses componentes com mais detalhes:
Força (F)
Força é o empurrão ou puxão aplicado a um objeto. É medida em newtons (N). Por exemplo, quando você empurra um carrinho de compras, está aplicando força sobre ele. Quanto mais força você aplica, mais trabalho pode fazer.
Distância (d)
Distância é a distância percorrida pelo objeto quando a força é aplicada. Em termos de trabalho, é importante notar que a distância percorrida deve ser na direção da força para que o trabalho seja realizado. Se o objeto não se mover, não importa quanta força seja aplicada, nenhum trabalho é realizado.
Ângulo (θ)
O ângulo θ é importante porque determina o componente da força que faz o trabalho. Se a força for aplicada na mesma direção do movimento, então θ é 0 graus, e a fórmula simplifica-se para:
Trabalho (W) = Força (F) x Distância (d)Se a força for perpendicular à direção do movimento, como mover um objeto pesado em uma superfície nivelada, então θ é 90 graus e nenhum trabalho é realizado na direção do movimento.
Exemplo para mostrar o trabalho realizado
Exemplo 1:
Imagine que você está puxando um trenó na neve. Você aplica uma força de 10 N por uma distância de 5 m na mesma direção em que está se movendo. Quanto trabalho é realizado?
Como a força e a velocidade estão na mesma direção, θ é 0 graus.
Trabalho (W) = 10 N x 5 mx cos(0°)Como cos(0°) = 1, o cálculo será o seguinte:
Trabalho (W) = 10 N x 5 m = 50 JPortanto, 50 joules de trabalho foram realizados.
Exemplo visual:
Este diagrama mostra uma força aplicada horizontalmente em uma distância reta. O vetor de força e a distância estão alinhados.
Exemplo 2:
Suponha que você levante uma caixa pesando 20 N para uma altura de 3 m. Quanto trabalho será realizado?
Neste cenário, a força (20 N) está na direção do deslocamento (3 m para cima), então θ é 0.
Trabalho (W) = 20 N x 3 mx cos(0°)A simplificação disso é a seguinte:
Trabalho (W) = 20 N x 3 m = 60 JPortanto, 60 joules de trabalho foram realizados.
Situação de nenhum trabalho
Existem situações onde a força é aplicada mas nenhum trabalho é realizado. Isso acontece quando:
- A força é perpendicular à direção do movimento.
- Não há deslocamento do objeto.
Exemplo 3:
Se você empurra com força uma parede, mas a parede não se move, está aplicando uma força, mas como não há deslocamento, nenhum trabalho é realizado.
Visualização de forças e trabalho
Muitas vezes é mais fácil entender como o trabalho é feito com uma ajuda visual. Abaixo está um exemplo para representar forças em um ângulo:
Este diagrama mostra uma força aplicada em um ângulo θ da direção horizontal do movimento. O componente horizontal da força realiza um trabalho, mas o componente vertical não.
Conclusão
Entender o trabalho na física envolve reconhecer a interação de força, distância e o ângulo entre elas. Compreender esses conceitos nos permite calcular a transferência de energia em diversos cenários, o que é fundamental na física e na engenharia.
À medida que você continua a explorar a física, lembrar desses conceitos básicos ajudará a entender ideias mais complexas relacionadas a energia, potência e máquinas.
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