TRABALHO, POTÊNCIA E ENERGIA TRABALHO Sempre que uma força F contribui (positiva ou negativamente) com o deslocamento d de um corpo, dizse que F realiza um trabalho W sobre esse corpo. Ou seja, essa força desempenha papel relevante no deslocamento do corpo, contribuindo assim com sua energia de movimento (energia cinética). Naturalmente, se o corpo não se deslocar, o trabalho de cada força que nele atua será nulo. Trabalho realizado por uma força constante Quando a força F atuante sobre determinado corpo for constante em módulo, direção e sentido, o trabalho W realizado por ela para um deslocamento retilíneo d do corpo é dado por: W F .d . cos Sendo o ângulo entre o vetor força F e o vetor deslocamento d. Unidade de medida de trabalho no sistema internacional: W é expresso em N.m = joule (J). W > 0 (+): trabalho motor (força favorável ao movimento) W < 0 (): trabalho resistente (força contrária ao movimento) o Forças perpendiculares ao deslocamento ( ) não realizam trabalho, como por exemplo: a força normal, forças centrípetas e a força magnética sobre uma carga em movimento. Trabalho realizado pela força peso: Sempre que um corpo desloca-se na vertical de uma altura h, a força peso realiza sobre ele um trabalho Wg, que pode ser positivo (descida do corpo) ou negativo (subida do corpo). A força peso é conservativa, pois o valor de seu trabalho não depende do formato da trajetória seguida pelo corpo (isso é demonstrado com uso do cálculo diferencial integral), sendo dado por: Wgdesc mgh ou Wgsub mgh m é a massa do corpo e g é a aceleração da gravidade. Trabalho realizado por uma força variável Se o módulo de uma força F varia, mas sua direção permanece paralela ao vetor deslocamento d, pode-se calcular seu trabalho W com o auxílio do gráfico F x d. O trabalho W é numericamente igual à área sob a curva. Trabalho da força elástica A intensidade da força elástica Fel que atua sobre uma mola varia com sua deformação x, de acordo com a lei de Hooke: Fel = -k.x. Sendo assim, seu trabalho Wel pode ser obtido pelo método gráfico, conforme ilustra a figura a seguir. N | W el | A kx 2 2 Quando uma força F estica ou comprime a mola, a força elástica Fel se opõe a esse movimento e seu trabalho é negativo. kx 2 W el 2 Se a mola retorna a sua posição de equilíbrio, a força elástica é favorável ao movimento e seu trabalho é positivo. kx 2 W el 2 POTÊNCIA MÉDIA A potência média (Pméd) de uma força é uma medida da rapidez com que essa força realiza trabalho, sendo dada pelo módulo do trabalho |W | por intervalo de tempo t. Ou seja, Pméd |W | t POTÊNCIA INSTANTÂNEA Se o vetor força F que atua sobre um corpo forma um ângulo com seu vetor velocidade instantânea v, então a potência instantânea dessa força P pode ser calculada por: P | F.v. cos | Unidade de medida de potência no sistema internacional: P é expressa em J/s = watt (W) É importante frisar que as grandezas trabalho W e potência P são escalares (não apresentam direção e sentido) ENERGIA É a grandeza física associada à capacidade de se realizar trabalho. Costuma-se classificar energia em diferentes modalidades. Exemplos: energia elétrica; energia térmica; energia nuclear; energia cinética; energia potencial. Nos estudos da Mecânica, merecem distinção as duas últimas citadas. Energia Cinética ( K ) É a forma de energia associada a um corpo em movimento, dependente de sua velocidade. K mv 2 2 Teorema da Energia Cinética: o trabalho WR realizado pela resultante das forças que atuam sobre um corpo é igual à variação de sua energia cinética K. WR K mv 2 mv 02 2 2 v 2 v 02 ): W R Fd cos mad ma 2a Demonstração (F = constante e mv 2 mv 02 K 2 2 Energia Potencial Gravitacional ( Ug ): Quando um corpo é elevado do solo até uma certa altura h, realiza-se trabalho contra a força peso, fazendo com que o corpo adquira uma certa quantidade de energia. A energia transferida para o corpo, que se encontra posicionado em dada altura em relação a um nível de referência (geralmente o solo), é denominada energia potencial gravitacional, e seu valor corresponde ao trabalho realizado contra a força peso. Ug = m.g.h Energia Potencial Elástica ( Uel ) Corresponde à energia armazenada em uma mola deformada, sendo igual, em módulo, ao trabalho realizado pela força elástica. U el k .x 2 2 Sendo k a constante elástica e x a deformação da mola. EXERCÍCIOS 1. O corpo mostrado desloca-se 5,0m horizontalmente de A até B, sob a ação das forças indicadas, durante 4,0s. Determine: a) o trabalho realizado por cada uma das quatro forças representadas na figura. b) a potência média desenvolvida pela força F. 2. Um bloco de 10 kg movimenta-se em linha reta sobre uma mesa lisa em posição horizontal, sob a ação de uma força variável que atua na mesma direção do movimento, conforme o gráfico. O trabalho realizado pela força quando o bloco se desloca da origem até o ponto x = 6 m é : a) 1,0 J. b) 6,0 J. c) 4,0 J. d) 2,0 J. e) zero. 3. Segundo informação da empresa fabricante, um trator florestal (Trator Florestal de Rodas 545C) é capaz de arrastar toras por meio do seu cabo exercendo sobre elas uma força de módulo 2,0 105N, com velocidade constante de módulo 2,0m/s. Desprezando a massa do cabo e supondo que a força por ele exercida seja horizontal e paralela ao solo, determine a potência útil desenvolvida pelo trator. 4..Certa máquina M1 eleva verticalmente um corpo de massa m 1=1,0kg a 20,0m de altura em 10,0s, em movimento uniforme. Outra máquina M2‚ acelera em uma superfície horizontal, sem atrito, acelera um corpo de massa m2=3,0kg, desde o repouso até a velocidade de 10,0m/s, em 2,0s. a) De quanto foi o trabalho realizado por cada uma das máquinas? b) Qual a potência média desenvolvida por cada máquina? 5. Um motor é utilizado para elevar um bloco de massa 5. 103 kg a uma altura de 3,0 m em 2,0 s, em movimento retilíneo uniforme. Qual a potência do motor ? 6. Um motor de potência útil igual a 125 W, funcionando como elevador, eleva a 10 m de altura, com velocidade constante, um corpo de peso igual a 50 N, no tempo de a) 0,4 s. b) 2,5 s. c) 12,5 s. d) 5,0 s. e) 4,0 s. 7. Um cavalo puxa uma carroça com uma força de 180 N que faz um ângulo de 30º com a horizontal e se move com uma velocidade de 10 km/h. a ) Qual é o trabalho executado pelo cavalo em 10 minutos? b) Qual é a potência média do cavalo em cavalos-vapor? 8. Um motor empurra uma camionete exercendo sobre o solo uma força horizontal de 2,5 kN, o que faz com que a camionete se mova numa velocidade de 30 km/h. a ) Qual é o trabalho executado pelo motor em 1 hora? b) Qual é a potência média do motor em h.p.? 9. Uma mola com uma constante de mola de 15 N/cm está presa a uma gaiola, como na figura. a) Qual o trabalho executado pela mola sobre a gaiola se a mola é distendida de 7,6 mm em relação ao seu estado relaxado? b) Qual o trabalho adicional executado pela mola se ela é distendida por mais 7,6 mm? 0 7,6 15,2 x (mm) 10. Você distende uma mola de constante elástica 410 N/m de 17 mm a partir do estado relaxado. Qual é o trabalho realizado pela mola sobre o bloco? Sugestão: Calcule W (trabalho) através da área abaixo da curva de F(x ). F 0 x 11. Dois operários empurram uma caixa por uma distância de 9,5 m em linha reta na horizontal. A força F1 exercida pelo operário 1 é de 280 N e faz um ângulo de 45º para baixo a partir da horizontal; a força F2 exercida pelo operário 2 é de 190 N e faz um ângulo de 30º para cima com a horizontal. a) Qual o trabalho total realizado sobre a caixa pelos operários? b) Qual o trabalho executado sobre a caixa pela força peso P? operário 1 operário 2 12. Um veículo de 1100 kg, rodando a 90 km/h, freia até parar. Determine a energia cinética dissipada (na forma de calor).