Força e Trabalho 3 situações que você precisa conhecer


Você sabe é que Força e Trabalho na Física?

Neste artigo, vamos discutir os conceitos fundamentais de Força e Trabalho na Física, explorando como a força atua sobre objetos e como o trabalho é realizado em diversos cenários físicos.


Na Física, dois conceitos fundamentais desempenham um papel crucial na compreensão do mundo que nos rodeia: Força e Trabalho.

A Força representa a influência que um objeto exerce sobre outro, causando uma mudança em sua velocidade ou direção. Por outro lado, o Trabalho é a medida da energia transferida quando uma força age sobre um objeto e faz com que ele se desloque em uma determinada direção.

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Introdução

Força e trabalho estão intimamente relacionados na Física, pois o trabalho é definido como o produto da força aplicada sobre um objeto e a distância percorrida pelo objeto na direção da força.

Ou seja, o trabalho (W) é dado pela expressão matemática:

    \[W = \vec{F} \cdot \vec{d} = |F||d|cos\Theta\]

Assim, a força é a responsável por causar um movimento no objeto e o trabalho mede a quantidade de energia transferida para o objeto durante esse movimento.

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Caso 1

Mesma direção e mesmo sentido

Quando a ação exercida sobre um objeto e o deslocamento têm a mesma direção e sentido, diz-se que essa ação realiza um trabalho positivo sobre o objeto em movimento.

Isso ocorre porque, nessa situação, a força está agindo na mesma direção do movimento do objeto e, portanto, contribui para aumentar a energia cinética do objeto.

O trabalho é dado pela expressão:

    \[W = |F| |d| cos(0°) = Fd\]

onde F é a intensidade da força, d é a distância percorrida pelo objeto na direção da força e o ângulo entre a força e o deslocamento é zero, pois eles têm a mesma direção. Dessa forma, o trabalho realizado em um objeto é positivo e seu valor está relacionado tanto à intensidade da ação exercida sobre o objeto quanto à distância percorrida por ele.

Por exemplo, se um objeto é puxado ao longo de uma distância de 10 metros, o trabalho realizado é o resultado da multiplicação da intensidade da ação pela distância percorrida.

    \[W = |F| |d| = (10 N)(10 m) = 100 J\]

Nesse caso, o trabalho é 100 joules (J) e é positivo, pois a força e o deslocamento têm a mesma direção e o mesmo sentido.

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Caso 2

Direções iguais e sentidos opostos

Quando a ação exercida sobre um objeto e o seu deslocamento têm direções iguais e sentidos opostos, ocorre o que chamamos de trabalho negativo sobre o objeto em movimento. Nesse caso, a ação atua na direção contrária ao movimento do objeto, contribuindo para a diminuição da sua energia cinética. O valor do trabalho realizado é determinado pela expressão:

    \[W = |F| |d| cos(180°) = Fd\]

O ângulo entre a força e o deslocamento é 180°, pois eles têm direções iguais e sentidos diferentes.

Dessa forma, o trabalho é negativo (Pois o ângulo tem cosseno igual a -1) e seu valor é diretamente proporcional à intensidade da força e à distância percorrida pelo objeto. Por exemplo, se um objeto é desacelerado com uma força horizontal constante ao longo de uma distância também horizontal de 5 metros, o trabalho realizado pela força é dado pelo produto dela pela distância.

    \[W = |5| |5| cos(180°) =  (5N).(5m).(-1) = -25 J\]

Nesse caso, o trabalho realizado é de -25 joules (J) e é negativo, pois a força e o deslocamento têm direções iguais e sentidos diferentes. Isso significa que a energia cinética do objeto diminuiu.

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Caso 3

Formando o ângulo de 90 graus

Quando a ação exercida sobre um objeto e o seu deslocamento são perpendiculares entre si, o trabalho realizado por essa ação é igual a zero.

Isso ocorre devido à definição do trabalho como o produto da intensidade da ação pela distância percorrida na direção da ação. Se a ação e o deslocamento são perpendiculares, não há deslocamento na direção da ação, o que implica que o trabalho realizado seja nulo. Matematicamente, isso ocorre porque o cosseno de 90° é igual a zero.

    \[W = |F| |d| cos(90º) = 0\]

Por exemplo, se um objeto é empurrado para o lado enquanto há uma força peso agindo para baixo, nesse caso o peso não realiza trabalho uma vez que está perpendicular ao deslocamento.

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Trabalho de uma força variável

O trabalho realizado por uma ação variável é determinado pela integral da função dessa ação em relação ao deslocamento. Em outras palavras, o trabalho é calculado somando as contribuições de cada pequeno deslocamento, considerando a variação da ação em cada ponto ao longo do percurso.

Se a ação variar suavemente e de forma contínua durante o deslocamento, podemos aproximar o trabalho realizado pela área sob o gráfico da função da ação em relação à posição, conforme explicado anteriormente.

O trabalho de uma força variável ao longo de uma distância é equivalente, em módulo, a área abaixo da curva formada pela força em função da distância. Para funções simples ( como de primeiro grau) podemos calcular as áreas de acordo com os gráfico. A seguir apresentamos 3 situações:

Dessa forma, podemos calcular o trabalho total apenas utilizando os gráficos!

Compreender a relação entre essas duas grandezas é fundamental para entender muitos fenômenos físicos, como o movimento de objetos, a conservação de energia e a realização de trabalho por máquinas.

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