Trabalho é uma grandeza física que mensura a transferência ou transformação de energia, a partir da aplicação de uma força em um corpo. É um conceito de grande utilidade no dia a dia, que permite a criação e funcionamento de máquinas e equipamentos, tanto do ponto de vista mecânico, como elétrico e termodinâmico. Conheça mais sobre o tema neste artigo!
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Conceito
Como foi mencionado, o trabalho (𝝉) é uma grandeza que se relaciona as forças aplicadas sobre um corpo e, mais do que isso, o 𝝉 aplicado é correspondente à variação de energia cinética e/ou potencial no objeto estudado.
Assim, como o conceito de trabalho tem uma associação direta com a energia, a grandeza física 𝝉 é mensurada em Joules (J), que é a unidade de medida utilizada para dimensionar a energia.
Para exemplificar o que é o trabalho da física, imagine uma grande caixa de 50 kg que está sobre o chão e precisa ser empurrada por 10 metros para ser encostada na parede. Então, um ser humano resolve aplicar uma força sobre a caixa, para efetuar esse deslocamento.
No momento em que o homem está empurrando a caixa, está transferindo força e transformando sua energia corporal em energia para movimentar o objeto — isso é o trabalho.
Fórmula de trabalho
No exemplo do tópico anterior foi citada uma grandeza importante para o cálculo do trabalho de uma força: a distância do deslocamento (d). O trabalho é maior quanto maior for essa distância, de forma intuitiva: quanto maior o percurso, mais energia é gasta para completá-lo à mesma velocidade.
A nomenclatura completa de 𝝉 é “trabalho de uma força” — isso significa que a força (F) é um componente importante no conceito de trabalho. Quanto maior a força aplicada, maior a transferência de energia e, consequentemente, maior o 𝝉 realizado.
Por fim, a direção em que essa força é aplicada também deve ser considerada no cálculo. Afinal, se uma força for aplicada na horizontal, com ângulo 0º em relação ao eixo de deslocamento, ela será mais efetiva. Caso a força aplicada esteja mais inclinada para cima, formando um ângulo de 30º, por exemplo, os valores de força deverão ser diferentes para concluir o mesmo trajeto.
Com base nesses preceitos, a fórmula atual de trabalho na física é:
𝝉 = F. d. cos Θ
𝝉 = trabalho da força F (em Joules, J)
F = força constante aplicada sobre o corpo (em Newtons, N)
d = distância percorrida pelo corpo (em metros, m)
cos Θ = ângulo entre vetor de força e a direção do deslocamento
Note que, ao considerar o cos Θ como fator multiplicador na equação, a fórmula diz que, quando o cos Θ = 0 o trabalho será nulo. Ou seja, sempre que a força aplicada for perpendicular ao eixo de deslocamento, o trabalho é igual a zero. Por exemplo, no deslocamento horizontal de um objeto, se um indivíduo aplicar uma força vertical para baixo, não haverá trabalho.
Trabalho de uma força variável
Anteriormente, foi descrita a fórmula que quantifica o trabalho exercido sobre um corpo que sofre ação de uma força de intensidade constante. No cenário da vida real, porém, muitas vezes os objetos são submetidos a forças variáveis, que se tornam mais ou menos intensas ao longo do deslocamento.
Para descobrir o valor do trabalho e, consequentemente, da energia despendida nesses casos, é importante fazer um estudo gráfico desses valores. Em um plano cartesiano, abre-se um gráfico em que o eixo y representa a força (em N) e o eixo x demonstra a distância percorrida.
Diante disso, deve ser traçado um gráfico que representa qual era a força aplicada em cada intervalo de deslocamento. A área demarcada por esse gráfico representa o trabalho realizado ao longo de todo o trajeto, veja na imagem abaixo.
Classificações do trabalho
A transferência de energia que ocorre em um trabalho pode ser motora, quando fornece energia para que o movimento ocorra, ou resistente, quando age no sentido contrário, diminuindo a atividade energética naquele corpo.
O exemplo clássico em que um indivíduo empurra um objeto que estava em repouso para se deslocar na superfície, é um trabalho motor, porque há uma mudança da velocidade, que se torna positiva, aumenta a energia cinética no corpo empurrado.
Por outro lado, se uma bola desce rolando a uma ladeira e uma pessoa para de frente ao objeto para impedir sua descida, há um trabalho resistente. De certa forma, a energia cinética está reduzindo na bola, porque sua velocidade vai diminuir à medida que for impedida pelo corpo da pessoa.
Teorema trabalho e energia cinética
A observação científica chegou à conclusão que a variação da energia cinética (ΔEC energia de movimento) de um corpo é equivalente ao trabalho exercido sobre ele. Assim, essas duas grandezas podem ser estudadas em conjunto a depender do contexto!
𝝉 = ΔEC
𝝉 = EC final – EC inicial
𝝉 = trabalho (em Joule, J)
EC inicial= energia cinética no corpo no início do deslocamento (em Joule, J)
EC final = energia cinética no corpo no fim do deslocamento (em Joule, J)
Trabalhos em diferentes contextos físicos
O conceito de trabalho não se restringe ao estudo da energia mecânica, pode ser aplicado na elétrica, termodinâmica, elástica e outras áreas da física. Abaixo, estão descritas algumas situações clássicas como trabalho da força peso, trabalho da força elástica e outros, acompanhe!
Trabalho da força peso
O trabalho da força peso (𝝉Fp) funciona à semelhança de uma força constante, mas, nesse caso, a fórmula pode ser construída da seguinte forma:
𝝉 = Fp. d. cos Θ
Fp = P = m.g
𝝉 = m. g. d. cos Θ
Como geralmente o deslocamento é na vertical e a força peso também se direciona assim, o ângulo Θ será 0, e cos 0 = 1, então:
𝝉 = m. g. d. 1
𝝉 = m. g. d
Por fim, o deslocamento na vertical é conhecido, fisicamente, como altura (representado pelo símbolo h), e a fórmula final fica assim:
𝝉 = m. g. d
d = h
𝝉 = m. g. h
m = massa do corpo em deslocamento (em quilogramas, kg)
g = aceleração da gravidade (em metros por segundo, m/s2)
h = altura da trajetória (em metros, m)
Trabalho da força elástica
A força elástica é calculada com base no material que constitui a mola ou elástico estudado, há materiais que voltam mais rapidamente ao formato original e outras matérias primas que se deformam e não retornam à forma inicial. Além disso, para calcular o trabalho da força elástica (𝝉Felástica) leva-se em consideração o comprimento final da mola, com a fórmula:
k é a constante da mola, mensurada em N/m
x é o comprimento final da mola
Trabalho da força elétrica
A força elétrica também produz trabalho (𝝉Felétrica), mas as grandezas utilizadas para seu cálculo levam em consideração aspectos de carga elétrica e potencial elétrico do ambiente, como está descrito na fórmula abaixo:
𝝉Felétrica = – q. ΔU
q é a carga elétrica observada (em Coulomb, C)
ΔU é a ddp, diferença de potencial elétrico (em Volt, V)
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