Trabalho de uma Força: Força Peso, Força Elástica, Potência e Rendimento


Na linguagem comum, a palavra trabalho é aplicada a qualquer atividade que requer um esforço muscular ou mental. Em Física, trabalho envolve a aplicação de uma força a um corpo e o deslocamento desse corpo. O trabalho de Fy no deslocamento d é nulo, pois não há deslocamento na direção y. Assim, somente Fx realiza trabalho, que é igual a:

Trabalho de uma Força

5 = F d —» 5 = F • cos a • d
5 = Fd • cos a

Quando um corpo sofre um deslocamento d, sob a ação de uma força constante, na mesma direção do movi­mento, o trabalho 5 é dado por:
em que:

F = módulo de F — » d = módulo de d

Embora calculado a partir de duas grandezas vetoriais, o trabalho é uma grandeza escalar e pode ser positivo ou negativo. Quando a força tem o mesmo sentido do deslocamento, o trabalho é positivo e dito trabalho motor. Se oposto, o trabalho é negativo e denominado trabalho resistente. Em geral, a força não precisa estar na direção do deslocamento. Por exemplo, na figura a seguir exerce-se uma força constante F, formando um ângulo a com a direção do movimento.

O trabalho de uma força F, constante ou não, pode ser obtido graficamente das seguintes formas: A unidade de trabalho, no SI, é o N • m — chamada joule e indicada por J, em homenagem ao físico inglês James Prescott Joule (1818-1889). IN- lm= U

O trabalho da força peso

O trabalho da força peso sobre um corpo que está sendo levantado é negativo, pois a força peso (dirigida para baixo) é oposta ao deslocamento (dirigido para cima). 2a) Em um deslocamento horizontal, o trabalho da força peso é nulo, pois não há desnível.

SAR=-Ph=-mgh

Se o corpo estiver descendo, o trabalho da força peso é positivo:

Trabalho da força elástica

O módulo do trabalho da força elástica pode ser calculado por meio do gráfico da força elástica em função da deformação, pois essa força é variável.

Observações:
1a) O trabalho da força peso independe da trajetória percorrida, isto é, depende apenas do desnível entre as posições inicial e final do corpo. Se A = |5|, temos que: |S| = x-^-*|S|== jkx2. Dependendo da ação da força elástica em relação ao deslocamento, seu trabalho pode se apresentar positivo ou negativo.

Potência e rendimento

Para levar um carro do repouso até uma determi­nada velocidade, é preciso que o motor realize um certo trabalho. Por exemplo, considere dois carros de massas parecidas, um deles com motor de l 000 cilindradas (A) e outro com motor de l 600 cilindradas (B), que saindo do repouso atingem a velocidade de 100 km/h. Quem realizou essa tarefa foi a força motriz associada ao motor dos carros. Como as velocidades inicial e final dos carros são as mesmas, assim como suas massas, o trabalho realizado pelos motores também é igual.

Mas o que diferencia os dois carros? O que diferencia os dois carros não é o trabalho realizado, mas a rapidez com que isso é feito. O carro A demora mais tempo para atingir a veloci­dade de 100 km/h do que o carro B. Por isso, dizemos que o carro B é mais potente que o carro A. A grandeza física que mede a rapidez na realização do trabalho é chamada potência. Define-se como potência média Pot o quociente do trabalho 5 realizado por uma força e o intervalo de tempo At gasto em realizá-lo.

p  = A
” At

Trabalho e energia

Observe que, quanto menor é o tempo empregado, maior resulta a potência. Se o intervalo de tempo for muito pequeno, defini­mos a potência instantânea como: P    = Fv. Em que f é a velocidade instantânea. Segundo o SI, a unidade de potência é o watt, que equivale ao joule/segundo e se indica por W. Também podem ser usadas as unidades:

lkW= l 000 W
cavalo-vapor = CV = 735 W
horse-power = HP = 746 W

Há carros que consomem menos combustível do que outros. Da mesma forma, uma lâmpada fluorescente ilumina mais que uma lâmpada comum, de mesma potência. Ou seja, há máquinas que aproveitam melhor o combustível que consomem. Por isso, dizemos que essas máquinas têm um rendimento maior.
O rendimento r\ de uma máquina é o quociente entre â potência útil (Pu), que ela fornece, e a potência total (Pt) que ela consome, isto é:

P
ti == -J-    em que   Pt = Pu + Pd rt

Pd é a potência dissipada, geralmente por atrito, que acaba se transformando em calor. O rendimento é sempre menor que 1.