Física, além de ser uma palavra que, infelizmente, afugenta potenciais futuros aficionados da ciência de antemão, está em seu cerne o estudo decomo os objetos se movem. Isso inclui tudo, desde aglomerados inteiros de galáxias a partículas quase pequenas demais para serem imaginadas, muito menos visualizadas adequadamente.
E uma grande parte da física aplicada (isto é, o ramo da ciência física preocupado em colocar o conhecimento em uso, em vez de "meramente" teorizar) está descobrindo como obter maistrabalhosfora de menosenergia.
Trabalho, além de ser uma obrigação quase diária para funcionários e alunos, bem como uma obrigação geral significante de esforço bem gasto, é um de uma série de quantidades formais vitais em física que tem unidades de energia. Em suma, sempre que a energia é usada para fazer um objeto se mover, o trabalho está sendo feito naquele objeto.
Os exemplos diários de trabalho realizado incluem elevadores que transportam os hóspedes do hotel até seus andares, uma criança puxando um trenó colina acima ou a expansão do gás em um motor de combustão acionando um pistão. Para entender adequadamente esse conceito, é útil revisar alguns dos princípios básicos sobre energia, movimento e matéria que tornam o "trabalho" um conceito viável nas ciências físicas em primeiro lugar.
A Definição de Trabalho
Trabalhe o resultado físico de uma força aplicada a uma certa distância, pois a força produz um deslocamento do objeto sobre o qual atua. O trabalho tem um valor positivo quando a força está na mesma direção do movimento e um valor negativo quando está em a direção oposta (que "trabalho negativo" pode até acontecer provavelmente parece estranho, mas você verá como momentaneamente). Qualquer sistema que possua energia é capaz de funcionar.
Quando um objeto não se move, nenhum trabalho é feito nele. Isso é verdade, não importa quanto esforço seja colocado em uma tarefa, como tentar mover uma grande pedra sozinho. Nesse caso, a energia das contrações musculares é perdida à medida que o calor é dissipado desses músculos. Então, embora você não trabalhe neste cenário, pelo menos você consegueForaDo tipo.
Apenas a componente de uma força direcionada em linha com o deslocamento do objeto contribui para o trabalho realizado sobre ele. Se alguém está caminhando em uma direção correspondente ao eixo x positivo em um sistema de coordenadas típico e experimenta uma força de sua esquerda cujo vetor équaseperpendicular ao movimento dela, mas aponta levemente na direção x, apenas aquele componente x comparativamente pequeno da força influencia o problema.
Quando você desce um lance de escada, está trabalhando para evitar que se mova ainda mais rápido (queda livre), mas porque o seu movimento ainda está na direção oposta aos seus esforços, este é um exemplo de trabalho com um negativo assinar. O trabalho em rede combinado feito em você pela gravidade e em você mesmo é positivo, mas um número positivo menor do que seria sem o seu "trabalho" em oposição direta.
Trabalho tem unidades de energia
A energia total de um sistema é sua energia interna ou térmica mais sua energia mecânica. A energia mecânica pode ser dividida em energia de movimento (energia cinética) e energia "armazenada" (energia potencial). A energia mecânica total em qualquer sistema é a soma de suas energias potenciais e cinéticas, cada uma das quais pode assumir várias formas.
A energia cinética é a energia do movimento através do espaço, linear e rotacional. Se uma missamé mantido à distânciahacima do solo, sua energia potencial émgh. Onde a aceleração devido à gravidade,g, tem o valor de 9,80 m / s2 perto da superfície da Terra.
Se o objeto é liberado do repouso na altura he pode cair para baixo para a Terra (h = 0), sua energia cinética no impacto é (1/2) mv2= mgh, uma vez que toda a energia foi convertida de potencial para cinética durante a queda (assumindo nenhuma perda de energia por atrito ou calor). Em todos os momentos, a soma da energia potencial da partícula e sua energia cinética permanece constante.
- Porque a força tem unidades denewtons(kg⋅m / s2) no sistema SI (métrico) e a distância está em metros, o trabalho e a energia em geral têm unidades de kg⋅m2/ s2. Esta unidade de trabalho do SI é conhecida como oJoule.
A Fórmula para o Trabalho
A equação padrão para o trabalho é:
W = F \ cdot d
Ondedé o deslocamento. Embora a força e o deslocamento sejam quantidades vetoriais, seu produto é um produto escalar (também chamado de produto escalar). Essa curiosidade é verdadeira para outras grandezas vetoriais que são multiplicadas juntas, como força e velocidade, cuja multiplicação resulta na grandeza escalar potência. Em outras situações físicas, a multiplicação de vetores produz uma quantidade vetorial, conhecida como produto cruzado.
As forças individuais em um sistemaF1, F2, F3 ... Fntrabalhe com magnitudes iguais aF1d1, F2d2, e assim por diante; esses produtos individuais, que podem incluir tanto valores negativos como positivos, podem ser somados para dar ao sistematrabalho total, ourede. A fórmula para a rede Winternet feito em um objeto por uma rede de forçaFnet é
W_ {net} = F_ {net} \ cdot d = F_ {net} d \ cos {\ theta}
Ondeθé o ângulo entre a direção do movimento e a força aplicada. Você pode ver isso para valores deθpara o qual o cosseno do ângulo é 0, como quando a força é perpendicular à direção do movimento, nenhum trabalho de rede é feito. Além disso, quando a força resultante atua em oposição à direção do movimento, a função cosseno fornece um valor negativo, produzindo o "trabalho negativo" mencionado acima como resultado.
Como calcular o trabalho
Você pode calcular o trabalho total somando a quantidade de trabalho realizado por diferentes forças em um problema. Em todos os casos, o trabalho de cálculo requer uma compreensão completa dos vetores do problema, não apenas dos números que os acompanham. Você precisará colocar a trigonometria básica em uso.
- Observação:Na vida real, quando uma força atua sobre um objeto além da gravidade, é improvável que seja constante. Qualquer força F que você vê mencionada nesses exemplos pode ser considerada uma força constante. Quando as forças variam, as relações observadas aqui permanecem válidas, mas você precisará realizar o cálculo integral para resolver os problemas associados.
Exemplo:Um cão puxando uma combinação de trenó infantil de 20 kg em um campo de neve horizontal acelera do repouso a uma velocidade de 5 m / s ao longo de 5 segundos (uma= 1 m / s2). Quanto trabalho o cão faz na combinação de trenó infantil? Suponha que o atrito seja insignificante.
Primeiro, você calcula a força total aplicada pelo cão à criança e ao trenó:F= muma= (20 kg) (1 m / s2) = 20 N. O deslocamento é a velocidade média (v - v0) / 2 (= 5/2) multiplicado pelo tempo t (= 5 s), que é 12,5 m. Assim, o trabalho total é (20 N) (12,5 m) =250 J.
- Como você resolveria este problema usando o teorema da energia de trabalho em vez disso?
Trabalhe pela Força em Ângulo
Quando a força não é aplicada a 0 grau (ou seja, se estiver em um ângulo em relação ao objeto), use a trigonometria simples para encontrar o trabalho realizado naquele objeto. Você só precisa saber como usar o cosseno e o seno para problemas de nível introdutório.
Por exemplo, imagine o cachorro na situação acima em pé na beira de um penhasco, de modo que a corda entre a criança e o cachorro faça um ângulo de 45 graus com o campo de neve horizontal. Se o cão aplicar a mesma força que antes neste novo ângulo, você descobrirá que o componente horizontal de esta força é dada (cos 45 °) (20 N) = 14,1 N, e que o trabalho resultante feito no trenó é (14,1 N) (12,5 m) =176,8 J. A nova aceleração da criança é dada pelo valor da força e pela lei de Newton,F= muma: (14,1 N) / 20 kg) = 0,71 m / s2.
O Teorema Trabalho-Energia
É oteorema da energia de trabalhoque formalmente concede ao trabalho o "privilégio" de se expressar em termos de energia. De acordo com o teorema da energia de trabalho, o trabalho em rede feito em um objeto é igual à mudança na energia cinética:
W_ {net} = \ frac {1} {2} mv ^ 2- \ frac {1} {2} mv_0 ^ 2
onde m é a massa do objeto ev0evsão suas velocidades inicial e final.
Esta relação é muito útil em problemas que envolvem trabalho, força e velocidade onde a magnitude da força ou alguma outra variável é desconhecida, mas você tem ou pode calcular o resto do que você precisa para prosseguir em direção a um solução. Também ressalta o fato de que nenhum trabalho em rede é feito em velocidade constante.
Trabalho Rotacional
O teorema da energia de trabalho, ou princípio da energia de trabalho, assume uma forma reconhecível, mas ligeiramente diferente, para objetos girando em torno de um eixo fixo:
W_ {net} = \ frac {1} {2} I \ omega_f ^ 2- \ frac {1} {2} I \ omega_i ^ 2
Aquiωé a velocidade angular em radianos por segundo (ou graus por segundo) eeué uma quantidade análoga à massa em movimento linear, chamada de momento de inércia (ou segundo momento de área). É específico para a forma do objeto em rotação e depende também do eixo de rotação. Os cálculos são feitos da mesma maneira geral que para o movimento linear.
Quais são as leis do movimento de Newton?
Isaac Newton, uma das principais mentes matemáticas e científicas da Revolução Científica, propôs três leis que governam o comportamento de objetos em movimento.
- Primeira lei do movimento de Newtonafirma que um objeto em movimento com constantevelocidadepermanecerá nesse estado, a menos que atuado por um externo desequilibradoforça. Uma conseqüência importante dissolei da inérciaé que a força resultante não é necessária para manter até mesmo a velocidade mais alta, desde que a velocidade não mude.
- Segunda lei do movimento de Newtonafirma que as forças líquidas atuam para alterar a velocidade de, ouacelerar, massas:Finternet= muma. Força e aceleração sãoquantidades vetoriaise têm magnitude e direção (componentes x, y e z ou coordenadas angulares); massa é umquantidade escalare possui magnitude apenas. O trabalho, como todas as formas de energia, é uma quantidade escalar.
- Terceira lei do movimento de Newtonafirma que para cada força na natureza existe uma força de magnitude igual, mas na direção oposta. Ou seja, para cadaFexiste uma força-Fdentro do mesmo sistema, seja o sistema que você definiu com seus próprios limites ou simplesmente o cosmos como um todo.
A segunda lei de Newton está diretamente relacionada à lei da conservação de energia, que afirma que a energia total em um sistema (potencial mais cinética) permanece constante, com a energia sendo transferida de uma forma para outra, mas nunca sendo "destruída" ou produzida a partir de nada.
