1) A ação de uma força resultante aplicado sobre um corpo para movimentar-lo de um lugar para outro(trajetória).
Trabalho e energia
Trabalho (W) – Força constante2) Energia transferida para ou de um objeto por meio de uma força atuando no objeto.
0
F
F
F
F
R
1
2
3
A força resultante,O trabalho sempre está associado a uma força que atua sobre o corpo e ao deslocamento que ela provoca.
Pode ser definido como:
Intuitivamente podemos afirmar que:
2
j
F
i
F
F
xˆ
yˆ
: Força constante : vetor deslocamentor
Fy = F sen θ: perpendicular ao deslocamento
,
i
d
r
ˆ
Da figura temos duas componentes da força:
Fx = F cos θ: direção ao deslocamento
r
Observação: Se o trabalho depende da força, então deveria depender
como ela é aplicada sobre o corpo, •Trabalho (W) - Força constante
d
.
F
W
Fy: não consegue mover o corpo sobre a trajetória, então não realiza trabalho.
Fx: consegue deslocar o corpo e é denominada de força efetiva Que componente da força realiza trabalho através da trajetória ?
Podemos escrever vetorialmente como: Portanto:
W = Fx d ==> W = (F cos θ ) d
: vetor força
: vetor deslocamento
r
O trabalho é feito sobre a trajetóriaTrabalho (W)
• O produto escalar indica que o trabalho é uma grandeza escalar. • O trabalho por uma força perpendicular ao deslocamento é nulo. • O deslocamento se da sobre uma trajetória (caminho já definido). Observações:
d
.
F
W
W = F cos θ . d Trabalho (W)k
F
j
F
i
F
F
xˆ
yˆ
zˆ
d
d
xi
ˆ
d
yˆ
j
d
zk
ˆ
z z y y x xd
F
d
F
d
F
d
F
W
.
ˆ
Em geral: 0 ˆ . ˆ ˆ . ˆ ˆ . ˆ 1 ˆ . ˆ ˆ . ˆ ˆ . ˆ k i j k j i k k j j i i e Sabendo que
cos . .b b a ab a Então: Se
F
R0
o corpo é deslocado,d
0
F
* W > 0:-π/2<θ<π/2: existe uma componente na direção e sentido ao deslocamento.
F
* W < 0:
π/2<θ<3π/2: existe uma componente na direção e sentido oposto ao deslocamento.
Se W ≠ 0, então:
Situações para diferentes valores de W (superfície sem atrito, F = cte): Plano xy
cos .d F d F W •Trabalho (W)As unidades no sistema
J
1
s
m
kg
:
W
N
1
s
m
kg
:
F
2 2 2
•Trabalho (W)Exemplo:
Durante uma tempestade, um caixote desliza pelo piso escorregadio de um estacionamento, sofrendo um deslocamento d=(-3,0m)î ao ser empurrado pelo vento com uma força F = (2,0 N) î + (-6,0N)j.
Qual é o trabalho realizado pelo vento sobre o caixote?
Exemplo:
Durante uma tempestade, um caixote desliza pelo piso escorregadio de um estacionamento, sofrendo um deslocamento d=(-3,0m)î ao ser empurrado pelo vento com uma força F = (2,0 N) î + (-6,0N)j.
Qual é o trabalho realizado pelo vento sobre o caixote?
Solução: d F W ) ˆ 3 ( ) ˆ 6 ˆ 2 ( Ni N j mi d F W º 4 , 108 6 , 71 180 6 , 71 2 6 tan o o J W 6 J W 6 (1) d F d F d F
W cos cos(180) cos
m N W 6,32 cos108,4º3 Método 1 Método 2 Determinando θ, F e d: (2) ) ˆ 3 ˆ 6 ˆ 2Ni N j e d mi F Então: Substituindo em (1) Portanto: Substituindo em (2) Portanto: 3 32 , 6 ) 6 ( 22 2 d N F
n i i RW
W
a) a soma dos trabalhos produzidos por cada uma das forças aplicadas individualmente, .
WR = W1 + W2 + W3
Nesta situação o trabalho total, WR, pode ser encontrado de duas maneiras:
em geral para n forças que atuam sobre um corpo:
Trabalho realizado por um conjunto de forças
i
F
F
F
d
d
F
d
F
d
F
W
1.
2.
3.
1
2
3.
3 2 1 F F F FR d
F
W
R
R
n 1 i i n 3 2 1 RF
F
F
...
F
F
F
W
RF
Rd
.
b) Calculando a força resultante
A força resultante:
Em geral n forcas atuam sobre um corpo;
onde :
at
F
: força de atrito,F
: força aplicada (constante) Exemplo:1) Soma dos trabalhos individuais (superfície com atrito)
Trabalho
realizado
por um conjunto de forçasW = WP + WN + WF +WFat
Trabalho
realizado
por um conjunto de forçasIsto é:
WP = P . d cos270 = 0
WN = N . d cos 90 = 0
WFy = Fy..d cos 90 = 0
• Para as forças perpendiculares ao movimento,
j
F
e
P
W = WP + WN + WFy +WFat + WFx = 0 + 0 - Fat d + F d = (Fx - Fatx )d
F
d d F r F WF x F cos cos . ) 0 ( F d W WF x O trabalho total: Então:d
.
F
W
RxTrabalho
realizado
por um conjunto de forçaso Trabalho feito pela força F : WF
cos cos .r F d F d F Wat at at at ) 0 ( ) 1 ( F d F d W Wat atx atx Então:o Trabalho feito pela força F :at WFat
iˆ
F
e
F
at x• Para as forcas em direção do deslocamento,
d
F
W
.
Interpretação geométrica: sabemos que
W= Fx (x-xo)
x
x
i
d
0ˆ
se e
F
cte
Trabalho realizado por uma Força constante em relação ao deslocamento no eixo x. Caso 1 Então :
jˆ
F
iˆ
F
F
x
y iˆ ) x x )( jˆ F iˆ F ( W x y o Sabemos que:0
ˆ
.
ˆ
ˆ
.
ˆ
1
ˆ
.
ˆ
ˆ
.
ˆ
i
j
j
e
i
j
j
i
i
Da figura o trabalho W é igual à área compreendida entre a curva F(x) e o eixo x.
i
x
F
x
F
(
)
(
)
ˆ
Considerar que a força:
•atua na direção do eixo x: î •vária com a posição x.
Trabalho executado por uma força variável
i
x
x
r
i(
)
iˆ
r
f(
x
)
x
fi
ˆ
O corpo se desloca: Geometricamente o trabalho W é igual à área compreendida entre a curvaF(x) e o eixo x,
W
Cálculo da área
dividir a área sob a curva em faixas estreitas de largura
Δx o suficiente para considerar a força F(x) ≈ cte nesse intervalo.
Por tanto, o trabalho é
Forca constante
Da figura, consideramos Fj,med como o valor médio de F(x).
Trabalho total aproximado pela força enquanto a partícula se move de xi a xf é:
f i j med , j j F . x W WEsta aproximação pode ser melhorada fazendo: Δx0, isto é
f i j med j x F x W , 0 limEste limite é a definição da integral da
função de F(x) entre os limites xi e xf
xfxi
F
(
x
)
dx
W
Se conhecermos a função F(x) podemos substituí-la na equação
quando Δx0:
substituímos
Δx
pordx
e∑
por∫
Portanto: somando todas áreas dos retângulos
Algumas Integrais úteis
2 1 2 3 ) 3 / ( ) 6 / ( cos ) ( 4 81 0 3 4 1 3 ) ( 3 3 1 4 1 0 ) ( 0 cos cos cos cos ) : 1 ( 1 1 1 6 / 3 / 6 / 3 / 4 4 3 0 1 3 3 0 3 3 0 3 4 1 1 0 4 1 0 4 1 0 1 2 1 2 1 1 1 2 1 1 2 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1
sen sen x sen b dx x b cte b k para a a x a dx x a dx x a cte a k e n para b b x b dx x b dx x b cte b k e n para e e k e k dx e k x x x k dx x sen k x sen x sen x sen k dx x k cte k e n n x n x k n x k dx x k x x x x x x x x x x x x x x x x n n x x n x x nPonto de verificação
A figura mostra quatro gráficos (traçados na mesma escala) da componente Fx de uma força variável em função da posição x de uma partícula sobre a qual a força atua. Ordene os gráficos de acordo com o trabalho realizado pela força sobre a partícula de x=0 a x=x1, do mais positivo para o mais negativo.
Trabalho realizado por uma força gravitacional
j
g
m
F
g
ˆ
Considerações:A partícula se encontra sob a ação da gravidade, então é a única força que nela atua
o deslocamento é em direção vertical subindo
j
dy
r
d
ˆ
logo o trabalho executado pela força gravitacional entre yo e y, será:
y y y y y y gd
r
m
g
j
dy
j
mg
dy
F
W
0 0 0)
ˆ
)(
ˆ
(
W = -m g (y-yo) = - m g d da figura: (y - yo)>0W < 0
Partícula descendo
A partícula se encontra sob a ação da gravidade, então:
j
g
m
F
g
ˆ
Analise da figura:
o deslocamento é em direção vertical subindo, então:
j
dy
r
0 0( ˆ)( ˆ) 0 y y y y y y g dr m g j dy j m g dy F W W = m g (y0 – y) = m g d W > 0 da figura: (y0 - y)>0O sistema está composto por um bloco de massa m e uma mola. (Fat=0),
Trabalho realizado por uma mola
Analise quando se aplica uma força externa:
(a) a mola está num estado relaxado, então não exerce força sobre bloco.
O bloco se desloca da posição de equilíbrio a mola exerce uma força restauradora sobre ele para retornar à posição de equilíbrio:
(b) Se o deslocamento é para a direita (+) do eixo x, a força restauradora aponta para o sentido negativo desse eixo.
(c) Se o deslocamento é para a esquerda (-) do eixo x, a força restauradora aponta para o sentido positivo desse eixo.
Considerando este analise, a equação em geral que descreve a força da mola, em geral, será:
)
Hooke
de
Lei
(
s
k
F
)
r
r
(
k
F
0
Força da Mola:• É uma força restauradora e é proporcional ao deslocamento do bloco em relação à sua posição de equilíbrio.
• Esta força é tipo elástica.
k > 0: constante elástica da mola
: vetor posição final : vetor posição inicial
: vetor deslocamento 0 0
r
r
s
r
r
Cálculo do trabalho para o corpo deslocando-se na parte positiva: i x s i x x i x i x s f ˆ i ˆ ( f i)ˆ ˆ Da figura i x k s k F ( ) ˆ
o trabalho realizado pela mola será
f i x x s d F W Temos duas situações, afastando ou se aproximando do ponto de equilíbrio a) Se afastando do ponto de equilíbrio
Sistema massa – mola (movendo se livremente-1D)
f i
r
r
s
x xf xii
x
d
s
d
ˆ
: vetor deslocamento i x r e i x ri i ˆ f f ˆ Então: e Da figura ?Cálculo do trabalho para o corpo deslocando-se na parte positiva:
logo, o trabalho realizado pela mola será
) ( 2 2 . ˆ ). ˆ ( 2 2 2 i f xf xi x x x x x x x x k W x k dx x k i dx i x k s d F W f i f i f i
Sistema massa – mola (movendo se livremente-1D)
Como: xf > xi (x x ) 0 2
k
Portanto:
W < 0: se xi < xf (o bloco desloca-se para a direita) W > 0: se xi > xf (o bloco desloca-se para a esquerda) W = 0: se xi = xf (o bloco não foi deslocado)
b) Se aproximando do ponto de equilíbrio Da figura
)
ˆ
(
x
i
k
F
logo, o trabalho realizado pela mola será
)
(
2
2
.
)
ˆ
).(
ˆ
(
2 2 2 f i x x x x x xx
x
k
x
k
dx
x
k
i
dx
i
x
k
W
i f i f i f
Como: xi > xf ( ) 0 2 2 2 k xi xf Wiˆ
x
d
s
d
iˆ
x
iˆ
x
iˆ
x
s
f i
x=distânciaNo cotidiano
Quem tem maior energia pode realizar maior trabalho.
Na Física
A energia é uma propriedade física do sistema (corpo) que quantifica o seu estado (repouso ou movimento).
Propriedades
• Grandeza escalar
• Transformação de uma na outra (ex: potencial cinética; magnética elétrica)
• Devido a suas diversas formas esta grandeza física é utilizada como uma relação de equivalência.
•Energia cinética, K •Energia potencial, U
Tipos de energia a estudar
•É a energia associada a seu estado de movimento de um corpo cuja massa é m. Esta é descrita como:
2
2
1
v
m
K
Daqui podemos observar que para m = cte, temos:
•Quanto mais rapidamente se movimenta um corpo, maior será sua energia cinética.
•Quanto o corpo se encontra em repouso sua energia cinética será nula. •A energia cinética é sempre positiva.
Como a força é constante então a aceleração também é constante
Relação entre trabalho e energia cinética
Estado de um corpo no tempo
to : xo , vo t : x, v
então da segunda lei de Newton temos
m
F
a
a
m
F
x
x
x
xO trabalho é a energia transferida para ou de um corpo por meio de uma força atuando no objeto(variação da energia cinética).
2 v 2 v ) x x ( a ) x x ( a 2 v v 2 0 2 0 x 0 x 2 0 2 d . F ) x x ( a m 2 v m 2 v m x 0 x 2 o 2
K
W
Das equações de cinemática para um corpo com aceleração constante, temos:
multiplicando por m temos:
F
o termo da esquerda é a variação da energia cinética: oK: energia cinética em t, x,
oKo: energia cinética em to, x0.
o termo da direita é o trabalho realizado pela força, , para deslocar o corpo uma distancia d
Então, da equação anterior temos:
Teorema da energia cinética
Portanto, temos que:
Ponto de verificação
Uma partícula se move ao longo de um eixo x. A energia cinética da partícula aumenta, diminui ou permanece a mesma se a velocidade da partícula mudar (a) de -3 m/s para -2 m/s e (b) de -2 m/s para 2 m/s? (c) Em cada situação, o trabalho realizado sobre a partícula é positivo, negativo ou nulo?
Durante uma tempestade, um caixote desliza pelo piso escorregadio de um estacionamento, sofrendo um deslocamento d=(-3,0m)î ao ser empurrado pelo vento com uma força F = (2,0 N) î +(-6,0N)^j.
(a) Qual é o trabalho realizado pelo vento sobre o caixote?
(b) Se o caixote tem uma energia cinética de 10 J no inicio do deslocamento
• W = ΔK, O trabalho realizado por uma resultante de forças é igual à variação da sua energia cinética.
• W= FR.d, O trabalho é a energia transferida para um corpo por meio
de uma força resultante, atuando sobre um corpo.
W = 0; ∆ K = 0; O corpo não ganhou nem perdeu energia W > 0; ∆ K > 0; (ganho energia)
W < 0; ∆ K < 0; (perdeu energia)
Interpretação da relação W em função de ΔK
Portanto, se uma força executou um trabalho W sobre um corpo, ele variou a sua energia desse corpo em uma quantidade W.
Casos desde o ponto de vista de transferência de energia:
K
W
A energia potencial é a energia que pode ser associada à configuração ou arranjo (estado) de um sistema de objetos que interagem (Força) entre eles.
• Na figura cada posição (ex: (a) 0, y1,y2,...) do corpo corresponde a um estado. • Se a configuração do sistema ou a posição do corpo se altera a energia potencial do sistema também pode ser alterada.
Energia Potencial
Sistema Terra – corpo Sistema Mola-corpo
(a)
Energia potencial gravitacional, associada ao
estado de separação entre os objetos que se atraem uns a outros por meio da força gravitacional.
Exemplo de tipos de energia potencial
Energia potencial elástica, associada ao
estado de compressão ou alongamento de um objeto elástico (semelhante a uma mola).
Observação. A energia potencial está sempre associada a uma força.
Neste caso para comprimir ou alongar uma mola se realiza um trabalho para modificar as posições da mola.
Relação entre trabalho e energia potencial
g
F
1) Analise para uma Força gravitacional
• o trabalho realizado pela força gravitacional sobre o corpo é negativo, Análise dos seguinte sistemas
subida
• Isto significa que a força gravitacional retira energia da energia cinética do corpo (v0 > v).
• Se não existe força de atrito, podemos concluir que a energia potencial gravitacional (∆U) deveria ganhar esta energia na mesma quantidade que retirou da energia cinética do corpo, então temos que ∆U = -WFg.
0 0 K K W como WFg Fg
• Existe uma transferência de energia desde a energia potencial gravitacional para o corpo em forma de energia cinética.
• A diminuição da energia potencial gravitacional deveria ser na mesma quantidade que entregou para o corpo aumentar a sua energia cinética, isto é:
Descida .
A energia cinética do corpo aumenta devido à ação da força gravitacional, isto indica que houve perda de energia potencial;
∆U = -W
∆U = -W.
Relação entre trabalho e energia potencial
• o trabalho realizado pela força gravitacional sobre o corpo é positivo,
0
0
K
K
W
como
W
Fg Fg Conclusão:W r U r U W r U r U r U ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( 0 0 então: Da relação
podemos encontrar o potencial em qualquer ponto, o qual é definida em relação a um referencial.
W
)
r
(
U
r
) (rU Energia potencial na posição
A energia potencial e todos os outros valores serão medidos em relação a este referencial.
) (r0
U Energia potencial na posição
r
0 (referencial)A energia potencial de um corpo representa a capacidade dele produzir energia cinética ou, de maneira mais genérica, transformar essa energia num outro tipo de energia.
Portanto:
xfxi F(x)dx
U
Teste
Uma partícula se move ao longo de um eixo x de x = 0 para x1 enquanto uma força conservativa, orientada ao longo do eixo x, atua sobre a partícula. A figura mostra três situações nas quais a força varia com x. A força possui a mesma intensidade máxima nas três situações. Ordene as situações de acordo com a variação de energia potencial associada ao movimento da partícula, começando pela mais positiva.
1) Executa um trabalho nulo quando se considera um percurso fechado.
W = 0 (A: →1→ B:→2→A)
Forças conservativas
Características
Exemplo:
No sistema massa - mola, quando a massa retorna a um dado ponto, ela tem a mesma energia cinética da passagem anterior, com a mesma capacidade de produzir trabalho, portanto o trabalho realizado pela mola foi nulo, neste percurso fechado.
Por exemplo
Vamos considerar uma força conservativa que atua sobre uma partícula ao longo de um percurso fechado, indo do ponto A até o ponto B pelo caminho 1 da figura, e voltando de B para A pelo caminho 2 . Temos então que:
2) O trabalho realizado por uma força conservativa para ir desde um ponto A até o ponto B independe do percurso.
ou seja
Como a força é conservativa, se vai e volta pelo mesmo caminho 2, temos
e finalmente
Portanto, o trabalho será o mesmo caso se utilize o percurso 1 ou 2, em geral para qualquer outro percurso.
Quando as mudanças de forma de energia acontecem sem perdas, isto indica que existe uma
conservação de energia
e que as forças envolvidas no processo são conservativas.O trabalho resultante executado pela força resultante é:
WR = ∆K = Kf - Ki
Para um sistema de forças conservativas:
∆U = -WR ∆U = - ∆K ∆(U + K) = 0
como E = K+ U ∆E =0
A variação de energia mecânica é nula para um sistema de forças conservativas.
Exemplo: O sistema massa - mola é um sistema conservativo, onde a força que a mola exerce é variável.
Energia mecânica
A energia mecânica está definida como
E = K + U
A potência é taxa com a qual uma força transfere energia de uma forma para outra. A potência mede a capacidade de um sistema produzir (ou absorver) energia num intervalo de tempo.
Potência
Nos dá a medida da energia ΔE transferida num certo intervalo de tempo Δt.
t E Pmed Potência média dt dE Pmed Potência instantânea
Horse Power: HP <> ft.lb / s (pé libra por segundo) 1 HP= 746 W
Sistema Internacional: watt: W <> J/s.
Sistema britânico:
Exemplo
Um caixote de 230 kg esta pendurado na extremidade de uma corda de 12 m de comprimento. Ele é empurrado com uma força horizontal variável F até deslocá-lo de 4 m horizontalmente. Calcular:
a) a força quando o caixote se encontra na posição final b) o trabalho executado pela força F
c) o trabalho do peso do caixote d) o trabalho total
Posição inicial: 1 ==> F = 0 Posição final: 2 ==> F ≠ 0
a) Cálculo da força quando o caixote se encontra na posição final
P
T
F
F
R
Força Resultante 1 2como o sistema se encontra em equilíbrio, no ponto 2:
0
RF
0
cos
0
P
T
Fy
sen
T
F
Fx
(1) (2)
tan
P
F
De (1) e (2) Então:b) o trabalho do peso do caixote
ds
Ld
L
s
f f f ods
sen
P
ds
P
s
d
P
W
0 0)
90
cos(
0cos
)
(
0 0PL
W
d
sen
PL
Ld
sen
P
W
f f
) 1 (cos PL
Ws
d
O vetor deslocamento étangente ao arco de circunferência
Da figura , o deslocamento s do corpo é: (ou ver figura: arco=ânguloxraio)
f f ods
F
s
d
F
W
F
0cos
c) o trabalho pela corda
d) o trabalho pela força F
W W W F ds WR F P T R
0 0)
(
cos
)
tan
(
P
Ld
PL
sen
d
W
F)
1
(cos
cos
0
PL
PL
W
F0
90
cos
0
f f ods
T
s
d
T
W
T
e) Trabalho total0
fs
d
F
W
R R
ouW
R
W
P
W
T
W
F
PL
(cos
1
)
0
PL
(cos
1
)
0
0 F T P FR masKiko: Ponto A, justo quando a bola se decola da mola, quando a mola comprime x1 = 1,10cm
Duas crianças brincam de acertar, com uma bolinha lançada por um revolver de brinquedo situado na mesa, uma caixinha colocada no chão a 2,20 m da borda da mesa, ver figura. Kiko comprime a mola de 1,10 cm, mas a bolinha cai a 27,0 cm antes da caixa. De quanto deve a mola ser comprimida pela Biba para atingir o alvo?
Problema 8-34
Biva: Ponto C, justo quando a bola se decola da mola, quando a mola comprime x2 = x
Ponto B justo quando a bola deixa o revolver e inicia o movimento parabólico
Kiko: Ponto A, justo quando a bola se decola da mola, quando a mola comprime x1 = 1,10cm
O alcance da bolinha na horizontal vai depender da velocidade inicial no ponto B para cada jogador. Estas velocidades.dependem da deformação da mola. Temos:
vBK : velocidade no ponto para o Kiko (velocidade inicial-horizontal) vBB : velocidade no ponto para o Biva (velocidade inicial-horizontal)
Solução 8-34
Biva: Ponto C, justo quando a bola se decola da mola, quando a mola comprime x2 = x
Ponto B justo quando a bola deixa o revolver e inicia o movimento parabólico
Analisando a conservação de energia para ambos, entre o ponto A e ponto B
EAK = EBK UAK + KAK = UBK + KBK ECB = EDB UCB + KCB = UBB + KBB 2 0 0 2 2 2 BK K mv x k 2 0 0 2 2 2 BB B mv x k (1) (2) 2 2 mv x k k x2 mv2 Kiko Biva
2 1 1 1 2 1 0 0 h gt e t v d BK Problema 8-34 d1 = 2,20 - 0,27 = 1,93m Sabemos que: 2 2 2 2 1 0 0 h gt e t v D BB D = 2,20m (5) (4)
A partícula a partir do ponto B tem movimento parabólico:
BK BB K B BB BK B K v v x x v v x x 22 2 2
Temos que determinar v1B e v2B para determinar x2 dividindo (1) por (2), temos:
Kiko Biva (3) 1 1 t d vBK 2 t D vBB Substituindo:' (4) e (5) em (3): m xB 0,0125 93 , 1 20 , 2 011 , 0 1 1 1 1 d D x t d t D x xB K K Portanto
como caem da mesma altura, então temos que : t1 = t2
Então: 2 0 0 0 0 2 1 t a t v y y e t v x x x y