Energia e Trabalho

 

1) O que o conceito de Energia pode expressar?

Em diferentes situações da vida cotidiana, dizemos que para realizarmos alguma atividade precisamos de energia, ou dizemos que uma barra de chocolate, uma pilha, um litro de combustível, o Sol que ilumina e aquece a Terra, o vento, as águas, uma usina hidrelétrica e diversas outras coisas são fonte de energia.  O conceito de energia é um dos conceitos mais importantes para o entendimento dos fenômenos relacionados á Natureza e ao nosso cotidiano.

 

2) Afinal, o que é Energia?

Podemos dizer que o conceito de energia está relacionado com a capacidade da matéria, dos corpos, objetos ou partículas de realizarem alguma atividade, algum movimento ou algum trabalho. E ela se manifesta de diversas formas na Natureza, sendo notada entre nós a sua transformação. Ou seja, todo tipo de energia é capaz de se transformar em outro tipo de energia. Por exemplo, a energia química de um combustível, se transforma em energia de movimento de um carro.

 

3) Como são notados os diversos tipos de energia?

Há várias formas de energia: mecânica, elétrica, luminosa, térmica, química, nuclear, sonora, entre outras. Desde que a matéria, o corpo, o objeto ou a partícula tenham a capacidade de realizarem algum tipo de atividade, que a Física conceitua como Trabalho, podemos dizer que aí se tem energia.

 

4) Como é explicado o conceito de Trabalho?

 O conceito de Trabalho está relacionado à transferência de uma energia de um corpo para outro ou à transformação de energia de uma forma em outra.

 

5) Como é notada no cotidiano essa transformação de energia?

Um dos princípios básicos da Física diz que a energia pode ser transformada ou transferida, mas nunca criada ou destruída. Podemos compreender isso com alguns exemplos:

a) Um atleta, no salto com vara, corre, apoia a vara na pista, vergando-a, e salta, ultrapassando o sarrafo. Uma forma de energia do atleta, durante a corrida, transforma-se em outra forma na vara, quando se verga. A forma de energia da vara se transforma em uma forma de energia que eleva o atleta e faz com que ele ultrapasse o sarrafo.

b) O Sol aquece as águas da superfície terrestre, que evaporam e sobem para as camadas mais altas da atmosfera. Lá elas se resfriam, liquefazem e caem de novo sobre a superfície na forma de chuva. A energia solar transforma a água em vapor. O vapor sobe, ganhando energia; quando se resfria, transforma-se em água e gelo e cai novamente, e a energia do vapor se transforma em energia de movimento das gotas de chuva.

c) As águas de uma represa, no alto de um morro, são canalizadas para baixo, onde acionam turbinas que, ligadas a geradores, produzem eletricidade. A energia da água se transforma em energia de movimento, ao descer pela tubulação. Essa energia de movimento é transferida às turbinas do gerador, que a transforma em energia elétrica.

d) Uma criança coloca uma pilha num carrinho que, quando ligado, corre, acende os faróis e toca a buzina. A energia química da pilha se transforma em energia elétrica, que, no carrinho, transforma-se em energia de movimento, luminosa e sonora.

e) Numa região desértica, o vento gira as pás de um moinho que aciona uma bomba para retirar água do fundo de um poço. A energia de movimento dos ventos é transferida para as pás do moinho. Por intermédio do moinho, ela se transforma em energia da água, à medida que sobe do fundo do poço.

f) O funcionamento de uma calculadora solar para auxiliar nas contas domésticas. A energia luminosa do Sol se converte em energia elétrica nas células solares (células fotovoltaicas).

 

6) Como é explicada a relação entre Energia e Trabalho?

Energia é uma propriedade da matéria, isto é, corpos são capazes de armazenar energia. Corpos não são capazes de armazenar trabalho. A energia armazenada em um corpo pode ser transferida a outra ou, eventualmente, uma forma de energia pode ser transferida em outra(s), como, por exemplo, energia elétrica em energia mecânica (motor elétrico). Desta forma, energia está associada ao conceito de trabalho: o trabalho é a transferência de energia. E energia é a capacidade de um corpo de realizar trabalho.

 

7) O que é necessário para que haja a realização de trabalho?

Como o trabalho está relacionado com a transformação ou transferência de energia, desse modo, para realização de trabalho, faz-se necessário a atuação de uma força.

Desse fato, define-se que trabalho mecânico como sendo o produto de uma força atuante sobre um corpo pelo deslocamento realizado durante a ação da força.

Conclui-se daí que o trabalho é uma grandeza física representada pela letra grega tau (τ) ou por um W maiúsculo. Mede a energia transferida do corpo que exerce o trabalho para o corpo que sofre seus efeitos.

A unidade de medida no SI é o Joule (J), em homenagem a James Prescott Joule (1818-1889), físico inglês que realizou trabalhos na área de transformação de energia.

Para calcular essa grandeza escalar é levado em conta o valor numérico (módulo) da força resultante (F) e o deslocamento (d) no momento da aplicação da força.

τ = F ∙ d

Se você chutar uma bola com uma força de 3 N e ela se mover por 3 m de distância, pela fórmula τ = 3x3 = 9 J. Logo, você transferiu 9 J de energia para a bola.

8) Como é tratado o sentido e a direção de uma força no relacionamento com a transferência de energia?

A figura mostra uma força empurrando uma caixa de madeira sobre uma superfície plana.

A força constante F é a força aplicada sobre a caixa no sentido do deslocamento.

(Figura)

O produto do módulo da força pelo deslocamento será o trabalho realizado pelo homem sobre a caixa. Ou seja:

τ = F ⋅ d

Essa equação só valerá quando o deslocamento for paralelo à força resultante.

 

Se o ângulo entre o deslocamento (d) e a força resultante (F) for diferente de 0^o, usa-se a equação:

τ = F ⋅ d ⋅ cos θ, em que θ é o ângulo entre a força resultante e o deslocamento.

 

Essa equação também vale para o caso em que o deslocamento e a força aplicada são paralelos.

Nesse caso, o ângulo é 0° e como o cosseno de 0° vale 1, o termo cos θ é suprimido, daí a equação volta a ser aquela apresentada no slide anterior e acima.

 

9) Uma pessoa levanta do chão a uma altura de 2 m uma carga de massa de 10 kg.

a) Qual será o valor do trabalho mínimo realizado para levantar a carga?

b) E qual será o valor do trabalho para manter a carga erguida?

a) Para pequenos deslocamentos não horizontais próximos à superfície da Terra, o trabalho realizado nesses deslocamentos podem ser calculados em função da força peso, pois é a ação da força peso que provoca a transformação de energia de um corpo que sofre interação gravitacional em energia de movimento.

Portanto, relembrando a equação do trabalho de uma força e a equação da força peso, temos:

τ = F ⋅ d

τ = P ⋅ d

P = m ⋅ g

τ = m ⋅ g ⋅ d

 

No problema proposto, encontre os dados do enunciado:

m = 10 kg

d = 2 m

g = 10 m/s²

 

Substitua os dados na equação τ = m ⋅ g ⋅ d:

τ = 10 x 10 x 2

 

Fazendo os cálculos e encontramos a resposta:

τ = 200 J

 

Logo, para erguer a caixa é necessário um trabalho mínimo de 200 J.

b) Para que haja trabalho da pessoa sobre a carga tem que haver deslocamento. Se ela somente sustenta a carga, o deslocamento é zero, daí não há trabalho.

A energia utilizada para isso é movimentada para que os músculos, em nível celular, aguentem a tarefa.

 

10) Uma caixa de massa 100 kg é erguida por um guindaste a uma altura de 3 m exercendo uma força de 1.200 N na vertical para cima.

 

Podemos analisar duas forças atuando sobre a caixa, a força gravitacional (Peso) e a força exercida pelo guindaste.

Tomando o sentido para cima como positivo, a força gravitacional (P) será negativa, e já que aponta para baixo, e a força (F) o do guindaste será positiva, já que está na mesma direção do movimento.

Então nesse problema teremos, o trabalho realizado (τ) expresso da seguinte maneira:

τ = τ_F – τ_P.

 

O trabalho exercido pela força gravitacional P será:

– τ_P = m ⋅ g ⋅ d

τ_P = – 100 x 10 x 3

τ_P = – 3.000 J

 

O trabalho feito pela força F aplicada pelo guindaste será:

τ_F = F ∙ d

τ_F = 1.200 x 3

τ_F = 3.600 J

 

O trabalho τ feito pela força resultante será:

τ = τ_F + τ_P

τ = 3.600 – 3.000

τ = 600 J

 

Com esse exemplo, vimos como analisar o trabalho feito por cada força envolvida.

Observe que, apesar de o guindaste ter feito um trabalho de 3600 J, o trabalho resultante foi de 600 J somente.

 

11) Que formas de energia foram transferidas nos exemplos anteriores do levantamento de carga pela pessoa e no levantamento da caixa pelo guindastes? 

No exemplo do levantamento de carga de 10 kg pela pessoa, observa-se que o corpo é dotado de uma energia, que é denomina energia potencial gravitacional, pois sofre a interação da gravidade na Terra, e ação da força peso. Ao se levantar e provocar o movimento, que é o trabalho mecânico realizado, tem-se aí uma energia de movimento, que é denominada energia cinética.

No exemplo da caixa levantada pelo guindaste, quando a caixa está sobre um local, ela é dotada de energia potencial gravitacional, que pela força do guindaste é transformada em energia cinética, quando entra em movimento.

Em geral, a energia cinética é a energia relacionada ao movimento de um corpo e a energia potencial gravitacional está associada à energia armazenada que o corpo possui antes de sofre qualquer tipo de transformação.

Como, o trabalho realizado nesses exemplos é denominado trabalho mecânico, toda a transformação de energia potencial em energia cinética, é associada ao que definimos como energia mecânica, que sofre a ação da força peso e de forças externas que geram o movimento de corpos dentro de um referencial.

 

Atividades:

 

1)  O produto da força F, constante, pelo deslocamento de seu ponto de aplicação ∆x, conforme ilustrado na figura, dá o valor de uma grandeza física denominada:

(A) Aceleração.

(B) Trabalho.

(C) Quantidade de movimento.

(D) Impulso.

 

2) Na mecânica, a grandeza física responsável pelo trabalho é a:

(A) força.

(B) gravidade.

(C) velocidade.

(D) massa.

 

3) Julgue cada afirmativa abaixo e indique a única afirmativa FALSA:

(A) Só há realização de trabalho pela força quando há deslocamento do ponto de aplicação dessa força e a sua direção não for perpendicular à do deslocamento.

(B) O trabalho é uma grandeza escalar embora seja fruto de um produto vetorial.

(C) Trabalho é a medida da energia transferida e ou transforma.

(D) Num trabalho, a força e o deslocamento são grandezas vetoriais que possuem sempre mesma direção e mesmo sentido.

 

4) Um homem está em repousa com um caixote também em repouso às costas.

(A) Como o caixote tem um peso, o homem está realizando trabalho.

(B) O homem está realizando trabalho sobre o caixote pelo fato de estar segurando.

(C) O homem realiza trabalho pelo fato de esta fazendo força.
(D) O homem não realiza trabalho pelo fato de não estar se deslocando.

5) “A praia do Nordeste não é apenas um local de grande beleza, mas também um lugar onde são abundantes a energia solar e energia cinética dos ventos.” Sobre o conceito de energia é CORRETO afirmar que:

(A) a energia é um ente físico que possui um início e um fim bem determinados.

(B) sempre que alguma coisa pode realizar trabalho, direta ou indiretamente, por meio de alguma transformação, é porque essa “alguma coisa” tem uma forma de energia.

(C) um corpo em repouso ou equilíbrio, possui total ausência de energia.

(D) as únicas formas dos corpos manifestarem energia é utilizando a energia solar e a energia cinética dos ventos.

 

6) Julgue cada afirmativa abaixo, e indique a única afirmativa FALSA:

(A) Trabalho e energia possuem a mesma unidade de medida, chamada Joule no Sistema Internacional de Unidades.

(B) Apesar de terem a mesma unidade de medida e manterem entre si uma forte relação, trabalho e energia são grandezas físicas distintas.

(C) Trabalho de uma força é uma grandeza física vetorial composta pelo vetor força e pelo vetor deslocamento.

(D) A energia potencial é a energia armazenada de um corpo devido à sua posição em relação a um referencial.

 

7) Julgue cada afirmativa abaixo, e indique a única afirmativa VERDADEIRA:

(A) A energia cinética de um corpo é a modalidade de energia que está efetivamente associada ao movimento do corpo.

(B) A unidade de energia cinética no sistema internacional de unidade é o newton (N).

(C) Como um corpo que está em repouso possui energia cinética, isso depende do referencial adorado.

(D) A energia potencial gravitacional é a interação da força peso sobre um corpo em queda livre.

 

8) “Quando um objeto que se encontra no solo da Terra é levado até uma altura, a força que exercemos realiza um _________ contra o peso desse objeto. Em virtude disto, o sistema constituído por nosso planeta e esse objeto adquire energia_________”. Os termos que corretamente completam as lacunas da afirmativa anterior, respectivamente, são:

(A) trabalho – gravitacional.

(B) impulso – potencial.

(C) movimento – potencial.

(D) trabalho – mecânica.

 

9) Um corpo está sendo arrastado sobre uma superfície horizontal não lisa, em movimento uniforme. Julgue as afirmativas abaixo sobre a situação descrita e indique a única afirmativa VERDADEIRA:

(A) O trabalho da força de atrito é nula.

(B) O trabalho da força peso é nula.

(C) A força que arrasta o corpo é nula.

(D) A força peso é nula.

 

10) Há várias outras formas de energia além da energia mecânica. Abaixo indique uma forma que não pode ser considerada diferente na energia mecânica:

(A) Energia luminosa.

(B) Energia elétrica.

(C) Energia térmica.

(D) Energia cinética.

 

11) O bate-estacas é um dispositivo muito utilizado na fase inicial de uma construção. Ele é responsável pela colocação das estacas, na maioria das vezes de concreto, que fazem parte da fundação de um prédio, por exemplo. O funcionamento dele é relativamente simples: um motor suspende, através de um cabo de aço, um enorme peso (martelo), que é abandonado de uma altura, por exemplo, de 10m, e que acaba atingindo a estaca de concreto que se encontra logo abaixo. O processo de suspensão e abandono do peso sobre a estaca continua até a estaca estar na posição desejada.

É CORRETO afirmar que o funcionamento do bate-estacas é baseado no princípio de:

(A) transformação da energia mecânica do martelo em energia térmica da estaca.

(B) conservação da quantidade de movimento do martelo.

(C) transformação da energia potencial gravitacional em trabalho para empurrar a estaca.

(D) colisões do tipo elástico entre o martelo e a estaca.

 

Um homem levanta do chão a uma altura de 1 m uma massa de 30 kg. Qual será o valor do trabalho mínimo realizado para levantar a carga? (Considere a gravidade g = 10 m/s²)

 

12) Um caminhão de massa 150 kg é erguido por um guindaste a uma altura de 2 m exercendo uma força de 2000 N na vertical para cima. Calcule a força e o trabalho exercidos pela gravidade, o trabalho da força exercida pelo guindaste e o trabalho da força resultante:
(Gravidade local igual a 10 m/s²)

 

13) Um rapaz de massa 60 kg sobe uma escada de 20 degraus em 10 s. Cada degrau possui 20 cm de altura. Determine o trabalho realizado pela força peso.

14) Em um trecho do trajeto João Pessoa a São Paulo, um avião desloca-se horizontalmente e com velocidade constante. Admita que as únicas forças que atuam sobre o avião são: a força propulsora gerada pelas turbinas, a força de resistência do ar (atrito) e a força peso. Com relação aos trabalhos realizados por essas forças, considere as seguintes identificações:

- T_T: trabalho realizado pela força propulsora das turbinas.

- T_R: trabalho realizado pela força de resistência do ar.

- T_P: trabalho realizado pela força peso do avião.

Com base no exposto, é correto afirmar:

(A) T_R = T_T, T_P =0

(B) T_R = −T_T, T_P = 0

(C) T_R = T_T, T_P > 0

(D) T_R= –T_T, T_P > 0

 

15) Se o trabalho de uma força resultante sobre um corpo for positivo, podemos dizer que:

(A) sua energia cinética permanece constante.

(B) sua energia potencial aumenta.

(C) sua energia cinética aumenta.

(D) sua velocidade diminui.

 

16) Os pregos são hastes em geral feitos de metal com uma das pontas afiada e a outra achatada. Essas peças podem ser feitas de diversos materiais, se apresentam de tamanhos diferentes e sua principal função é unir objetos. A eficiência da fixação do prego, referente à posição com a qual ele é colocado em contato com a superfície onde se deseja fixa-lo, é melhor explicada pelo conceito de:

(A) densidade.

(B) pressão.

(C) energia.

(D) força.

 

 

https://youtu.be/Ch3nBwboqro