Introdução à física/Energia/Energia mecânica/Trabalho

O trabalho ($\tau$) é a definição da quantidade de energia que se gasta em um movimento possível. Sintetizando:

Observe que no primeiro desenho, força e trabalho são paralelas à superfície, logo, a força e o trabalho resultantes serão os mesmos que atuam no objeto. Já no segundo caso, o bloco deslizará sobre uma superfície angular. Assim, força e trabalho resultantes são definidos pelo cosseno do ângulo. No último desenho, a superfície forma ângulo de 90°. Desta forma, o movimento do bloco é impedido, e não há força ou trabalho resultantes.

$\tau =F\times S$

Em que:

• τ é o trabalho de forças resultantes, em joules (j);
• F é a força, em newtons (N);
• S é o deslocamento, em metros (m).

Trabalho resultante de uma força ou superfície angular

Caso a força não seja paralela à trajetória, o trabalho é angular. Quanto maior o ângulo, menor é o trabalho. Desta forma, há perda de energia para o plano em que o corpo se encontra, pois uma grande força acaba gerando menos deslocamento. O trabalho resultante (aproveitado) de uma força angular, é dado pela decomposição de um vetor para resultante angular:

$\tau =F\times S\times \cos \theta$

Onde:

• τ é o trabalho de forças resultantes, em joules (j);
• F é a força, em newtons (N);
• S é o deslocamento, em metros (m);
• cosθ é o cosseno do ângulo que a força realiza com a trajetória.

Transformações e perdas energéticas

Como o trabalho é um conceito relacionado à energia, não há como não falarmos sobre transformações energéticas. O trabalho está totalmente relacionado à enegia mecânica. As seguintes equações descrevem o teorema do traballho:

$E_{m}=\tau$

E pela lei da conservação de energia, temos:

$E_{i}=E_{f}$

E então:

$\Delta E_{m}=\Delta \tau$

Apesar de a variação de trabalho ser igual à variação de energia mecânica, sempre há perdas energéticas extras ao transformar qualquer energia em energia mecânica (propriedade transformativa). Assim:

$\Delta E\neq \Delta E_{m}$

$\Delta E\neq \Delta \tau$

Podemos afirmar que:

$\Delta E=E_{m}+E_{x}$

$\Delta E=\tau +E_{x}$

Em que:

• E_m é a energia mecânica;
• E_i é o total de energia antes de um evento inciar;
• E_f é o total de energia após o final de um evento;
• E_x é a energia extra que é transformada em uma transformação de energia mecânica (normalmente energia térmica ou sonora).

Rendimento

Uma grandeza relacionada às energias a mais transformadas (E_x) é o rendimento (η). Geralmente esta energia não é aproveitada, e, portanto, tal transformação é ruim para o sistema. Assim, quanto maior o rendimento, maior é o aproveitamento de energia. Podemos descrever o rendimento como:

$\eta ={\frac {100a}{\Delta E}}$

Onde:

• η é o rendimento, em percentual (%);
• a é a energia que se quer aproveitar, em joules (j);
• ΔE é a variação total de energia, em joules (j).

Este conceito é amplamente utilizado em termodinâmica, para máquinas térmicas.