Trabalho e energia
Trabalho, potência, energia potencial, estabilidade e balanços com atrito e contacto.
Uma caixa puxada ao longo de uma mesa pode ganhar velocidade sem precisarmos de calcular a posição em cada instante. Comparamos a energia cinética no início e no fim e calculamos o trabalho das forças entre esses estados, e o mesmo exemplo serve depois para incluir o atrito e distinguir o trabalho resultante do trabalho de uma só força.
Trabalho de uma força
Para uma força constante e deslocamento retilíneo,
A unidade é o joule, . Uma força no sentido do deslocamento faz trabalho positivo. Uma força oposta faz trabalho negativo. Uma força perpendicular ao deslocamento do ponto de aplicação não faz trabalho, porque só conta a projeção no deslocamento. Esta condição refere-se ao movimento do ponto onde a força atua, não apenas à orientação da superfície: numa pista fixa, a normal não faz trabalho; num elevador a subir, a normal sobre a pessoa desloca-se com ela e faz trabalho positivo. O mesmo vale para a tensão de um fio ideal com suporte fixo, como no pêndulo simples.
Puxamos uma caixa numa horizontal com uma força de a da horizontal. O trabalho é . A componente vertical não contribui, porque não há deslocamento vertical.
Para uma força variável ou trajetória curva,
Numa dimensão, isto é a área com sinal sob . Se em SI, entre e , . O coeficiente 4 tem unidade .
Teorema da energia cinética
Para um ponto material de massa constante, e
O teorema segue de e no caso retilíneo, ou da versão vetorial . Inclui todas as forças, conservativas ou dissipativas.
Se a caixa anterior tem massa , parte do repouso e não tem atrito, , logo . Se um atrito constante de agir nos , somamos os trabalhos: . Então . Só o trabalho resultante conta para .
Energia potencial
Uma força conservativa tem trabalho independente do caminho entre os extremos. Definimos o potencial por . Em uma dimensão,
Mudar o zero de não muda a força nem os balanços, porque só diferenças de têm significado físico. As expressões usuais são para gravidade uniforme, para uma mola ideal e para gravitação com zero no infinito. A primeira é uma aproximação da terceira perto da superfície.
Ao esticar uma mola de de zero até , a mola faz . Uma força externa que a estica lentamente faz . A área positiva sob representa o trabalho externo, não o trabalho da força restauradora .
A força da mola opõe-se ao alongamento e faz trabalho negativo, enquanto a força externa acompanha o deslocamento e faz trabalho positivo.
Balanço de energia
Separando trabalho conservativo e restante trabalho,
Quando , a energia mecânica conserva-se. A energia total continua a conservar-se quando há atrito, mas parte passa a energia interna e não permanece em .
Um bloco de parte do repouso junto de uma mola comprimida , com . O trecho da mola é horizontal e sem atrito. Escolhemos nessa horizontal e seguimos três estados:
| Estado | Energia cinética | Energia potencial |
|---|---|---|
| A, mola comprimida | ||
| B, mola relaxada | ||
| C, altura máxima na rampa |
Em B, . Em C, . A energia mantém-se, mas passa da mola para o movimento e depois para a gravidade.
Agora acrescenta antes da rampa um trecho horizontal de com . Nesse trecho, . Sobram e a altura passa a . Se o atrito consumisse mais do que a energia inicial, o bloco pararia antes de completar o trecho; não interpretes uma energia cinética negativa como movimento.
Completar uma volta vertical
Um ponto material desliza sem atrito pelo interior de uma pista circular de raio , partindo do repouso a altura medida do fundo. São precisas duas relações independentes. A dinâmica no topo exige . No limite de contacto, e . A energia liga a partida ao topo. Sem a condição dinâmica, chegar à altura pareceria suficiente; sem a energia, não saberíamos se o corpo chega ao topo com essa rapidez.
A normal é perpendicular à pista fixa em cada ponto, por isso não realiza trabalho. O balanço de energia entre partida e topo usa apenas a gravidade e dá
Para , a altura mínima é e a rapidez no topo é . Chegar à altura com velocidade zero não chega, porque é necessário continuar a curvar a trajetória. A fórmula vale para um ponto material deslizante, sem perdas. Um corpo que rola tem também energia de rotação.
Equilíbrio e estabilidade
Começa pelo caso mais simples: , com . Então e . Para , a força é negativa; para , é positiva. Qualquer afastamento pequeno puxa o corpo de volta à origem. Por isso o mínimo é estável.
Em geral, um ponto de equilíbrio de uma força conservativa satisfaz . Um mínimo local de é estável, porque um pequeno afastamento produz força de retorno. Um máximo é instável. Se o potencial for constante numa vizinhança, o equilíbrio é neutro.
A energia cinética é . O corpo pode passar onde e tem velocidade nula onde . Se a força nesse ponto for não nula, o movimento inverte o sentido. Um estado de equilíbrio exige análise separada. As regiões onde são inacessíveis.
Ver exemplo com dois mínimos
Considera , com em joules e em metros. Então dá e . Como , a origem tem e é um mínimo estável; os outros pontos têm e são máximos instáveis. Este é o potencial de uma questão do exame de 14 de junho de 2023. Se num ponto, este teste não decide: é preciso examinar o potencial ou a força perto do ponto, como no caso do exercício de estabilidade.
Na figura, em unidades SI e . O corpo só pode mover-se numa das duas regiões onde , sem atravessar a barreira em . Os quatro pontos marcados são extremos das regiões acessíveis. Aqui a força é não nula nesses pontos, portanto são inversões.
Compressão vertical de uma mola
Um corpo de é largado do repouso de sobre uma mola de . Seja a compressão máxima. A gravidade faz trabalho durante a queda e durante a compressão: . Esse trabalho acumula-se como energia potencial elástica . A equação dá . A raiz positiva é
A raiz negativa não representa uma compressão máxima. Ignorar o termo seria tratar a gravidade como se deixasse de atuar durante a compressão.
Potência
A potência instantânea é , em watts. Para elevar a velocidade constante , a força é e a potência mecânica é . Com rendimento , a potência de entrada é , porque parte da potência de entrada perde-se.
Uma resultante nula não impede trabalho de cada força: o motor faz trabalho positivo e o peso faz trabalho negativo, mantendo a energia cinética constante.
Exercícios
Trabalho da mola
Uma mola de k = 150 N/m passa do alongamento 0 a 0,20 m. Qual o trabalho feito pela mola, em joules?
Pista
O trabalho conservativo é o negativo da variação de potencial, ou seja W = −ΔU.
Mais uma pista
W = −k(x_f² − x_i²)/2.
Solução
W = −150 × 0,20²/2 = −3 J. A força externa num alongamento quase estático faz +3 J, porque equilibra a mola em cada ponto.
Erros frequentes
Confundir trabalho da mola com trabalho da força que a estica.
Garantir contacto no topo
Um ponto material parte do repouso e desliza sem atrito pelo interior de uma pista circular de raio 0,60 m. Qual a altura mínima de partida, medida do fundo, em metros?
Pista
No topo, a normal não pode ser negativa.
Mais uma pista
No limite, v_topo² = gR. Junta essa energia à subida de 2R.
Solução
Escreve as duas relações: energia mgh = mg(2R) + mv²/2 e contacto v² = gR no limite. Então h_min = 2R + R/2 = 2,5 × 0,60 = 1,50 m. Chegar ao topo parado faria perder contacto antes, porque faltaria a curvatura necessária.
Erros frequentes
Usar apenas a altura 2R ou adicionar energia de rotação a um ponto material.
Equilíbrio com segunda derivada nula
Uma partícula move-se em uma dimensão com , onde tem unidade . Localiza os pontos de equilíbrio e classifica a sua estabilidade. Explica por que o teste da segunda derivada, aplicado na origem, não basta.
Pista
Solução
A força é . Anula-se apenas em . A segunda derivada é , pelo que : esse teste é inconclusivo.
Para , ; para , . Nos dois lados, a força aponta para a origem. Além disso, para todo . A origem é um mínimo estrito e o equilíbrio é estável. A força restauradora não é linear em x, por isso não é um oscilador harmónico simples.
Confere a tua resposta:
- Obtenho F = −4ax³ e equilíbrio na origem.
- Reconheço que U segundo em zero não decide a estabilidade.
- Justifico a estabilidade pelo sentido da força nos dois lados.
Saber se o estado final é acessível
Pista
Mais uma pista
Solução
Erros frequentes
Classificar equilíbrios com a segunda derivada
Pista
Solução
- Instável em x = ±1 m; estável na origem.. U′ = 4x − 4x³ anula-se em 0 e ±1; U″ = 4 − 12x² dá +4 na origem e −8 em ±1.
- Instável na origem; estável em x = ±1 m.. Troca os sinais: na origem U″ é positivo, logo é mínimo.
- Instável em x = ±2 m.. Em ±2 a força não se anula, por isso não são equilíbrios.
- Todos instáveis, porque o potencial tem potências pares.. A paridade não decide; o sinal de U″ em cada zero de U′ decide.
Erros frequentes
Trabalho do atrito a velocidade constante
Pista
Mais uma pista
Solução
Erros frequentes
Ler força e rapidez no potencial
Pista
Mais uma pista
Solução
Erros frequentes