Trabalho é um processo através do qual a energia pode ser transformada de uma forma para outra ou transferida de um objeto para outro, devido a ação de uma força .

Trabalho de uma força

A figura acima ilustra o processo pelo qual uma força realiza trabalho sobre um trenó, o trabalho de uma força constante \(F\) em um deslocamento retilíneo é definido como: $$ W = F \cos(\theta) \Delta s,$$ onde \(F\) é o módulo da força sobre o objeto de estudo, \(\Delta s\) é o deslocamento do ponto de aplicação da força e \(\theta\) é o ângulo entre o vetor força e o vetor deslocamento.

A unidade de trabalho é o Joule, \([W] = J\) .

Pontos importantes:

  • O trabalho é um processo, ele não é uma propriedade dos objetos, como é o caso da massa, energia cinética etc.
  • O trabalho é negativo quando a força é contrária ao deslocamento, neste caso, o trabalho tende a retardar o movimento, assim se desejamos para um caro devemos realizar um trabalho negativo sobre ele.
  • Trabalho não é uma grandeza vetorial e sim uma grandeza escalar.

É possível encontrar as seguintes fórmulas para o trabalho das diferentes forças mecânicas:

Trabalho da força peso \((W_p)\)
O trabalho para deslocar \(\Delta h\) um corpo de massa \(m\) no campo gravitacional de aceleração \(g\) é: $$ W_p(h) = m g \Delta h$$ Note que este trabalho só depende do deslocamento vertical(altura), isso é, a força gravitacional é uma força conservativa.
A força peso não realiza trabalho quando o deslocamento é na horizontal, o ângulo entre o vetor força e o deslocamento é de noventa graus, nesse caso!
Trabalho da força elástica \((W_e)\)
O trabalho necessário para distender uma mola de constante elástica \(k\) de sua posição de repouso \(x`\) até uma posição \(x\) é: $$ W_e(\Delta x) = k \frac{(\Delta x)^2}{2},$$ onde \(\Delta x = (x`-x)\) .
Trabalho de uma força qualquer \((W)\)
É a área sob a curva de um gráfico da força pelo deslocamento, onde a força em questão precisa ser tangencial a trajetória.

Trabalho de forças conservativas
Se o trabalho de uma força não depende da trajetória, dizemos que este campo de forças é conservativo. Ex: campo gravitacional, eletrostático, etc.

Trabalho e tempo

No caso de máquinas, é interessante medir a quantidade de trabalho que estas são capazes de produzir por unidade de tempo, esta grandeza é conhecida como potência. Assim é possível saber quanto tempo leva para uma máquina produzir o efeito desejado.

Outra grandeza importante é o rendimento, pois para que uma máquina realize trabalho, primeiro é preciso que se forneça energia à máquina, ou seja, capacidade de realizar trabalho. Sempre há uma perda neste processo. A relação custo benefício deste processo é dada pelo rendimento.

As grandezas acima podem ser definidas assim:

Potência \((P)\)
É o trabalho realizado por unidade de tempo, $$ P = \frac{W}{\Delta t},$$ e tem unidade no \(SI\) de Watt, \([P]=W\).

Outras unidades: 1 HP (horse power) = 746 W; 1 CV (chavel vapor) = 735 W

Observação. Dizemos que a potência é desenvolvida quando o trabalho é positivo (trabalho motor) e absorvida quando o trabalho é negativo (trabalho resistente).
Rendimento \((\eta)\)
É a razão entre a potência útil \(P_u\) e a potência total \(P_t\) , $$ \eta = \frac{P_{u}}{P_{t}}.$$ Esta grandeza é adimensional. Como a potência útil nunca pode ser maior que a potência total fornecida ao sistema, \(\eta\) está no intervalo \([0,1]\) . Uma máquina eficiente tem rendimento perto de 1 e as máquinas menos eficientes tem um rendimento mais próximos de 0.

Potência útil- é a potência que a máquina realmente utiliza para realização da tarefa desejada. Potência total- é a potência que a máquina consome para funcionar. A potência total é igual a soma da potência útil com a potência dissipada(desperdiçada).

É importante notar que essas duas grandezas (potência e rendimento) são escalares.