Em uma seção especial da física - dinâmica, quando estudam o movimento dos corpos, consideram as forças que atuam no sistema em movimento. Este último pode realizar tanto trabalho positivo quanto negativo. Considere neste artigo qual é o trabalho da força de atrito e como ele é calculado.
O conceito de trabalho em física
Na física, o conceito de "trabalho" é diferente da ideia comum dessa palavra. O trabalho é entendido como uma grandeza física, que é igual ao produto escalar do vetor força pelo vetor deslocamento do corpo. Suponha que haja algum objeto sobre o qual a força F ¯ atua. Como nenhuma outra força atua sobre ele, seu vetor deslocamento l ¯ coincidirá na direção com o vetor F¯. O produto escalar desses vetores neste caso corresponderá ao produto de seus módulos, ou seja:
A=(F¯l¯)=Fl.
O valor A é o trabalho realizado pela força F¯ para mover o objeto uma distância l. Levando em consideração as dimensões dos valores F e l, descobrimos que o trabalho é medido em newtons por metro (Nm) no sistema SI. No entanto, a unidadeNm tem seu próprio nome - é um joule. Isso significa que o conceito de trabalho é o mesmo que o conceito de energia. Em outras palavras, se uma força de 1 newton move um corpo 1 metro, então os custos de energia correspondentes são de 1 joule.
Qual é a força de atrito?
Estudar a questão do trabalho da força de atrito é possível se você souber de que tipo de força estamos falando. O atrito na física é um processo que impede qualquer movimento de um corpo na superfície de outro quando essas superfícies são colocadas em contato.
Se considerarmos apenas corpos sólidos, então existem três tipos de atrito para eles:
- repouso;
- slip;
- rolando.
Essas forças atuam entre superfícies em contato e são sempre direcionadas contra o movimento dos corpos.
O atrito de repouso impede o movimento em si, o atrito de deslizamento se manifesta no processo de movimento, quando as superfícies dos corpos deslizam umas sobre as outras, e o atrito de rolamento existe entre o corpo que rola na superfície e a própria superfície.
Um exemplo da ação do atrito estático é um carro que está no freio de mão em uma ladeira. O atrito de deslizamento se manifesta quando um esquiador se move na neve ou um patinador se move no gelo. Finalmente, o atrito de rolamento atua enquanto a roda do carro está se movendo ao longo da estrada.
As forças para todos os três tipos de atrito são calculadas usando a seguinte fórmula:
Ft=µtN.
Aqui N é a força de reação do suporte, µt é o coeficiente de atrito. Força Nmostra a magnitude do impacto do suporte no corpo perpendicular ao plano da superfície. Quanto ao parâmetro µt, ele é medido experimentalmente para cada par de materiais de atrito, por exemplo, madeira-madeira, aço-neve e assim por diante. Os resultados medidos são coletados em tabelas especiais.
Para cada força de atrito, o coeficiente µt tem seu próprio valor para o par de materiais selecionado. Assim, o coeficiente de atrito estático é maior do que o atrito de deslizamento em várias dezenas de por cento. Por sua vez, o coeficiente de rolamento é 1-2 ordens de magnitude menor do que para o deslizamento.
Trabalho das forças de atrito
Agora, conhecendo os conceitos de trabalho e os tipos de atrito, você pode ir diretamente ao tópico do artigo. Vamos considerar em ordem todos os tipos de forças de atrito e descobrir que trabalho eles realizam.
Vamos começar com o atrito estático. Este tipo se manifesta quando o corpo não está se movendo. Como não há movimento, seu vetor deslocamento l¯ é igual a zero. O último significa que o trabalho da força de atrito estático também é igual a zero.
O atrito de deslizamento, por definição, atua apenas quando o corpo está se movendo no espaço. Como a força desse tipo de atrito é sempre direcionada contra o movimento do corpo, isso significa que ele realiza um trabalho negativo. O valor de A pode ser calculado usando a fórmula:
A=-Ftl=-µtNl.
O trabalho da força de atrito deslizante visa desacelerar o movimento do corpo. Como resultado deste trabalho, a energia mecânica do corpo é convertida em calor.
A fricção de rolamento, como o deslizamento, também envolve o movimento do corpo. A força de atrito de rolamento realiza um trabalho negativo, diminuindo a rotação inicial do corpo. Como estamos falando da rotação do corpo, é conveniente calcular o valor do trabalho dessa força pelo trabalho de seu momento. A fórmula correspondente é escrita como:
A=-Mθ onde M=FtR.
Aqui θ é o ângulo de rotação do corpo como resultado da rotação, R é a distância da superfície ao eixo de rotação (raio da roda).
Problema com a força de atrito deslizante
Sabe-se que um bloco de madeira está na borda de um plano inclinado de madeira. O plano está inclinado em relação ao horizonte em um ângulo de 40o. Sabendo que o coeficiente de atrito de deslizamento é 0,4, o comprimento do plano é de 1 metro e a massa da barra corresponde a 0,5 kg, é necessário encontrar o trabalho de atrito de deslizamento.
Calcule a força de atrito de deslizamento. É igual a:
Ft=mgcos(α)µt=0,59,81cos(40 o)0, 4=1,5 N.
Então a obra A correspondente será:
A=-Ftl=-1,51=-1,5 J.
Problema de atrito de rolamento
Sabe-se que a roda rolou pela estrada por uma certa distância e parou. O diâmetro da roda é de 45 cm. O número de revoluções da roda antes de parar é de 100. Levando em conta o coeficiente de rolamento igual a 0,03, é necessário encontrar a que o trabalho da força de atrito de rolamento é igual. A massa da roda é 5 kg.
Primeiro, vamos calcular o momento de atrito de rolamento:
M=FtR=µtmgD/2=0,0359, 81 0, 45/2=0, 331 Nm.
Se o número de revoluções da roda for multiplicado por 2pi radianos, obtemos o ângulo de rotação da roda θ. Então a fórmula do trabalho é:
A=-Mθ=-M2pin.
Onde n é o número de revoluções. Substituindo o momento M e o número n da condição, obtemos o trabalho necessário: A=- 207,87 J.
