Uma caixa que desloca-se 1,0 m ao longo de uma superfície horizontal, sofrendo a ação de uma força de 100 N aplicada por uma pessoa. Essa força forma um ângulo de 40º com a direção e sentido do movimento. Neste movimento verifica-se a ação de uma força atrito, que possui uma intensidade igual a 15% da força aplicada pela força. 5.1. Represente a caixa e todas as forças nela aplicadas. 5.2. Determine o módulo do trabalho realizado por cada força aplicada na caixa. 5.3. Determine o módulo do trabalho total realizado na caixa.

Questão

Uma caixa que desloca-se 1,0 m ao longo de uma superfície horizontal, sofrendo a ação de uma força de 100 N aplicada por uma pessoa. Essa força forma um ângulo de 40º com a direção e sentido do movimento. Neste movimento verifica-se a ação de uma força atrito, que possui uma intensidade igual a 15% da força aplicada pela força.

5.1. Represente a caixa e todas as forças nela aplicadas.

5.2. Determine o módulo do trabalho realizado por cada força aplicada na caixa.

5.3. Determine o módulo do trabalho total realizado na caixa.

Resposta

Dados:

  • Deslocamento: d=1,0 md=1{,}0\,\text{m} (horizontal)
  • Força aplicada: F=100 NF=100\,\text{N}, fazendo 40∘40^\circ com a direção do movimento
  • Atrito: Fat=15% F=0,15⋅100=15 NF_{at}=15\%\,F=0{,}15\cdot 100=15\,\text{N} (sentido contrário ao movimento)
  • Considerando superfície horizontal, sem aceleração vertical: atuam também peso PP e normal NN.

5.1) Representação (Diagrama de Corpo Livre)

Na caixa atuam 4 forças:

  1. Força aplicada F⃗\vec F (100 N), inclinada de 40∘40^\circ acima da horizontal, apontando para a frente.
  2. Força de atrito F⃗at\vec F_{at} (15 N), horizontal e contrária ao movimento.
  3. Peso P⃗=mg⃗\vec P = m\vec g, vertical para baixo.
  4. Normal N⃗\vec N, vertical para cima.

(O movimento e o deslocamento são horizontais para a direita.)


5.2) Módulo do trabalho de cada força

O trabalho de uma força constante é W=F d cos⁡θW = F\,d\,\cos\theta, onde θ\theta é o ângulo entre a força e o deslocamento.

a) Trabalho da força aplicada

O ângulo com o deslocamento é 40∘40^\circ: WF=100⋅1,0⋅cos⁡40∘≈100⋅0,766=76,6 JW_F = 100\cdot 1{,}0\cdot \cos 40^\circ \approx 100\cdot 0{,}766 = 76{,}6\,\text{J} Módulo: ∣WF∣≈76,6 J|W_F|\approx 76{,}6\,\text{J}.

b) Trabalho da força de atrito

O atrito é contrário ao deslocamento (θ=180∘\theta=180^\circ): Wat=15⋅1,0⋅cos⁡180∘=15⋅1⋅(−1)=−15 JW_{at} = 15\cdot 1{,}0\cdot \cos 180^\circ = 15\cdot 1\cdot (-1) = -15\,\text{J} Módulo: ∣Wat∣=15 J|W_{at}|=15\,\text{J}.

c) Trabalho do peso

O peso é vertical e o deslocamento é horizontal (θ=90∘\theta=90^\circ): WP=P⋅d⋅cos⁡90∘=0W_P = P\cdot d\cdot \cos 90^\circ = 0 Módulo: ∣WP∣=0 J|W_P|=0\,\text{J}.

d) Trabalho da normal

A normal também é vertical e o deslocamento é horizontal (θ=90∘\theta=90^\circ): WN=N⋅d⋅cos⁡90∘=0W_N = N\cdot d\cdot \cos 90^\circ = 0 Módulo: ∣WN∣=0 J|W_N|=0\,\text{J}.


5.3) Módulo do trabalho total

O trabalho total é a soma algébrica dos trabalhos: Wtot=WF+Wat+WN+WPW_{tot} = W_F + W_{at} + W_N + W_P Wtot≈76,6+(−15)+0+0=61,6 JW_{tot} \approx 76{,}6 + (-15) + 0 + 0 = 61{,}6\,\text{J} Módulo do trabalho total: ∣Wtot∣≈61,6 J|W_{tot}|\approx 61{,}6\,\text{J}.

Explicação

  1. Identificação das forças: como a caixa se desloca horizontalmente, além da força aplicada inclinada, existem atrito (oposto ao movimento), peso (para baixo) e normal (para cima).

  2. Cálculo do atrito: o enunciado diz que ele vale 15% da força aplicada, então Fat=0,15⋅100=15 NF_{at}=0{,}15\cdot 100=15\,\text{N}.

  3. Trabalho da força aplicada: o deslocamento é horizontal e a força faz 40∘40^\circ com ele, então WF=F d cos⁡40∘=100⋅1⋅cos⁡40∘≈76,6 JW_F = F\,d\,\cos 40^\circ = 100\cdot 1\cdot \cos 40^\circ \approx 76{,}6\,\text{J}.

  4. Trabalho do atrito: o atrito é contrário ao deslocamento, logo θ=180∘\theta=180^\circ: Wat=Fat d cos⁡180∘=15⋅1⋅(−1)=−15 JW_{at}=F_{at}\,d\,\cos 180^\circ = 15\cdot 1\cdot (-1)=-15\,\text{J}.

  5. Peso e normal são perpendiculares ao deslocamento (vertical vs. horizontal), então ambos realizam trabalho nulo: WP=0W_P=0 e WN=0W_N=0.

  6. Trabalho total: soma algébrica dos trabalhos: Wtot=76,6−15=61,6 JW_{tot}=76{,}6-15=61{,}6\,\text{J}, portanto seu módulo é 61,6 J61{,}6\,\text{J}.

Alternativa correta: (não há alternativas).

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