Name: work in force and motion
Uploaded: 2023-09-22T11:49:36.000Z
Duration: 1 min 14 s
Channel: JoVE

O trabalho resulta quando uma força que atua sobre um objeto o desloca. É igual ao produto do componente escalar da força ao longo da direção do deslocamento.
Matematicamente, o trabalho pode ser dado como o produto escalar da força aplicada e do deslocamento do objeto.
A unidade de trabalho do SI é o joule. Um joule é o trabalho realizado quando uma força de um newton desloca um objeto em um metro.
Como o trabalho é uma grandeza escalar, sua magnitude pode ser positiva, negativa ou zero, dependendo da direção da força em relação ao deslocamento.

Considere o exemplo de um guindaste levantando uma carga para cima. Aqui, a força aplicada e os vetores de deslocamento estão alinhados na mesma direção, de modo que o trabalho realizado é positivo.

Em outro exemplo, quando os freios são aplicados a um carro em movimento, a força de frenagem atua na direção oposta ao movimento do carro. Aqui, o trabalho realizado é negativo.

Uma polia sem atrito que levanta uma carga através de uma corda inextensível sem massa não faz nenhum trabalho, pois a força e o deslocamento são perpendiculares.

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	<li>Hibbeler, R.C. (2016). Engenharia Mecânica: Estática. Décima quarta edição, Nova Jersey: Pearson. Seção 11.1, pp. 581-582.</li>
	<li>Meriam, J.L., Kraige, L.G. e Bolton, J.N. (2016). Engenharia Mecânica: Estática e Dinâmica. Oitava Edição, Cingapura: John Wiley & Sons. Seção 7.2 pp. 392-393.</li>
	<li>Cerveja, F.P., Johnston, E.R., Mazurek, D.F., Cornwell, P.J. e Self, B.P. (2016). Mecânica vetorial para engenheiros. Décima primeira edição, Nova York: McGraw-Hill Education. Seção 10.1A, pp. 575.</li>
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trabalho

O trabalho é um conceito fundamental da engenharia mecânica e possui várias aplicações. Compreender como o trabalho é calculado e os diferentes tipos de trabalho pode nos ajudar a entender melhor processos físicos e fornecer insights sobre problemas complexos.

O trabalho é definido como o resultado de uma força atuando sobre um objeto, fazendo com que ele se mova ao longo da linha de ação da força. Também é definido como o processo de transferência de energia por meio da aplicação de força em um objeto, resultando em seu deslocamento. Essa transferência de energia é responsável pela mudança de movimento ou posição do objeto. O trabalho pode ser escrito como o produto da força e do componente de deslocamento na mesma direção, ou alternativamente escrito como o produto escalar da força aplicada e do deslocamento do objeto. O sistema SI considera o joule como sua unidade — isso é igual a realizar um newton de força ao longo de um metro de deslocamento.

O tipo de trabalho realizado em um objeto depende da direção da força em relação ao deslocamento. Se a força aplicada e o deslocamento forem paralelos entre si, o trabalho realizado é positivo e, se forem antiparalelos, o trabalho realizado é negativo. Quando a força aplicada e o deslocamento são perpendiculares entre si, o trabalho realizado é zero. Um exemplo de trabalho positivo é quando um guindaste levanta uma carga pesada — ao exercer uma força para cima na carga, ela se move para cima em relação ao nível do solo. Trabalho negativo ocorre, por exemplo, quando os freios são aplicados a um carro em movimento — as rodas exercem uma força oposta ao seu movimento, resultando em trabalho negativo sendo realizado nele.

Algumas forças, como aquelas que atuam em pontos fixos ou perpendicularmente ao deslocamento, não realizam trabalho. Exemplos incluem a reação em um pino sem atrito quando o corpo apoiado gira ao redor dele, a força de reação que atua em um corpo que está se movendo em uma superfície sem atrito, etc.

No entanto, as forças que realizam trabalho incluem o peso de um corpo e a força de atrito que atua em um corpo movendo-se em uma superfície áspera. Em alguns casos, a soma do trabalho realizado por várias forças é zero. Por exemplo, dois corpos rígidos conectados por um pino sem atrito requerem forças iguais, mas opostas, para o movimento, então o trabalho combinado deles é zero.

Da mesma forma, dois blocos conectados por um cabo extensível têm forças de tensão de magnitude igual, mas de sinais opostos, resultando em trabalho zero. Em geral, entender quais forças produzem trabalho e como calcular o trabalho pode fornecer insights úteis sobre problemas físicos complexos e nos permitir gerenciar esses processos de forma eficaz para obter os resultados desejados.

Trabalho

O trabalho é um conceito fundamental da engenharia mecânica e tem muitas aplicações. Compreender como o trabalho é calculado e os diferentes tipos de trabalho ...

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Virtual Work

Trabalho Virtual

KEY TERMS AND CONCEPTS

TERMOS-CHAVE E CONCEITOS

Work

work in force and motion

Work connects force, motion, and energy in mechanics. It happens when a force acts on an object and the object moves along the line of action of that force. Work can also be described as energy transfer caused by applying a force, which leads to a change in the object’s motion or position.

Work is calculated as the force multiplied by the part of the displacement in the same direction as the force. It can also be written as the dot product of the applied force and the object’s displacement. In the SI system, the unit of work is the joule. One joule is equal to one newton of force acting over one meter of displacement.

The direction of the force compared with the displacement tells us the type of work done. When the force and displacement are parallel, the work is positive. When they are anti-parallel, the work is negative. When the force and displacement are perpendicular, the work is zero.

A crane lifting a heavy load is an example of positive work. The crane applies an upward force, and the load moves upward. Brakes on a moving car show negative work. The wheels exert a force that opposes motion, so work is done against the car’s movement.

Some forces do no work. This includes forces acting at fixed points or forces perpendicular to displacement. Examples include the reaction at a frictionless pin when a body rotates about it, and the reaction force on a body moving on a frictionless surface. Forces that do work include the weight of a body and friction acting on a body moving on a rough surface.

In some systems, the total work done by multiple forces is zero. Two rigid bodies connected by a frictionless pin need equal and opposite forces for motion, so their combined work is zero. The same idea applies to two blocks connected by an extensible cord, where the tension forces have equal magnitude but opposite signs. Knowing which forces produce work helps explain physical processes and solve mechanical problems.

Work in Force and Motion

work

Work connects force, motion, and energy in mechanics. It happens when a force acts on an object and the object moves along the line of action of that force. Work can also be described as energy transfer caused by applying a force, which leads to a change in the object’s motion or position. Work is calculated as the force multiplied by the part of the displacement in the same direction as the force. It can also be written as the dot product of the applied force and the object’s displacement. In...

work of a couple moment

Couple Moment Work in Rotation

Mechanical engineering studies motion, energy, and force, and it uses the idea of a couple moment to describe how two equal and opposite forces act on a rigid body. A couple moment is created when those forces act at two points on the body that are separated by a distance. When a rigid body moves because of a couple, its displacement can be split into two parts. First, the two points move by the same amount to their final positions. Then the body rotates about one of those points. During the...

virtual work

Virtual Work in Force Equilibrium

Virtual work is a mechanics principle used to check equilibrium with imaginary motion. If a body is in static or dynamic equilibrium, the total virtual work from external forces and couple moments must be zero for any virtual displacement. A virtual displacement is an imagined small movement. It can be a shift or a rotation. The virtual work done by a force equals the force dotted with the virtual displacement in the force’s direction. For a couple moment, virtual rotational work is found by...

virtual work for a system of connected rigid bodies

virtual-work-for-a-system-of-connected-rigid-bodies

Finding Forces with Virtual Work in Linked Bodies

Virtual work helps find forces in a system of connected rigid bodies. It is a useful method when several links move together and the system is in equilibrium. In that case, the total virtual work is zero. To analyze the system, start with a free-body diagram. Use one independent coordinate to describe the link configuration. Then mark the deflected position that comes from a positive virtual displacement. This makes the small change in position clear before any calculations begin. Next,...

principle of virtual work: problem solving

principle-of-virtual-work-problem-solving

Virtual Work for Finding Unknown Forces

The principle of virtual work helps find unknown forces and moments in equilibrium problems. It is an important idea in mechanics and engineering. The method uses a small, hypothetical motion called a virtual displacement. If the system is in equilibrium, the work done by the forces during that displacement is zero. To apply this principle, the positions of the internal and external forces must be written in terms of one common coordinate parameter. That parameter can be an angle, a distance,...

mechanical efficiency of real machines

Friction’s Role in Machine Efficiency

Mechanical efficiency shows how well a machine turns input work into output work. It is calculated as the ratio of output work to input work. An ideal machine has an efficiency of one, which means the input work equals the output work. Real machines are never perfectly ideal because some energy is lost. Friction is one of the main causes of that loss. In a toggle vise used to compress wooden blocks, the sliding block rubs against the horizontal plane and creates friction. To find the...

conservative forces

Conservative Forces and Path-Independent Work

Conservative forces are forces whose work depends only on an object’s starting and ending positions. The path between those positions does not change the amount of work done. This idea is important in mechanical engineering because it helps describe how energy moves through a system. A conservative force also conserves energy in the sense that its work is path independent. Gravity is one example. Electrostatic forces and springs modeled by Hooke’s law are also examples. A ball rolling down a...

potential energy

Gravitational and Elastic Energy Stored

Gravitational and elastic potential energy are forms of stored energy from conservative forces. A conservative force, such as gravity or an elastic force, gives a body the capacity to do work. This capacity is measured as potential energy and depends on the body’s position relative to a fixed reference point, or datum. For gravitational potential energy, the datum is the level where the energy is taken as zero. If a body is above this reference plane, its weight has positive gravitational...

potential-energy criterion for equilibrium

potential-energy-criterion-for-equilibrium

Stable Equilibrium Through Potential Energy

Potential energy helps determine when a mechanical system is stable at equilibrium. When a system is acted on by gravitational and elastic forces, its total potential function is the algebraic sum of gravitational potential energy and elastic potential energy. If the system is already in equilibrium and is given a small displacement, the work done on the system equals the negative of the change in potential energy between the starting and ending positions. For a virtual displacement, which is...

stability of equilibrium configuration

Types of Equilibrium in Mechanical Systems

Types of equilibrium in mechanical systems are stable, neutral, and unstable. These three cases help explain how a structure or object responds when it is pushed slightly away from balance. They are important for predicting whether a system will return to its original position, stay where it is, or move farther away. Stable equilibrium occurs when a system returns toward its original position after a small displacement. In this case, the potential energy is at a minimum. A cantilever beam...

one-degree-of-freedom system

Spring-Mass Motion and Energy Stability

A one-degree-of-freedom system uses a single independent variable to describe its state and behavior. In mechanical engineering, this kind of model helps explain how parts in a larger system respond to force. It also gives engineers a way to predict motion before a design is built in real life. A simple harmonic oscillator is one example of a one-degree-of-freedom system. A mass attached to a spring moves along one axis, and that position determines the system’s state. The spring force makes...

stability of equilibrium configuration: problem solving

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Equilibrium Stability Through Potential Energy

Stability of equilibrium in physics and engineering can be studied by using a system’s potential energy. An equilibrium configuration is a state where the system can remain at rest. Stability describes whether the system tends to return to that state after a small disturbance. Problem solving begins by finding the equilibrium points of the system. This is done by setting the derivative of the potential energy function equal to zero and solving for the independent variable values that satisfy...

key terms and concepts

Learn how work is calculated from force and displacement, why it can be positive, negative, or zero, and see real examples from cranes and brakes.

Work in Force and Motion | JoVE K12

O JoVE Core Mechanical Engineering oferece vídeos animados concisos e de fácil compreensão que abrangem tópicos-chave como equilíbrio, forças, análise de treliças e mecânica estrutural. Explore suas aplicações no mundo real e observe esses conceitos em ação por meio de experimentos conduzidos por cientistas.

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Work in Force and Motion

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