Energia e Trabalho: entenda essas áreas da Física

Energia e Trabalho são dois dos conceitos mais conhecidos da Física — e por isso estão presentes na maioria das provas de vestibular e Enem, já que perpassam toda a formação escolar dos estudantes.

Para além do contexto da escola, o estudo da Energia e Trabalho ajuda a explicar processos de toda a vida cotidiana, como o funcionamento de carros e a realização de tarefas mecânicas. Pensando nisso, preparamos este artigo para te ajudar a entender essas áreas da Física.

Vem com a gente? Boa leitura!

O que é o trabalho e energia?

Os conceitos de Trabalho e Energia fazem parte de um estudo de grandezas da Física, aplicados no entendimento do comportamento de corpos e do funcionamento da natureza em geral, formando a base de áreas que hoje são essenciais à vida humana.

Neste sentido, esses conceitos passeiam por diferentes áreas da Física, e compreendem situações-problema que vão desde a Mecânica Clássica até estudos de Elétrica. Parte desse raciocínio tem uma forte ligação com outros que ajudam a entender conceitos clássicos da área, como as Leis de Newton.

Mas, afinal, o que é Energia? O que significa Trabalho? Essas palavras possuem um significado especial quando mencionadas no contexto de estudos da Física, e é importante depreender esses conceitos com propriedade.

Na continuidade da leitura deste artigo, você vai entender melhor como funciona cada um desses conceitos, as fórmulas matemáticas associadas a eles e as diferenças entre os tipos de Energia e Trabalho.

Conceito de energia

O conceito de Energia, para a Física, está associado com a capacidade de algo gerar uma quantidade de força, responsável por diferentes aspectos do comportamento de um corpo.

Neste caso, a Energia é responsável pela geração de força que pode ser aplicada sobre um corpo, uma substância, um sistema de substâncias, que podem estar em diferentes formas e estados como repouso e movimento.

Em Física, a Energia está intrinsecamente relacionada com o Trabalho, pois é a sua existência que possibilita a execução de um trabalho. Esse conceito pode ser explorado que maneira mais geral, como no caso da energia que fica estocada dentro dos alimentos e é absorvida pelo corpo humano para a execução de suas funções, ou no já mencionado exemplo dos automóveis.

A energia elétrica é também um bom exemplo deste conceito, já que em pilhas e baterias há um estoque gerado pela movimentação de elétrons, que são partículas subatômicas energéticas. É daí que o princípio de Lavoisier, tão famoso como base da química, se estrutura:

“Na natureza nada se perde, nada se cria, tudo se transforma”

Há várias formas de Energia no meio físico, que serão exploradas na continuidade deste artigo.

Conceito de trabalho

O Trabalho é uma medida de transferência de energia. Ou seja, a realização de um trabalho considera, por exemplo, a aplicação de uma força ao longo de um deslocamento ou de movimentos como deformação e elasticidade.

Para a Física, o Trabalho é representado pela letra W (do inglês work, que é traduzido como trabalho), ou pela letra grega 𝛕 (tau) que também indica trabalho. Em alguns casos, para fins de simplificação, a representação considera simplesmente a letra T.

Qual é a relação entre o trabalho e energia?

A relação entre o Trabalho e Energia é de grande valia para os estudos da Física, já que o trabalho se associa com a força e o deslocamento.

Como a execução de um trabalho, ou seja, a aplicação de uma força que gera um deslocamento é dependente de uma fonte de energia, podemos dizer que essa relação é intrínseca aos dois conceitos, de modo que se não há energia e nem força, é impossível haver trabalho.

Ambos os conceitos estão fortemente associados com o movimento, mas podem ser adaptados para outros contextos da Física que envolvam a aplicação de forças ou a força resultante, desde que se respeitem as convenções matemáticas sobre deslocamento e angulação das forças.

Esse grupo de estudos, que relaciona Trabalho e Energia, são a base para diversas equações que traduzem para a matemática os significados de todos os achados da teoria, como os postulados, as leis e as hipóteses teóricas.

Há diversas formas de energia. Na continuidade do artigo, trataremos de apresentar as principais fórmulas associadas a esses raciocínios.

Fórmulas de energia e trabalho

As Fórmulas de Energia e Trabalho são bastante úteis para fornecer uma interpretação matemática de todas as leis e considerações teóricas, pois relacionam parâmetros quantificáveis, constantes e informações que podem ser medidas em tempo real para a construção de raciocínio.

Força e deslocamento

A relação entre Força e Deslocamento está na base dos estudos de Trabalho. Para que haja deslocamento, segundo este pensamento, é necessária a aplicação de uma força sobre um corpo ou substância.

Neste sentido, a relação matemática estabelece que a força dada em Newtons, ou seja, um tipo de força que é aplicada nesta situação, é diretamente proporcional ao produto trabalho que é realizado durante um deslocamento pelo valor numérico da distância que o corpo percorre em metros.

Equacionando-se, temos que:

T = F.d

Onde:

T = trabalho em Joules, ou N/m

F = força em Newton, ou Kg/m.s2

d = deslocamento do corpo que é medido em metros

Em alguns casos, esse deslocamento cria situações de paralelismo entre os sentidos, e em outros não. Quando há a formação de um ângulo entre a aplicação da força e o deslocamento que o corpo sofre, é necessário adaptar a fórmula matemática para o contexto indicado.

Neste caso, é estabelecida a relação em que a força dada em Newtons, ou seja, um tipo de força que é aplicada nesta situação, é diretamente proporcional ao produto trabalho que é realizado durante um deslocamento pelo valor numérico da distância que o corpo percorre em metros e também entre o cosseno do ângulo formado entre esses dois vetores.

Equacionando-se, temos que:

T = F.d.cosΘ

Onde:

T = trabalho em Joules, ou N/m

F = força em Newton, ou Kg/m.s2

d = deslocamento do corpo que é medido em metros

Θ = ângulo formado entre força e deslocamento em graus

Energia cinética

A Energia Cinética está fortemente relacionada ao movimento dos corpos, em que a capacidade de um corpo em realizar trabalho também se associa com o movimento. Este é um tipo de energia mecânica, assim como a energia potencial, sendo uma grandeza escalar que pode ser medida.

A fórmula universalmente associada à Energia Cinética é a que diz que ela é diretamente proporcional à metade do produto da massa de um corpo em kg pela velocidade do corpo em m/s.

Equacionando-se, temos que:

Ec = m.v2/2

Onde:

Ec = energia cinética em Joules, ou N/m

m = massa do corpo em kg

v = velocidade do corpo em m/s

Energia gravitacional

A Energia Potencial Gravitacional se relaciona com a Energia Cinética, mas não está diretamente associada com a velocidade com que um corpo se desloca. Neste caso, importa mais a altura de um objeto com relação ao solo terrestre.

O raciocínio da Energia Potencial Gravitacional se alinha com exemplos simples, como objetos que estão no chão, a 0 metros do próprio solo, e portanto não podem ter esse tipo de energia.

Já em objetos suspensos que possam se mover, a qualquer altura do solo, é possível calcular a Energia Potencial Gravitacional, que nada mais é que a relação proporcional ao produto da massa do corpo, com a gravidade e a altura.

Equacionando-se, temos que:

Ep = m.g.h

Onde:

Ep = energia potencial gravitacional em Joules, ou N/m

m = massa do objeto em kg

g = gravidade dada em aproximadamente 9,8 m/s²

h = altura do objeto em relação ao solo terrestre

Leia também: Gravitação Universal: conheça as leis de Newton e Kepler

Energia mecânica

A Energia Mecânica nada mais é que o encontro entre as energias que descrevem a capacidade de um corpo de realizar trabalho, como vimos nos exemplos acima.

Nesse sentido, como buscamos separar a energia que está relacionada com o movimento dos corpos, a energia cinética, com a energia que está relacionada com a posição de um corpo, a energia potencial gravitacional, a forma de considerar todo o somatório de energia é muito simples.

Quando não há atrito, a energia mecânica total de um copo é conservativa. Isso significa dizer que essa é a transformação de energia cinética em energia potencial gravitacional, e vice-versa. A expressão matemática para a conservação é a seguinte:

Emec = Ec + Ep

Onde:

Ec = energia cinética em em Joules, ou N/m

Ep = energia potencial gravitacional em Joules, ou N/m

Assim como no caso dos outros tipos de energia, a energia mecânica é uma grandeza escalar, capaz de ser medida e representada por dados numéricos e unidades de medida.

E aí, conseguiu entender melhor a relação entre Energia e Trabalho? Agora tá na hora de fazer exercícios de fixação, ou mesmo simulados de Física e de Ciências da Natureza para movimentar seus conhecimentos!

Compartilhe este artigo com quem também precisa entender melhor as áreas da Física e as relações que existem entre Energia e Trabalho.

Obrigado pela leitura! Até a próxima.