Máquinas simples, trabalho e energia
Autor: GILDEON ALVES DA CRUZ | Publicado: 2012-10-05T19:36:00-07:00




Máquinas simples, trabalho e energia



Em nosso dia-a-dia, vivemos cercados de máquinas. É muito comum nos depararmos com máquinas de todos os tipos, desde as mais simples até as mais complexas. Usamos um abridor para abrir latas, cortamos papel com uma tesoura, penduramos quadros em pregos fixados na parede pelos martelos e seguramos as crianças pequenas em carrinhos de bebê.

Somos cada vez mais dependentes de máquinas cada vez mais complexas, como os&nbsp;carros&nbsp;ônibus e os trens que utilizamos para ir a escola, ao local de trabalho etc.



Maquinas simples

Sabemos que as máquinas variam das mais simples as mais complexas. Máquinas complexas são aquelas que utilizam dispositivos eletrônicos em sua composição, como os circuitos integrados. Um exemplo de máquina complexa são os computadores.



Automóveis utilizam também recursos eletrônicos e elétricos, mas seu funcionamento se baseia principalmente em peças se deslocando: puxando, empurrando, girando etc.; enfim, são peças se movendo. Esse tipo de funcionamento, portanto, é do domínio da mecânica.

Toda máquina tem uma ou várias funções.&nbsp;Iremos iniciar o estudo de algumas maquinas que facilitam a atividade humana simplesmente por nos&nbsp;permitir&nbsp;realizar uma tarefa com menor esforço físico.&nbsp;Por exemplo, quando pregamos um prego na parede com um martelo, fazemos um esforço muito menor do que o necessário para pregá-lo usando apenas as mãos, o que certamente nem conseguiríamos.



Denominaremos de&nbsp;máquinas simples&nbsp;às que modificam e transmitem a ação de uma força para realizar algum movimento. Abridor de latas, martelo, tesoura, chave de fenda,&nbsp;alicate, quebra-nozes, carrinho de mão, pinça e cortador de unha são exemplos de máquinas simples.

Maquinas simples são aquelas que modificam e transmitem a ação de uma força para realizar algum movimento.

&nbsp;Alavancas

Imagine a seguinte situação: você precisa levantar um saco cheio de mantimentos. A massa total do saco é 120 kg. Poucas pessoas conseguem, e geralmente somente aquelas que se preparam para isso. Entretanto, no decorrer da história, as pessoas muitas vezes tiveram que levantar pedras ou objetos, e não contavam com máquinas para auxiliá-las. Há mais de 22 séculos, um&nbsp;homem&nbsp;chamado&nbsp;Arquimedes(287 – 212 a.C.) encontrou um método extremamente simples para resolver esse problema: ele descobriu as&nbsp;alavancas.



Uma alavanca nada mais é do que uma barra rígida que pode girar em torno de um ponto de apoio.



Em pleno século III a.C. Arquimedes afirmou: “Dê-me uma alavanca que moverei o mundo”

Como você poderia, com auxilio de uma alavanca, levantar um saco de 120 kg, fazendo uma força equivalente à que faria para levantar um saco de 20kg de arroz? Em outras palavras, como levantar uma massa com peso seis vezes maior que outra, fazendo a mesma força que faria para levantar essa?

Simples!&nbsp;É só a distância entre o ponto da barra rígida em que você aplica a força e o ponto de apoio (de P a A) ser seis vezes maior do que distância da massa até o ponto de apoio (de A a R).



Vamos denominar:

Força resistente&nbsp;– é a força que queremos equilibrar. No exemplo acima, é o peso do saco de mantimentos.
Força potente&nbsp;– é a força que sustentará a resistência. No exemplo, é a força que fazemos.




Tipos de alavancas


INTER-FIXA:

É quando o ponto apoio (A) está entre a aplicação da força potente (P) e a aplicação da força resistente (R).

INTER-PONTENTE:

É quando a aplicação da força potente (P) está entre a aplicação da força resistente (R) e o ponto de apoio (A).

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&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;INTER-RESISTENTE:

É quando a aplicação da força resistente (R) está entre a aplicação da força potente (P) e o ponto de apoio (A).


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Equação das alavancas

Pediremos ajuda a matemática para encontrar uma expressão para a seguinte situação.

Equilibrar uma massa muito grande fazendo uma força&nbsp;bem&nbsp;menor que o peso dessa massa que queremos sustentar.

Vamos denominar:

R:&nbsp;valor da força resistente – a força que queremos equilibrar.

P:&nbsp;valor da força potente – é a força que sustentará a resistência.

BR: braço de resistência – é a distância do centro de gravidade do corpo ao ponto de apoio.

BP: braço de potência – é a distância do ponto de aplicação da força ao ponto de apoio.

O: Ponto de apoio

Verificamos que o equilíbrio será alcançado quando:



Exemplo de aplicação

Vamos calcular a força que um pedreiro tem de fazer para&nbsp;carregar&nbsp;80 kg de terra com a ajuda de um carrinho de mão que possui 1,80 metros de comprimento. Sabendo que a distância entre o centro de gravidade do volume de terra até o centro da roda do carrinho é 90 cm.

Primeiramente vamos verificar qual tipo de alavanca temos.

Como o que fica no meio do carrinho é a terra, ou seja, a resistência, a alavanca é inter-resistente.

Temos:

braço de resistência = 90 cm = 0,9 m

braço de potência = 1,80 m

resistência = 80 kgf.

Portanto,





A interpretação física desse cálculo é a seguinte: o pedreiro necessita fazer uma força com intensidade de metade do peso do volume de terra para erguer o carrinho e transportar a carga.

Você percebeu a grande utilidade de uma máquina tão simples?

&nbsp;Roldanas e polias

Você já observou&nbsp;pessoalmente, em programas esportivos ou em filmes, que nas academias de ginástica os aparelhos de musculação são cheios de discos rígidos em torno dos quais há um fio, em que estão presas as cargas? Para que servem?



Esses discos são denominados&nbsp;roldanas&nbsp;ou&nbsp;polias. São discos com um&nbsp;canal&nbsp;por meio do qual passa um fio ou corda, em que está presa uma carga.

Roldanas fixas

A roldana fixa facilita a realização de um esforço por mudar a direção da força que seria necessária. Nesse caso, como observamos na figura, a força necessária para equilibrar o corpo é igual à força realizada pela pessoa. Entretanto, para levantar a carga, temos que puxar para baixo, o que facilita o trabalho.





Roldanas móveis

As roldanas móveis diminuem a intensidade do esforço necessário para sustentar um corpo, pois&nbsp;partedesse esforço é feito pelo teto, que sustenta o conjunto.

Observe na figura a baixo, como a roldana móvel pode facilitar o trabalho.



Com uma roldana móvel, a força necessária para equilibrar a carga é dividida por dois (21).
Com duas roldanas móveis, a força necessária é dividida por quatro (22).
Com três, é dividida por oito (23), e assim sucessivamente.


Agora já sabemos a razão de haver tantas polias em uma sala de musculação. Elas tornaram viáveis o esforço que queremos realizar, em geral mudando de direção da força necessária para levantar os pesos, a fim de trabalhar a musculatura desejada.

&nbsp;O plano inclinado

Imagine que você está carregando um&nbsp;monte&nbsp;de livros e tem de levá-los para uma sala localizada em um andar acima do andar em que está.

Para isso, você poderá optar por utilizar uma de duas rampas. A primeira é&nbsp;bem&nbsp;inclinada, e a outra tem inclinação suave.

Qual rampa você escolheria? Bem, se quisesse fazer menos esforço, provavelmente você não teria dúvidas em escolher a mais suave. Planos inclinados facilitam muito o levantamento de pesos. Quanto menor a inclinação, menor a força.







O conceito de Trabalho

Imagine que você esteja levantando um&nbsp;livro&nbsp;ou empurrando uma mesa ou um carrinho de bebê. Em todas essas atividades está realizando trabalho. Também realiza trabalho quando produz um texto, atende o telefone ou lava as louças do almoço.



Entretanto, o conceito de Trabalho em Física é um pouco diferente do conceito que atribuímos a essa palavra em nosso cotidiano. Em física, diz-se que&nbsp;um trabalho foi realizado quando uma força foi usada para deslocar um corpo.&nbsp;Nesse caso, o trabalho é proporcional à força que desloca o corpo e ao deslocamento produzido por ela, ou seja,&nbsp;quanto maior a força, maior será o trabalho, e&nbsp;quanto maior o deslocamento, também maior será o trabalho.

O conceito do Trabalho, em física, foi criado em plena Revolução Industrial, quando a humanidade iniciou a produção de máquinas mais complexas, que permitiram o desenvolvimento industrial de algumas nações do planeta.

Portanto, se a força atuar na direção e sentido do deslocamento, podemos definir matematicamente o conceito de Trabalho, cujo símbolo é&nbsp;t, lê-se:&nbsp;tau.



Nessa expressão matemática,&nbsp;F&nbsp;é a força e&nbsp;d&nbsp;é o deslocamento.



A unidade de trabalho no Sistema Internacional é o&nbsp;N.m, que denominamos de&nbsp;Joule (J).





Essa definição só vale quando a força atua na direção e no sentido do deslocamento e tem seu valor constante. Por exemplo, quando pressionamos um corpo contra uma mesa, estamos fazendo força, mas essa força não contribui em nada para deslocar o corpo. Portanto, não realiza Trabalho.

Por exemplo, para empurrar uma mesa por meio metro, fazendo uma força de 10N paralela à mesa, realizamos um Trabalho que pode ser calculado desse modo:



O Trabalho de uma força paralela e no sentido do deslocamento é o produto da força por esse deslocamento.



O trabalho da força peso

O trabalho da força peso&nbsp;&nbsp;é o valor do peso multiplicado pela variação na altura e na elevação de um corpo.



Onde:&nbsp;P&nbsp;é o peso do corpo;

&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;m&nbsp;é a massa do corpo;

&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;g&nbsp;é a aceleração da gravidade local;

&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;h&nbsp;é a variação de altura que o corpo sofreu.