Uma caixa de é puxada por uma força constante de , que atua na direção positiva de . A caixa se desloca em uma superfície horizontal, de coeficiente de atrito , por na direção positiva de . (a) Calcule o trabalho realizado por cada um das forças que atuam na caixa, e (b) o trabalho total realizado sobre a mesma.
Passo 1
Beleza, vamos lá! O enunciado fala sobre uma caixa de 2,0 kg sendo puxada por uma força de 20,0 N na direção positiva do eixo X. A caixa se move numa superfície horizontal com um coeficiente de atrito de 0,4, percorrendo 0,5 metros também na direção positiva do eixo X. A gente precisa calcular:
a) O trabalho realizado por cada força atuante na caixa.
b) O trabalho total realizado na caixa.
Para resolver isso, vamos usar conceitos de trabalho das forças na física, que envolve entender como as forças aplicadas e o movimento estão relacionados.
Passo 2
Primeiro, vamos identificar todas as forças que atuam na caixa. Temos:
Força aplicada (Fₐ): é a força de 20,0 N puxando a caixa na direção do eixo X.
Força de atrito (f): essa força opõe o movimento da caixa e depende do coeficiente de atrito e da força normal.
Força gravitacional §: é o peso da caixa, que aponta para baixo.
Força normal (N): é a força que a superfície exerce para cima, perpendicular à superfície.
Como a caixa está se movendo horizontalmente e não hay aceleração vertical, a força normal é igual ao peso da caixa.
Passo 3
Vamos calcular o trabalho realizado por cada força. A fórmula geral para o trabalho (W) de uma força é:
onde:
é a magnitude da força,
é a distância percorrida,
é o ângulo entre a força e a direção do movimento.
Passo 4
a) Trabalho realizado por cada força:
Trabalho da força aplicada (Wₐ):
A força aplicada está na mesma direção do deslocamento, então e .
Trabalho da força de atrito (W_f):
A força de atrito sempre atua na direção oposta ao movimento, então e .
Primeiro, precisamos calcular a força de atrito ():
Sabemos que , onde é a aceleração da gravidade ().
Então,
Agora, calculando o trabalho da força de atrito:
Trabalho da força gravitacional (W_P):
A força gravitacional atua para baixo, enquanto o deslocamento é horizontal. O ângulo entre elas é , e .
Trabalho da força normal (W_N):
A força normal atua para cima, perpendicular ao deslocamento horizontal. Assim, também temos e .
Passo 5
b) Trabalho total realizado sobre a caixa:
Para encontrar o trabalho total (), somamos todos os trabalhos individuais: