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15/03/22, 21:11 Ead.br https://student.ulife.com.br/ContentPlayer/Index?lc=45pSpcBrvR0K8%2fkVB8IH6A%3d%3d&l=pCwEaffGsxPCxK9CoUADcg%3d%3d&cd=NW… 1/41 FÍSICA - DINÂMICA EFÍSICA - DINÂMICA E TERMODINÂMICATERMODINÂMICA LEIS DE NEWTON ELEIS DE NEWTON E APLICAÇÕESAPLICAÇÕES Autor: Me. Hugo Shigueo Tanaka dos Santos Revisor : Rosa lvo Miranda IN IC IAR 15/03/22, 21:11 Ead.br https://student.ulife.com.br/ContentPlayer/Index?lc=45pSpcBrvR0K8%2fkVB8IH6A%3d%3d&l=pCwEaffGsxPCxK9CoUADcg%3d%3d&cd=NW… 2/41 introdução Introdução Diferentemente da Cinemática, que é o campo da Física que estuda os movimentos, sem se preocupar com as causas, o estudo da Dinâmica se preocupa em analisar as causas dos movimentos. Uma das pessoas que se dedicou ao estudo dos movimentos e suas causas foi o físico, matemático, alquimista e astrônomo inglês Isaac Newton (1643-1727). Dentre outras coisas, Newton é conhecido por suas três leis fundamentais da dinâmica, as quais estudaremos nesta unidade. Para tanto, compreenderemos melhor o conceito de força, juntamente com os princípios da dinâmica clássica. Depois, aprofundaremos mais nossos conhecimentos da mecânica newtoniana. A seguir, veremos alguns aspectos importantes que devem ser notados durante nossos estudos das Leis de Newton e suas aplicações. Por �m, veremos como a mecânica clássica pode ser aplicada em situações do dia a dia. Bons estudos! 15/03/22, 21:11 Ead.br https://student.ulife.com.br/ContentPlayer/Index?lc=45pSpcBrvR0K8%2fkVB8IH6A%3d%3d&l=pCwEaffGsxPCxK9CoUADcg%3d%3d&cd=NW… 3/41 15/03/22, 21:11 Ead.br https://student.ulife.com.br/ContentPlayer/Index?lc=45pSpcBrvR0K8%2fkVB8IH6A%3d%3d&l=pCwEaffGsxPCxK9CoUADcg%3d%3d&cd=NW… 4/41 A determinação do tipo do movimento que acontecerá devido a algumas circunstâncias físicas é o problema fundamental da dinâmica (NUSSENZVEIG, 2002). Os princípios básicos da dinâmica foram postulados por Galileu Galilei (1564-1642) e por Isaac Newton (1643-1727). Em nossos estudos focaremos nas leis da dinâmica newtoniana ou, simplesmente, leis de Newton. Princípios da DinâmicaPrincípios da Dinâmica 15/03/22, 21:11 Ead.br https://student.ulife.com.br/ContentPlayer/Index?lc=45pSpcBrvR0K8%2fkVB8IH6A%3d%3d&l=pCwEaffGsxPCxK9CoUADcg%3d%3d&cd=NW… 5/41 Intuitivamente, dizemos que os movimentos são causados pelo que chamamos de “forças”. Para Nussenzveig (2002), nossa ideia comum de forças está relacionada ao esforço muscular. Exercendo esse tipo de “força”, sabemos que somos capazes de alterar o estado de movimento dos objetos. A princípio vamos nos limitar a discutir forças em objetos que possuem dimensões desprezíveis. Os quais chamaremos de partículas. Ao dizer que uma partícula está em repouso com relação a um referencial, signi�ca que está parada em relação a esse referencial. Por exemplo, neste momento você está em repouso em relação ao dispositivo no qual lê esse texto. Mas você está em repouso em relação ao Sol? Figura 1.1 - Galileu Galilei Fonte: Dmitry Rozhkov / Wikimedia Commons. Figura 1.2 - Isaac Newton Fonte: Yeenosaurus /Wikimedia Commons. 15/03/22, 21:11 Ead.br https://student.ulife.com.br/ContentPlayer/Index?lc=45pSpcBrvR0K8%2fkVB8IH6A%3d%3d&l=pCwEaffGsxPCxK9CoUADcg%3d%3d&cd=NW… 6/41 Para seguirmos com a discussão, de maneira introdutória, vamos tratar de forças em equilíbrio . Isso é, quando nossa partícula considerada está em repouso em relação ao referencial. Ou seja, nossa partícula está em equilíbrio em relação a um determinado sistema de referências (NUSSENZVEIG, 2002). A �m de facilitar nosso pensamento, vamos considerar nosso referencial como sendo o laboratório no qual são feitos os experimentos. Forças de Contato Conforme é apontado por Young et al. (2016), as forças de contato surgem quando há o contato direto entre dois corpos. Por exemplo: ao puxar ou empurrar um bloco com uma certa massa m. Conforme a Figura 1.3. Figura 1.3 - Exemplos de forças de contato ao empurrar ou puxar um objeto Fonte: Young et al. (2016, p. 111). 15/03/22, 21:11 Ead.br https://student.ulife.com.br/ContentPlayer/Index?lc=45pSpcBrvR0K8%2fkVB8IH6A%3d%3d&l=pCwEaffGsxPCxK9CoUADcg%3d%3d&cd=NW… 7/41 Dessa forma, podemos exempli�car as forças de contato em três tipos mais comuns. São: força normal, força de atrito e força de tensão. Força Normal Quando um determinado objeto está em contato com uma certa superfície e em contato com ela, surge uma força que equilibra a ação da força peso sobre o objeto. Essa força de reação à força peso é chamada de força normal , porque ela sempre é normal à superfície de contato. Isto é, essa força sempre está perpendicular à superfície de contato, qualquer seja o ângulo de inclinação da superfície (Figura 1.4). Figura 1.4 - A força normal é uma reação ao contato do objeto com uma certa superfície. Ou seja, a superfície exerce uma força (perpendicular a ela) sobre o objeto. Fonte: Young et al. (2016, p. 111). 15/03/22, 21:11 Ead.br https://student.ulife.com.br/ContentPlayer/Index?lc=45pSpcBrvR0K8%2fkVB8IH6A%3d%3d&l=pCwEaffGsxPCxK9CoUADcg%3d%3d&cd=NW… 8/41 É muito importante notar que independentemente do ângulo do plano no qual o bloco está apoiado, a força normal sempre é perpendicular a essa superfície. Força Atrito Em contraste à força normal, existe a força de atrito , que é exercida pela superfície sobre o objeto e está orientada paralelamente à própria superfície. Tal força age no sentido oposto do deslocamento (YOUNG et al ., 2016). Dessa forma, a força de atrito é uma força que resiste ao movimento (Figura 1.5). Discutiremos melhor a natureza do atrito mais adiante. Veja as diferenças entre os coe�cientes de atrito quando dois corpos de materiais distintos são atritados: Figura 1.5 - A força de atrito é orientada paralela à superfície de contato e �ca no sentido contrário ao deslocamento Fonte: Young et al. (2016, p. 111). 15/03/22, 21:11 Ead.br https://student.ulife.com.br/ContentPlayer/Index?lc=45pSpcBrvR0K8%2fkVB8IH6A%3d%3d&l=pCwEaffGsxPCxK9CoUADcg%3d%3d&cd=NW… 9/41 Quadro 1.1 - Diferentes coe�cientes de atrito entre diferentes materiais. Fonte: Young et al . (2016, p. 158). Note como o coe�ciente de atrito diminui quando os blocos possuem movimento relativo entre si (atrito cinético). Note também que, quanto mais rugosos são os materiais, maior é o coe�ciente de atrito. Materiais Coe�ciente de atrito estático Coe�ciente de atrito cinético Aço com aço 0,74 0,57 Alumínio com aço 0,61 0,47 Borracha com concreto (seco) 1,0 0,8 Vidro com vidro 0,94 0,40 Te�on com Te�on 0,04 0,04 μe μc 15/03/22, 21:11 Ead.br https://student.ulife.com.br/ContentPlayer/Index?lc=45pSpcBrvR0K8%2fkVB8IH6A%3d%3d&l=pCwEaffGsxPCxK9CoUADcg%3d%3d&cd=NW… 10/41 Força de Tensão Ao amarrar uma corda em um objeto e exercer uma força para puxá-lo, a força que a corda esticada exerce sobre o objeto é chamada de força de tensão (YOUNG et al ., 2016). Essa força não aparece necessariamente apenas em cordas ou cabos, ela também pode aparecer em objetos mais “rígidos”, como um pedaço de madeira, uma barra de ferro ou similares. A Figura 1.6 representa gra�camente a força de tensão. Figura 1.6 - A força de tensão é exercida sobre um objeto por uma corda, um cabo, entre outros. Fonte: Young et al. (2016, p. 111). A força de tensão é muito importante no estudo da estática dos corpos. Forças que Agem a Distância 15/03/22, 21:11 Ead.br https://student.ulife.com.br/ContentPlayer/Index?lc=45pSpcBrvR0K8%2fkVB8IH6A%3d%3d&l=pCwEaffGsxPCxK9CoUADcg%3d%3d&cd=NW… 11/41 Além das forças de contato, existem forças que atuam quando os corpos estão separados por uma certa distância. Por exemplo, a força gravitacional. No que diz respeito à atração gravitacional, a Terra atrai qualquer corpo em suas proximidades. Caso um corpo esteja em repouso sobre uma superfície, a ação gravitacional dará origem a uma reação de contato, que é a já conhecida força normal. Mas o que acontece se o objetoestiver em queda? Caso o objeto esteja em queda, mesmo que não haja contato entre a Terra e o objeto, haverá a atração gravitacional entre os dois corpos que estão interagindo. Essa atração gravitacional é o que chamamos de força peso ou, simplesmente, o peso do objeto (Figura 1.7). Figura 1.7 - A força peso é exercida pela gravidade sobre um determinado objeto. Essa força atua à distância. Fonte: Young et al. (2016, p. 111). 15/03/22, 21:11 Ead.br https://student.ulife.com.br/ContentPlayer/Index?lc=45pSpcBrvR0K8%2fkVB8IH6A%3d%3d&l=pCwEaffGsxPCxK9CoUADcg%3d%3d&cd=NW… 12/41 Apesar do senso comum associar o peso à quantidade de matéria de um corpo, quando pensamos �sicamente é necessário diferenciar as grandezas. Então, atenção: peso é uma força de atração que a Terra (ou outro corpo muito massivo) exerce sobre um objeto nas suas proximidades. Já a massa de um corpo é a sua quantidade de matéria, independentemente de onde este corpo se encontre. praticar Vamos Praticar Leia o trecho a seguir: “[...] o peso de um corpo é a força de atração gravitacional exercida pela Terra sobre o corpo. O peso é uma grandeza vetorial. O módulo do peso de um corpo em um local especí�co é igual ao produto de sua massa m pelo módulo da aceleração da gravidade g nesse local.” (YOUNG et al ., 2016, p. 134). YOUNG, H. D. et al . Física I : Mecânica. 14. ed. São Paulo: Pearson, 2016. 15/03/22, 21:11 Ead.br https://student.ulife.com.br/ContentPlayer/Index?lc=45pSpcBrvR0K8%2fkVB8IH6A%3d%3d&l=pCwEaffGsxPCxK9CoUADcg%3d%3d&cd=NW… 13/41 Com base no exposto e em seus conhecimentos, assinale a alternativa correta: a) A força peso de um corpo atua somente quando há o contato do corpo com a Terra. b) O peso de um corpo é equivalente à sua massa, independentemente do local no qual ele se encontre. c) A força peso de um corpo atua somente quando não há o contato direto com a Terra. d) Um corpo está sujeito à ação da força peso mesmo que não esteja em contato direto com a Terra. e) Corpos de massa diferentes e no mesmo local podem possuir pesos iguais, devido à aceleração da gravidade. 15/03/22, 21:11 Ead.br https://student.ulife.com.br/ContentPlayer/Index?lc=45pSpcBrvR0K8%2fkVB8IH6A%3d%3d&l=pCwEaffGsxPCxK9CoUADcg%3d%3d&cd=NW… 14/41 Os conceitos de força e movimento foram discutidos ao longo de vários séculos por diversas pessoas que trabalhavam com �loso�a ou com ciência. Porém, no século XVII, o inglês Isaac Newton publicou um livro cujo nome em português é Princípios matemáticos da �loso�a natural (2012), ou apenas Principia (que é uma constrição do nome original, em latim). Nesse livro, Newton apresenta, dentre diversas premissas e proposições, três leis para o entendimento de seus princípios matemáticos. Essas três leis são conhecidas atualmente como as três leis de Newton. As Leis de NewtonAs Leis de Newton 15/03/22, 21:11 Ead.br https://student.ulife.com.br/ContentPlayer/Index?lc=45pSpcBrvR0K8%2fkVB8IH6A%3d%3d&l=pCwEaffGsxPCxK9CoUADcg%3d%3d&cd=NW… 15/41 Porém, é necessário lembrar que: Newton não derivou as três leis do movimento, mas as deduziu a partir de uma série de experiências realizadas por outros cientistas, especialmente Galileu Galilei (que faleceu no ano do nascimento de Newton) (YOUNG et al., 2016, p. 110). As leis de Newton são os fundamentos básicos da mecânica clássica, que também é chamada de mecânica newtoniana. Tais leis podem ser enunciadas de maneiras muito simples, porém, podem causar algumas confusões. Dessa forma, apresentaremos aqui discussões mais aprofundadas sobre cada uma das leis de Newton. saiba mais Saiba mais Há uma controvérsia sobre a data exata do nascimento de Isaac Newton, devido ao uso de dois calendários diferentes: o calendário gregoriano e o calendário juliano. Dessa forma, algumas referências dirão que Newton nasceu em 25 de dezembro de 1642 (ano da morte de Galileu); enquanto outras obras a�rmarão que o cientista inglês nasceu em 4 de janeiro de 1643. ACESSAR https://www.if.ufrgs.br/novocref/?contact-pergunta=afinal-quando-nasceu-newton-25121642-ou-04011643 15/03/22, 21:11 Ead.br https://student.ulife.com.br/ContentPlayer/Index?lc=45pSpcBrvR0K8%2fkVB8IH6A%3d%3d&l=pCwEaffGsxPCxK9CoUADcg%3d%3d&cd=NW… 16/41 Lei da Inércia O conceito de inércia está presente na história da humanidade há muito. A primeira lei da inércia mais próxima da qual conhecemos atualmente foi formulada originalmente por Galileu. Nessa lei: O movimento não seria nem acelerado nem desacelerado: não havendo forças na direção horizontal, teríamos um movimento retilíneo uniforme. Ao contrário do que dizia Aristóteles, não há necessidade de forças para manter um movimento retilíneo uniforme; pelo contrário, uma aceleração nula (v = constante) está necessariamente associada à ausência de força resultante sobre a partícula (F = 0) (NUSSENZVEIG, 2002, p. 67). Porém, a lei da inércia como conhecemos atualmente foi postulada por Isaac Newton. Tal lei física pode ser enunciada da seguinte maneira: “Todo corpo persiste em seu estado de repouso, ou de movimento retilíneo uniforme, a mesmo que seja compelido a modi�car esse estado pela ação de forças impressas sobre ele” (NUSSENZVEIG, 2002, p. 68). Essa lei também é conhecida como a Primeira Lei de Newton . A Segunda Lei de Newton 15/03/22, 21:11 Ead.br https://student.ulife.com.br/ContentPlayer/Index?lc=45pSpcBrvR0K8%2fkVB8IH6A%3d%3d&l=pCwEaffGsxPCxK9CoUADcg%3d%3d&cd=NW… 17/41 Como visto, a primeira lei de Newton a�rma que um corpo permanece em repouso ou em movimento retilíneo uniforme em relação a um determinado referencial quando a soma de todas as forças que agem sobre ele é igual a zero (YOUNG et al, 2016, p. 119). Mas o que acontece quando a força resultante sobre o corpo é diferente de zero? A velocidade do corpo variará e, para que isso aconteça, deve haver uma aceleração atuando sobre o corpo (YOUNG et al ., 2016). Isto é, a força resultante sobre um corpo é o ente físico responsável por sua aceleração. Dentre diversas implicações teóricas e experimentais, Newton sintetizou-as e, atualmente, enunciamos a segunda lei de Newton da seguinte maneira: [...] quando uma força resultante externa atua sobre um corpo, ele se acelera. A aceleração possui a mesma direção e o sentido da força resultante. O vetor força resultante é igual ao produto da massa do corpo pelo vetor aceleração do corpo (YOUNG et al., 2016, p. 122). Matematicamente, a segunda lei de Newton pode ser escrita da seguinte maneira: Onde: Σ = mF ⃗ a ⃗ 15/03/22, 21:11 Ead.br https://student.ulife.com.br/ContentPlayer/Index?lc=45pSpcBrvR0K8%2fkVB8IH6A%3d%3d&l=pCwEaffGsxPCxK9CoUADcg%3d%3d&cd=NW… 18/41 é a soma de todas as forças que atuam sobre o corpo (ou força resultante). é a massa do corpo. Medida em é a aceleração do corpo. Medida em . Concluímos que a força é medida, em unidades do Sistema Internacional (SI), em . Em homenagem a Newton, a unidade de força no SI leva seu nome e seu símbolo é N. Por de�nição, “[...] 1 N [lê-se “um newton”], é a força que, quando aplicada a um corpo de massa 1 kg, lhe imprime uma aceleração de 1 m/s²” (NUSSENZVEIG, 2002, p. 70). Para se ter uma ideia mais palpável (e aproximada) do que signi�ca 1 N, basta pensar na força peso exercida pela gravidade terrestre sobre um objeto de 100 g. ΣF ⃗ m kg. a⃗ m/s2 kg ⋅ m/s2 15/03/22, 21:11 Ead.br https://student.ulife.com.br/ContentPlayer/Index?lc=45pSpcBrvR0K8%2fkVB8IH6A%3d%3d&l=pCwEaffGsxPCxK9CoUADcg%3d%3d&cd=NW… 19/41 reflita Re�ita Um ponto importante a ser destacado das leis de Newton é que elas são válidas apenas quando o referencial (o observador) está parado em relação ao movimento. Ou seja, elas são válidas apenas para referenciais inerciais . É simples explicar por que alguém ou algum objeto é arremessado para frente em um carro em movimento após uma freada brusca a partir de um referencial externo. Basta pensar que o passageiro do carro (ou o objeto) estava em movimento retilíneouniforme e, após a freada brusca e devido ao fato de estar sem cinto de segurança (ou amarração), a pessoa (ou o objeto) continuou em movimento em relação ao referencial fora do carro. Mas, como seria possível explicar o fenômeno tomando como referencial o próprio passageiro? Seria possível uma explicação utilizando a primeira lei de Newton? Fonte: Elaborado pelo autor. A segunda lei de Newton também é chamada de princípio fundamental da dinâmica , dada a sua importância. É com essa lei que poderemos estudar diversos casos de aplicações das leis de Newton mais adiante. A Terceira Lei de Newton 15/03/22, 21:11 Ead.br https://student.ulife.com.br/ContentPlayer/Index?lc=45pSpcBrvR0K8%2fkVB8IH6A%3d%3d&l=pCwEaffGsxPCxK9CoUADcg%3d%3d&cd=NW… 20/41 Uma força que atua sobre um corpo sempre é o resultado da interação de dois ou mais corpos. Por exemplo, ao chutar uma bola, a força que seu pé exerce sobre a bola faz com que ela entre em movimento. Porém, você sente a força que a bola exerce sobre o seu pé (Figura 1.8). Figura 1.8 - A terceira lei de newton Fonte: Young et al. (2016, p. 129). Nesse e em todos os outros casos referentes à atuação de forças entre dois corpos interagentes, vemos que “[...] as duas forças decorrentes da interação possuem sempre o mesmo módulo e a mesma direção , mas possuem sentidos contrários ” (YOUNG et al ., 2016, p. 128). Atualmente, enunciamos a terceira lei de Newton da seguinte maneira: [...] quando uma força resultante externa atua sobre um corpo, ele se acelera. A aceleração possui a 15/03/22, 21:11 Ead.br https://student.ulife.com.br/ContentPlayer/Index?lc=45pSpcBrvR0K8%2fkVB8IH6A%3d%3d&l=pCwEaffGsxPCxK9CoUADcg%3d%3d&cd=NW… 21/41 mesma direção e o sentido da força resultante. O vetor força resultante é igual ao produto da massa do corpo pelo vetor aceleração do corpo (YOUNG et al., 2016, p. 122). Matematicamente, expressamos a terceira lei de Newton da seguinte maneira: Onde: é a força que o corpo A faz no corpo B. é a força que o corpo B faz no corpo A. Note que as duas forças têm mesmo módulo, porém sentidos opostos. A terceira lei de Newton também é conhecida como princípio da ação e reação . praticar Vamos Praticar = −F ⃗ AB F ⃗ BA F ⃗ AB F ⃗ BA 15/03/22, 21:11 Ead.br https://student.ulife.com.br/ContentPlayer/Index?lc=45pSpcBrvR0K8%2fkVB8IH6A%3d%3d&l=pCwEaffGsxPCxK9CoUADcg%3d%3d&cd=NW… 22/41 Leia o trecho a seguir: “Seu carro esportivo enguiça e você o empurra até a o�cina mais próxima. Quando o carro está começando a se mover, como a força que você exerce sobre o carro se compara com a força que o carro exerce sobre você?” (YOUNG et al ., 2016. p. 129). YOUNG, H. D. et al . Física I : Mecânica. 14. ed. São Paulo: Pearson, 2016. Assinale a alternativa correta: a) A força que nós exercemos sobre o carro é maior a�nal nós o empurramos para a o�cina e não o contrário. b) As forças são iguais, porém com sentidos opostos. c) A força que o carro exerce sobre a pessoa que o empurra é maior. d) As forças são iguais e de mesmo sentido. e) Não é possível inferir nada sobre este caso, visto que os corpos que estão interagindo são de naturezas distintas. 15/03/22, 21:11 Ead.br https://student.ulife.com.br/ContentPlayer/Index?lc=45pSpcBrvR0K8%2fkVB8IH6A%3d%3d&l=pCwEaffGsxPCxK9CoUADcg%3d%3d&cd=NW… 23/41 Conforme apontado por Young e seus colaboradores (2016), existem quatro aspectos das leis de Newton que merecem uma atenção especial. São: A equação da segunda lei de Newton é uma equação vetorial. De modo que pode ser escrita como uma equação separada para cada uma das componentes da força e da aceleração (componentes dos eixos x, y e z). A segunda lei de Newton diz respeito às forças externas ! Isso signi�ca que um corpo não pode afetar Aspectos das Leis deAspectos das Leis de NewtonNewton 15/03/22, 21:11 Ead.br https://student.ulife.com.br/ContentPlayer/Index?lc=45pSpcBrvR0K8%2fkVB8IH6A%3d%3d&l=pCwEaffGsxPCxK9CoUADcg%3d%3d&cd=NW… 24/41 o próprio movimento, exercendo força sobre si próprio. Ou seja “[...] você poderia dar um pulo até o teto puxando seu cinto de baixo para cima” (YOUNG et al., 2016, p. 123). A equação é válida apenas quando a massa é constante . Caso a massa seja variável, como a massa de um caminhão de areia que está perdendo carga devido a um furo em sua carroceria, devemos considerar a variação in�nitesimal implícita da massa ao longo do tempo. saiba mais Saiba mais Existe um princípio da Filoso�a da Física denominado princípio de Mach , o qual a�rma, grosso modo, que: na natureza a matéria deve apenas interagir com matéria. Tais interações, portanto, não devem depender do sistema de referências adotado para ser explicado. Partindo desse princípio, o físico brasileiro André K. T. Assis propõe uma nova teoria física. A qual não depende simplesmente do sistema de referências para explicar os movimentos. Um resumo dessa nova teoria física é visto no livro Mecânica Relacional (ASSIS, 1998). Fonte: Adaptado de Assis (1998). ACESSAR Σ = mF ⃗ a⃗ http://www.ifi.unicamp.br/~assis/Mecanica-Relacional.pdf 15/03/22, 21:11 Ead.br https://student.ulife.com.br/ContentPlayer/Index?lc=45pSpcBrvR0K8%2fkVB8IH6A%3d%3d&l=pCwEaffGsxPCxK9CoUADcg%3d%3d&cd=NW… 25/41 Assim como a primeira lei, a segunda lei de Newton também vale apenas para referenciais inerciais. Ou seja, as leis de Newton dependem do sistema de referências adotado, o que gera alguns problemas �losó�cos e implicações físicas. Por exemplo, a suposição de pseudoforças , as quais são forças que não podem ser explicadas a partir da mecânica newtoniana, como a força centrífuga. praticar Vamos Praticar Leia o trecho a seguir: “Sendo assim, pode-se a�rmar que as três leis de Newton são válidas apenas em referenciais inerciais, por de�nição, pois não é necessário introduzir as forças inerciais para explicar qualquer fenômeno, já que todos os efeitos podem ser entendidos através de interações físicas reais do ponto de vista de um referencial inercial (o que aliás, foi o procedimento utilizado por Newton durante toda a sua vida)” (GARDELLI, 1999, p. 48). 15/03/22, 21:11 Ead.br https://student.ulife.com.br/ContentPlayer/Index?lc=45pSpcBrvR0K8%2fkVB8IH6A%3d%3d&l=pCwEaffGsxPCxK9CoUADcg%3d%3d&cd=NW… 26/41 GARDELLI, D. A origem da inércia. Caderno Brasileiro de Ensino de Física , Florianópolis, v. 16, n. 1, p. 43-53, jan. 1999. Disponível em: https://periodicos.ufsc.br/index.php/�sica/article/view/6875/6335 . Acesso em: 3 jan. 2020. No que diz respeito aos referenciais inerciais, assinale o que for correto: a) Referenciais inerciais são aqueles que se deslocam no sentido contrário do movimento. b) As leis de Newton são uma formulação única na natureza e, portanto, valem para qualquer referencial. c) Caso o referencial esteja dentro do carro da alternativa anterior, não é possível analisar os fenômenos a partir da mecânica newtoniana. d) Ao analisar um carro acelerando horizontalmente, segundo a mecânica newtoniana, devemos considerar como referencial o volante do carro. e) Referenciais não inerciais são aqueles que estão parados em relação ao movimento. https://periodicos.ufsc.br/index.php/fisica/article/view/6875/6335 15/03/22, 21:11 Ead.br https://student.ulife.com.br/ContentPlayer/Index?lc=45pSpcBrvR0K8%2fkVB8IH6A%3d%3d&l=pCwEaffGsxPCxK9CoUADcg%3d%3d&cd=NW… 27/41 A seguir discutiremos as aplicações das três leis de Newton. Para tanto, dividiremos esse tópico em três partes. Cada um discutirá um caso mais geral possível de aplicação de cada uma das leis de Newton. A primeira Lei de Newton e as Partículas em Equilíbrio. Para os casos de partículas em equilíbrio, devemos levar em conta que as forças resultantes sobre ele são iguais a zero ( Aplicações das Leis deAplicações das Leis de NewtonNewton 15/03/22, 21:11 Ead.br https://student.ulife.com.br/ContentPlayer/Index?lc=45pSpcBrvR0K8%2fkVB8IH6A%3d%3d&l=pCwEaffGsxPCxK9CoUADcg%3d%3d&cd=NW… 28/41 ). Por exemplo,um carro está em equilíbrio quando está estacionado e também quando se desloca em linha reta com velocidade constante. Caso o problema envolva mais de um corpo, você precisa utilizar a terceira lei de Newton, também. O Plano Inclinado Um carro com de peso P está em repouso sobre uma rampa de um caminhão-reboque. Para impedir que o carro deslize para baixo, há apenas um cabo segurando o carro (Figura 1.9). Encontre qual a tensão no cabo e a força que a rampa exerce sobre os pneus (YOUNG et al ., 2016). Figura 1.9 - Carro sobre a rampa Fonte: Young et al. (2016, p. 147). Para resolver esse exemplo, devemos fazer um diagrama de corpo livre com todas as forças (e componentes) que atuam Σ = 0F ⃗ 15/03/22, 21:11 Ead.br https://student.ulife.com.br/ContentPlayer/Index?lc=45pSpcBrvR0K8%2fkVB8IH6A%3d%3d&l=pCwEaffGsxPCxK9CoUADcg%3d%3d&cd=NW… 29/41 sobre o corpo. Para tanto, fazemos um diagrama de corpo livre, conforme a Figura 1.10: Figura 1.10 - Diagrama de corpo livre para o carro na rampa Fonte: Young et al. (2016, p. 147). Analisando as forças que agem na componente x, temos que: . Já na componente y, temos: . Isolando T e n em cada uma das duas equações, temos que e que . Isso signi�ca que nossas respostas dependem do valor da . Ou seja: se a rampa for horizontal, e força normal seria igual ao peso do carro. A Segunda Lei de Newton e a Dinâmica de Partículas Para os casos em que haja forças atuando sobre um corpo que está acelerando, utilizamos a segunda lei de Newton. Σ = T + (−p sen α) = 0Fx Σ = n + (−p cos α) = 0Fy T = p sen α n = p cos α α T = 0 15/03/22, 21:11 Ead.br https://student.ulife.com.br/ContentPlayer/Index?lc=45pSpcBrvR0K8%2fkVB8IH6A%3d%3d&l=pCwEaffGsxPCxK9CoUADcg%3d%3d&cd=NW… 30/41 Dessa forma, vamos analisar o caso de um corpo desenvolvendo um movimento retilíneo e sob a ação de uma força constante. Veja abaixo. Movimento Retilíneo com Força Constante Um barco é projetado para deslizar sobre o gelo. Em certa situação, ele está em repouso sobre uma superfície horizontal e sem atrito (Figura 1.12). Sopra um vento e, após 4,0 s, o barco adquire uma velocidade de 22 km/h (aproximadamente 6,0 m/s). Considere que o barco e o velejador tenham, juntos, 200 kg. Qual é a força horizontal que o vento faz sobre o barco? (YOUNG et al ., 2016). Figura 1.11 - Barco deslizando horizontalmente em uma superfície sem atrito e sob a ação de uma força constante Fonte: Young et al. (2016, p. 151). 15/03/22, 21:11 Ead.br https://student.ulife.com.br/ContentPlayer/Index?lc=45pSpcBrvR0K8%2fkVB8IH6A%3d%3d&l=pCwEaffGsxPCxK9CoUADcg%3d%3d&cd=NW… 31/41 Analisando as forças que atuam sobre o barco, obtemos a seguinte equação para as forças horizontais: . Já para as forças verticais: , logo, . Desse modo, devemos nos preocupar apenas com as forças que agem horizontalmente no barco, visto que não há movimento vertical. A �m de encontrar a aceleração horizontal do barco, utilizamos a função horária das velocidades para o Movimento Retilíneo Uniformemente Variado (MRUV): , onde é a velocidade �nal do barco, medida em m/s; é a velocidade inicial do barco, medida em m/s; é a aceleração desenvolvida pelo barco, medida em m/s²; é o tempo no qual o barco vai de até Então, obtemos que a aceleração impressa ao barco é de 1,5 m/s². Por �m, substituímos os valores da massa do barco e do velejador juntos e da aceleração na equação da segunda lei de Newton e obtemos que o valor da força horizontal aplicada sobre o barco é igual a 300 N. A Terceira Lei de Newton “Uma maçã está em repouso sobre uma mesa. Quais forças atuam sobre ela? Quais forças de ação e de reação atuam sobre ela? Quais os pares de ação em reação?” (YOUNG et al ., 2016, p. 130). = mFx ax = n + (−mg) = 0Fy n = mg = + tvx v0x ax vx v0x ax t v0x vx 15/03/22, 21:11 Ead.br https://student.ulife.com.br/ContentPlayer/Index?lc=45pSpcBrvR0K8%2fkVB8IH6A%3d%3d&l=pCwEaffGsxPCxK9CoUADcg%3d%3d&cd=NW… 32/41 A �gura a seguir ilustra o que acabou de ser dito: Figura 1.12 - Forças sobre a maçã Fonte: Young et al. (2016, p. 130). As forças que atuam sobre a maçã são: seu peso (que é devido à força da Terra sobre a maçã), exercida de cima para baixo, e a força normal (que é a devida à força da mesa sobre a maçã), exercida de baixo para cima. Os pares de ação e reação que atuam sobre a maçã são: a Terra puxando a maçã para baixo (ação) e a maçã puxando a Terra para cima (reação) em igual intensidade, porém em sentidos opostos. ti 15/03/22, 21:11 Ead.br https://student.ulife.com.br/ContentPlayer/Index?lc=45pSpcBrvR0K8%2fkVB8IH6A%3d%3d&l=pCwEaffGsxPCxK9CoUADcg%3d%3d&cd=NW… 33/41 praticar Vamos Praticar Suponha que você está dirigindo seu carro em uma estrada rural perfeitamente horizontal e você e seu carro estão a uma velocidade constante, quando um mosquito se espatifa no seu para-brisa. Assinale qual força possui módulo maior: a) A força que o carro faz no mosquito. b) A força que o mosquito faz no carro. c) A força que o para-brisa faz sobre o carro. d) Não é possível inferir nada sobre as forças. e) Ambas possuem o mesmo módulo. 15/03/22, 21:11 Ead.br https://student.ulife.com.br/ContentPlayer/Index?lc=45pSpcBrvR0K8%2fkVB8IH6A%3d%3d&l=pCwEaffGsxPCxK9CoUADcg%3d%3d&cd=NW… 34/41 indicações Material Complementar 15/03/22, 21:11 Ead.br https://student.ulife.com.br/ContentPlayer/Index?lc=45pSpcBrvR0K8%2fkVB8IH6A%3d%3d&l=pCwEaffGsxPCxK9CoUADcg%3d%3d&cd=NW… 35/41 LIVRO Uma nova Física Editora : Perspectiva Autor : André Koch Torres Assis ISBN : 978-8527301992 Comentário : Nessa obra, o físico brasileiro André Koch Torres Assis busca desconstruir a visão da Mecânica que grande parte das pessoas têm atualmente. O livro é facilmente encontrado em sebos on-line . FILME Gravidade Ano : 2013 Comentário : O �lme de Alfonso Cuarón retrata um acidente na Estação Espacial Internacional, no qual Matt Kowalski (George Clooney) e Ryan Stone (Sandra Bullock) são deixados à deriva no espaço sideral. Para sobreviver ao acidente, os astronautas acabam utilizando diversos 15/03/22, 21:11 Ead.br https://student.ulife.com.br/ContentPlayer/Index?lc=45pSpcBrvR0K8%2fkVB8IH6A%3d%3d&l=pCwEaffGsxPCxK9CoUADcg%3d%3d&cd=NW… 36/41 conceitos de Física discutidos nesta unidade. Porém, é preciso tomar cuidado com relação a algumas licenças poéticas do �lme. TRA ILER 15/03/22, 21:11 Ead.br https://student.ulife.com.br/ContentPlayer/Index?lc=45pSpcBrvR0K8%2fkVB8IH6A%3d%3d&l=pCwEaffGsxPCxK9CoUADcg%3d%3d&cd=NW… 37/41 conclusão Conclusão Nesta unidade vimos como são vastas as aplicações das proposições newtonianas para a dinâmica. Além disso, vimos que é importante lembrar que as leis da mecânica clássica valem apenas para referenciais em repouso em relação ao movimento. Vimos como aplicar os conceitos newtonianos da mecânica em diversos casos. Além disso, vimos também como o coe�ciente de atrito varia conforme mudamos os materiais que estão em contato mútuo. As leis de Newton são um dos pilares da Física desde o século XVIII, dada a sua importância e como elas explicam as causas dos movimentos. Olhando ao seu redor, você consegue pensar em um exemplo de alguma coisa que não utilize nenhuma das leis de Newton em sua construção? 15/03/22, 21:11 Ead.br https://student.ulife.com.br/ContentPlayer/Index?lc=45pSpcBrvR0K8%2fkVB8IH6A%3d%3d&l=pCwEaffGsxPCxK9CoUADcg%3d%3d&cd=NW… 38/41 referências Referências Bibliográ�cas ASSIS, A. K. T. Mecânica Relacional . Campinas: Editora do Centro de Lógica e Epistemologia, 1998. GARDELLI, D. A origem da inércia. Caderno Brasileiro de Ensino de Física , Florianópolis, v. 16, n. 1, p. 43-53, jan. 1999. Disponível em: https://periodicos.ufsc.br/index.php/�sica/article/view/6875/6335 . Acesso em: 3 jan. 2020. NEWTON, I. Principia . Princípios Matemáticos de Filoso�a Natural - Livro I. São Paulo: Edusp, 2012. NUSSENZVEIG, H. M. Curso de Física Básica : Mecânica. São Paulo: Edgard Blucher, 2002.YOUNG, H. D. et al. Física I : Mecânica. São Paulo: Pearson, 2016. https://periodicos.ufsc.br/index.php/fisica/article/view/6875/6335 15/03/22, 21:11 Ead.br https://student.ulife.com.br/ContentPlayer/Index?lc=45pSpcBrvR0K8%2fkVB8IH6A%3d%3d&l=pCwEaffGsxPCxK9CoUADcg%3d%3d&cd=NW… 39/41 15/03/22, 21:11 Ead.br https://student.ulife.com.br/ContentPlayer/Index?lc=45pSpcBrvR0K8%2fkVB8IH6A%3d%3d&l=pCwEaffGsxPCxK9CoUADcg%3d%3d&cd=NW… 40/41 15/03/22, 21:11 Ead.br https://student.ulife.com.br/ContentPlayer/Index?lc=45pSpcBrvR0K8%2fkVB8IH6A%3d%3d&l=pCwEaffGsxPCxK9CoUADcg%3d%3d&cd=NW… 41/41
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