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Física I MASSA E PESO 1 Sumário Objetivos ............................................................................................................................................................... 2 1. Conhecendo a Força Especial Peso............................................................................................................. 2 2. Diferenciando Massa e Peso ....................................................................................................................... 3 3. Unidades Usuais da Massa .......................................................................................................................... 4 4. Quadro Comparativo entre Massa e Peso .................................................................................................. 6 5. Interpretação da Queda Livre no Vácuo ..................................................................................................... 7 Exercícios .............................................................................................................................................................. 7 Gabarito ................................................................................................................................................................ 8 Resumo ................................................................................................................................................................. 9 2 Introdução Uma das confusões mais frequentes que encontramos no nosso cotidiano é quando ponderamos em “O meu peso é igual a 70 kg.” Ou seria “A minha massa corporal é igual a 70 kg.”. Desta forma, qual seria a colocação correta a respeito de tal fato? Para respondermos tal contexto, se faz necessário a distinção entre os termos massa e peso. Em verdade, num primeiro momento descrevemos o peso como uma força enquanto a massa é uma medida da quantidade de matéria. Em outras palavras, isso já nos mostra que peso é uma grandeza vetorial enquanto a massa é uma grandeza escalar. Nessa apostila, estaremos interessados em descrever a distinção formal entre os termos peso e massa, bem como apresentar algumas unidades de descrição da massa e interpretar a ideia de corpo livre no vácuo. Vácuo pode ser entendido como o lugar no espaço com ausência de matéria. Assim sendo, convido todos vocês a essa descrição envolvendo a massa e o peso? Vamos lá? Objetivos • Diferenciar os conceitos de massa e peso. • Identificar as principais propriedades envolvendo a força peso. 1. Conhecendo a Força Especial Peso Como é sabido da mecânica dos movimentos ou da cinemática, todo objeto situado próximo à superfície da Terra é atraído por ela e ganha uma aceleração cujo valor é independente da massa do objeto em questão, chamada por aceleração da gravidade e, denotada pela simbologia g. É interessante pontuarmos que se um objeto ganha certa aceleração, isso nos diz que sobre ele agiu uma determinada força. No caso, falamos que a Terra atrai o objeto e, denominaremos de peso do objeto a força com que ele é atraído pela Terra. Assim sendo, podemos escrever a relação matemática: P = m . g Onde: P: peso do objeto. m: massa do objeto. 3 g: aceleração da gravidade. Observe a figura a seguir. Interpretação da força especial – força peso. Em termos práticos, especificamente envolvendo cálculos algébricos, é frequente utilizarmos o valor equivalente a 9,8 m/s² para o valor da intensidade da aceleração gravitacional (g) próximo da superfície terrestre. Agora, vamos diferenciar nas entrelinhas os termos massa e peso como segue. Vamos lá? 2. Diferenciando Massa e Peso É muito comum frequentarmos farmácias ou drogarias, com o intuito de nos “pesarmos”. Em outras palavras, falamos frequentemente: Qual seria o meu peso?Estou muito gordo ou muito magro por conta desse peso? Esse tipo de descrição será que está correta e coerente? É certo falarmos “meu peso ideal é 60 kg”?Ou ainda, “eu peso 65 quilogramas”? Vamos averiguar? Em verdade, nos dias atuais, é bastante frequente notarmos um indivíduo usar o verbo “pesar” quando na verdade está se referindo a mensuaração de sua massa corporal (em kg) por intermédio de uma balança. Grosso modo, esse erro de conceito, já evidenciado há muito tempo e falado pelas pessoas no dia a dia, pode ser justificado a partir de duas razões primordiais, que são: 4 ▪ As balanças usuais do nosso convívio mensuram a massa de um indivíduo através do seu peso aparente, que descrevemos pela relação matemática m = 𝑃 𝑔 , onde m denota a massa, P a força peso e g a aceleração da gravidade. É importante ressaltarmos que os dinamômetros são os medidores de força que são adaptados como balança. ▪ Uma unidade de força chamada quilograma-força (kgf), usada nos tempos antigos, relacionava o valor numérico do peso de um objeto na Terra ao valor numérico de sua massa, ou ainda, um objeto de massa equivalente a 1 kg pesava, na Terra, 1 kgf (1 quilograma-força). Logicamente, um indivíduo com massa equivalente a 60 kg, possuíria peso igual a 60 kgf. Note que tal abordagem, facilmente propiciava a confusão dos dizeres envolvendo massa e peso. SAIBA MAIS! Portanto, devemos pensar que o peso de um objeto na verdade é a força com que a Terra (o outro astro) o atrai e que tem direção vertical e sentido para baixo. 3. Unidades Usuais da Massa Definimos massa como a magnitude física que nos permite descrever a quantidade de matéria presente em determinado corpo ou objeto. Assim sendo, em aspectos mercadológicos a unidade de medida utilizada é o grama, denotado por (g), com seus respectivos múltiplos e submúltiplos, em especial, o kg (quilograma) e o mg (miligrama). Deve ficar claro que as grandezas massa e peso, se relacionam por intermédio da aceleração da gravidade do local onde o objeto se encontra, ou seja, pela expressão matemática P = m.g. Salientamos ainda, que a aceleração da gravidade g, é uma particularidade do astro, enquanto a massa é particularidade do objeto. Logo, um objeto de massa m terá um peso equivalente a P, se estiver perto da superfície da Terra, e um peso aproximado P’ = P/6 se for deslocado para a Lua, por exemplo, que tem cerca de 1/6 da aceleração da gravidade da Terra. 5 Salientamos ainda, que na abordagem de teores envovlendo é muito frequente utilizarmos o micrograma (µg). Além disso, de forma curiosa citamos que em hipermercados norte americanos são usadas as unidades libras e que medidas em onça (oz) começam a serem vistas em produtos com tabelas nutricionais bilíngues. O quadro a seguir, nos mostra os principais múltiplos do grama e suas respectivas conversões. Múltiplos do grama Conversão para o grama Quilograma (kg) 1 kg = 1000 g Hectograma (hg) 1 hg = 100 g Decagrama (dag) 1 dag = 10 g Fote: Elaborado pelo autor, 2019. Já o próximo quadro nos mostra os principais submúltiplos do grama e suas respectivas conversões. Submúltiplos do grama Conversão para o grama Decigrama (dg) 1 dg = 0,1 g Centigrama (cg) 1 cg = 0,01 g Miligrama (mg) 1 mg = 0,001 g Micrograma (µg ou mcg) 1 µg = 0,000001 g Fote: Elaborado pelo autor, 2019. FIQUE ATENTO!Notemos que peso é uma força que leva em consideração a aceleração da gravidade. Portanto, ao falarmos em peso igual a, por exemplo, 80 kg (oitenta quilogramas), é INCORRETO, embora seja extremamente comum. O correto é falarmos em massa corporal de 80 kg. Logo, olhando para o Planeta Terra, para essa massa, teríamos um peso aproximadamente de 800 N ou 80 kgf (quilogramas-força). Logicamente, se tivermos um corpo de massa m kg teria peso P = m · 10 N melhor não escrever a fórmula com o valor da gravidade já definido, principalmente sem especificar que a massa está na Terra. Ilustrando, um corpo de massa 2,0 kg pesa 20 N. . 6 4. Quadro Comparativo entre Massa e Peso Já vimos que é de fundamental importância o entendimento sobre massa e peso e, principalmente, a distinção entre tais termos. Assim sendo, no quadro a seguir pontuamos as principais características de cada um deles, para que possamos reforçar a diferenciação entre os mesmos. Massa Peso Massa é a medida da quantidade de matéria . Peso é a força com que a Terra ou outro astro atrai o objeto. Característica específica do corpo e não da localidade. Característica específica do corpo e da localidade. Unidade no Sistema Internacional (SI): quilograma (kg). Unidade no Sistema Internacional (SI): newton (N). Instrumento de mensuração: balança. Instrumento de mensuração: dinamômetro. Grandeza Escalar Grandeza Vetorial (P) Intensidade: P = m.g Direrção: vertical Sentido: para baixo Fote: Elaborado pelo autor, 2019. Com as informações ponderadas no quadro anterior, você tem as principais informações sintetizadas com o objetivo de diferenciar sem dificuldades, os termos massa e peso. SAIBA MAIS! O campo gravitacional (g) em um ponto qualquer representa a constante de proporcionalidade entre o peso de um objeto no ponto considerado e a massa. Deve ficar evidente, que g não depende nem do peso e nem da massa do objeto, mas apenas do ponto considerado. 7 5. Interpretação da Queda Livre no Vácuo Você saberia descrever o significado da terminologia vácuo? Já escutou ou disse expressões do tipo: Acelera que estou no seu vácuo? Vamos entender essa conceituação? Vamos lá? Definimos vácuo como sendo a região do espaço que não possui matéria alguma. Desta forma, um corpo em queda livre no vácuo está sujeito unicamente a força peso. Nessas condições, a resultante das forças ( R ) que agem sobre o corpo é exatamente a força peso. Matematicamente falando, podemos escrever que: 𝑅 ⃗⃗ ⃗= 𝑃 ⃗⃗ ⃗, para um corpo em queda livre. Desmembrando um pouco mais tal relação, podemos concluir que um corpo em queda livre no vácuo, ganha uma aceleração constante, vertical, para baixo, chamada aceleração da gravidade, em valor absoluto igual ao campo gravitacional local e que também não depende da massa do objeto em questão. Exercícios 1. (Adaptado de Young, 2008) Na década de 70, mais precisamente no ano de 1971, no final da última caminhada na superfície da Lua, o comandante do ônibus espacial Apollo 15, o astronauta David Scott, realizou uma aparição ao vivo para as câmeras de TV norte americana, deixando cair dois objetos de forma simultânea: uma pena de falcão de 0,03 kg e um martelo de alumínio de 1,32 kg. Desta maneira, ele descreveu os dizeres do experimento como segue: Olá, tudo bem? Na minha mão esquerda eu tenho uma pena de falcão enquanto que na minha mão destra, tenho um martelo. Há muito tempo atrás, Galileu fez uma descoberta muito significativa sobre corpos em queda situados em campos gravitacionais, e nós pensamos: que lugar seria melhor para confirmar suas descobertas do que na Lua? Eu deixarei cair a pena e o martelo (...). Depois de largados conjuntamente e da mesma altura a pena e o martelo, Scott disse: O que percebem disso? Isso mostra que o senhor cientista Galileu estava certo em sua descoberta. Indagação: Assim, a descoberta de Galileu, ratificada pelo astronauta David Scott na superfície da Lua, foi de que? a) ( )Na Lua não existe a gravidade e, então, a pena e o martelo flutuaram. b) ( )Em queda livre, um corpo mais pesado (martelo) chega ao solo em menos tempo do que um mais leve (pena). 8 c) ( )Ambos os corpos chegam conjuntamente ao solo, pois como a gravidade lunar pode ser desprezada, não importa qual corpo tem maior massa. d) ( ) Na ausência de resistência do ar, o objeto mais pesado (martelo) chega primeiro ao solo, pois a gravidade de um planeta é diretamente proporcional à massa do corpo que cai. e) ( ) Na ausência de resistência do ar, mesmo com massas distintas, eles levam o mesmo intervalo de tempo para chegar ao solo, já que caem com a mesma aceleração. 2. (Autor, 2019) Uma pedra lunar de massa 2,0 kg, encontrada por astronautas americanos do projeto Apollo A11, foi levada para a Terra. Admitindo-se que a aceleração da gravidade da Terra seja gT = 10 m/s², e a lunar, equivalente a gL = 1,6 m/s², interprete o que ocorreu com a massa e o peso da pedra, devido a essa modificação de localidade. 3. (Autor, 2019) Em termos de características com relação ao corpo e local, quais as principais diferenças que podemos apontar para a massa e o peso? Gabarito 1. Neste caso, para respondermos a situação curiosa, devemos observar primeiramente que livres da resistência do ar, a força que acelera os corpos é a força peso, P = m · g, de modo que Pmartelo≠ Ppena, mas a aceleração dos dois é a mesma. Assim sendo, a resposta correta é a letra (E). Vale lembrar que o experimento não tem a ver com a aceleração da gravidade da lua, mas sim com o fato de podermos considerar que não tem atmosfera na Lua, logo a experiência é realizada no vácuo (ou pelo menos próximo disso). 2. Aqui devemos notar inicialmente que a massa da pedra independe da localidade. Desta forma, ao chegar à Terra, a sua massa continua sendo 2,0 kg. O peso da pedra, aqui na Terra, é maior (a aceleração da gravidade terrestre é mais intensa do que a lunar), ou seja, podemos escrever que: PL = m · gL = 2,0 · 1,6 ⇒ PL = 3,2 N PT = m · gT = 2,0 · 10 ⇒ PT = 20 N Logo, observamos que o peso da pedra aqui na Terra é mais de seis vezes o valor de seu peso lunar, ou ainda, que o peso da pedra cresceu. 3. De acordo com os procedimentos teóricos abordados, temos que a massa de um corpo é uma característica do corpo e não da localidade, enquanto o peso é uma característica do corpo e também do local. 9 Resumo Nesta apostila vimos os principais pontos que diferenciam dois termos bastante usados e importantes do nosso cotidiano. Distinguimos de maneira formal a massa e o peso. É importante frisarmos mais uma vez, que não é correto afirmarmos que o meu peso, por exemplo, seria de 75 kg e, sim, que a minha massa corporal equivale a 75 kg. Desta maneira, temos que o peso nada mais é do que a força com que a Terra ou outro astro atrai o objeto, enquanto a massa é uma medida da quantidade de matéria e da dificuldade do corpo em ser acelerado. Observe então, que a massa é uma grandeza escalar e o peso é uma grandeza vetorial. Além disso, a massa é uma característica específica do corpo e não da localidade e o peso é uma característica específica do corpo e da localidade. De outra forma, a massa é mensurada através das balanças usuais (por exemplo, o que encontramos em farmácias e hospitais), enquanto o peso é caracterizado pelo dinamômetro. A unidade de massa no SI é o quilograma (kg), para o pesoé o Newton (N). 10 Referências bibliográficas ALONSO, Marcelo; FINN, Edward. Física: um curso universitário.São Paulo: Edgard Blucher, 2009. Vol. – 1 CAMPOS, Agostinho Aurélio; ALVES, Elmo Salomão; SPEZIALI, Nivaldo L.. Física experimental básica na universidade. 2. ed.. Belo Horizonte: UFMG, 2008. NUSSENZVEIG, H. M. Curso de Física Básica. 4ª ed. São Paulo: Edgard Blucher, 2002. Vol. 1 RESNICK, Robert; HALLIDAY, David; KRANE, Kenneth.. Física 1. 5. ed.. Rio de Janeiro: LTC, 2008. v. 1 YOUNG, Hugh D.. Física 1. São Paulo: Addison Wesley, 2008. Referências imagéticas www.fisicaaplicada.com.br – Acessado em 06/03/2019 às 09h50.
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