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Física I A TERCEIRA LEI DE NEWTON 1 Sumário Introdução ............................................................................................................................................................. 2 Objetivo ................................................................................................................................................................. 2 1. Aspectos Introdutórios da 3ª Lei de Newton .............................................................................................. 2 2. Aplicações Envonvendo a Ação e Reação ................................................................................................... 4 Exercícios .............................................................................................................................................................. 5 Resumo ................................................................................................................................................................. 8 2 Introdução É muito provável que você de alguma forma já ouviu falar ou até mesmo passou por alguma situação envolvendo a terceira lei de Newton. Num primeiro momento, podemos associar a terceira lei de Newton à resposta a indagação que envolve “A toda força de ação necessariamente temos uma força de reação?” Essa lei é conhecida na literatura como Princípio da Ação e Reação. Seguindo ainda essa argumentação, seria de mesma intensidade e direção? E o sentido? Situações rotineiras do nosso dia a dia podem ser interpretadas e respondidas com base nessa terceira lei de Newton. Salienta-se que essa seria a última lei do conjunto conhecido como as leis de Newton para a mecânica clássica. Nessa apostila estaremos interessados na descrição da terceira lei de Newton e suas principais propriedades, bem como o de apresentar aplicações envolvendo tal lei. Vamos lá? Objetivo • Conhecer a terceira lei de Newton. • Compreender a importância da terceira lei de Newton em situações cotidianas do ser humano. 1. Aspectos Introdutórios da 3ª Lei de Newton Com relação às duas primeiras leis de Newton, vimos que as mesmas descrevem o comportamento de uma partícula quando submetida à ação de forças. A 3ª Lei de Newton, rotineiramente chamada de Princípio da Ação e Reação, averigua a troca dessas forças entre a partícula e os corpos que interagem com ela. Proposto por Isaac Newton constitui também um dos alicerces fundamentais da mecânica clássica. Formalmente, o Princípio da Ação e Reação fundamenta a terceira Lei de Newton e pode ser visualizado como: Se um corpo A aplicar uma força sobre um corpo B, o corpo A receberá do corpo B, uma força de mesma intensidade, mesma direção e sentido oposto à força que aplicou em B. Observe a figura a seguir. 3 Claramente percebemos que a força que o corpo A exerce em B (F) e a correspondente força que B exerce em A (FBA) constituem o par ação-reação dessa interação. Logicamente, escrevemos:𝐹𝐴𝐵⃗⃗ ⃗⃗ ⃗⃗ = – 𝐹𝐵𝐴⃗⃗ ⃗⃗ ⃗⃗ . EXEMPLO Aqui devemos parar um pouco e refletir sobre duas considerações relevantes a serem comentados, que são: O cinto de segurança é um equipamento de utilização obrigatória para todos os ocupantes de um carro, pois ele tem contribuído para evitar acidentes diversos. Com base nas três Leis de Newton, julgue as afirmativas seguintes relacionadas ao uso do cinto de segurança. I. De acordo com a 2ª Lei de Newton, o cinto de segurança, de massa m, exerce sobre o corpo de um ocupante do veículo uma força dada por F = m · a, no sentido contrário ao movimento do veículo. II. O cinto de segurança é um dispositivo usado para neutralizar a Lei da inércia, evitando que os ocupantes do veículo continuem deslocando-se para frente, quando o carro diminui sua velocidade bruscamente. III. O cinto de segurança funciona com base na 3ª Lei de Newton, pois o veículo exerce uma força no cinto e ele reage, aplicando na pessoa uma força igual e de sentido contrário. Assim, temos que: I. Incorreta. Não é a massa do cinto de segurança. II. Correta. III. Incorreta. As forças citadas não formam um par ação- reação. 4 1º - As duas forças do par ação e reação, possuem sempre a mesma natureza, ou seja, se uma for de atração gravitacional, a outra também será; se uma for força de contato, perpendicular à superfície, N, a outra também será de contato e normal à superfície, e assim sucessivamente, sempre com mesma intensidade, mesma direção, mas sentidos opostos. 2º - As forças de ação e reação sempre estão aplicadas em corpos diferentes, ou seja, nunca a ação e a reação aparecem no mesmo ponto material, de forma que em nenhum momento poderão encontrar o equilíbrio. De outro modo, embora o nome ”ação e reação” possa sugerir que uma anteceda a outra, a interação é sempre concomitante. SAIBA MAIS! . 2. Aplicações Envonvendo a Ação e Reação Deve ficar evidente que toda força que um ponto material recebe é reação de uma força que ele aplicou. Assim sendo, se inserirmos o corpo numa situação na qual ele não pode de forma alguma aplicar forças, não poderá receber também a ação de forças. Você saberia exemplificar onde podemos visualizar a 3ª Lei de Newton sendo aplicada? Em verdade, quando caminhamos, quando voamos de avião, são situações que comparecem o Princípio da Ação e Reação, conforme veremos agora. Vamos verificar? Quando um indivíduo inicia uma caminhada, recebe uma força que o impulsiona para frente e o retira da posição de repouso, colocando-o em movimento. Essa força é recebida pelo indivíduo, já que no ato de caminhar ele empurra o chão para trás com o pé e, por consequência, recebe no mesmo momento a reação, para frente. A toda ação corresponde uma reação de mesma intensidade e sentido oposto. Nesse contexto, algumas indagações poderiam surgir, como por exemplo: Qual dessas forças é a ação? E qual das forças é a reação? O que podemos afirmar é que não é necessário diferenciar qual é a ação e qual seria a reação. O ponto chave inserido no princípio é que as forças se manifestam de modo simultâneo e aos pares: não existe ação sem reação. 5 É interessante comentarmos de forma adicional, que se o piso sobre o qual o indivíduo se encontra é polido a ponto de não permitir a troca de ações tangenciais, aqui podemos citar como exemplo a superfície congelada de uma mina ou lago, seu pé não consegue empurrar o chão para trás e, por conseguinte, ele não consegue caminhar, já que não recebe a reação para frente. Por outro lado, temos que a 3ª Lei de Newton justifica o mecanismo de funcionamento das hélices de aviões ou de lanchas, já que as mesmas empurram para trás o fluido, ar ou água, respectivamente, e recebem a reação para frente, que impulsiona o avião ou lancha em questão. Assim, podemos notar que por conta disso nenhum veículo movido por hélices poderia funcionar no vácuo, já que no espaço vazio não temos fluido para receber a ação e fornecer a reação, logo a hélice ficaria girando continuamente em falso e o veículo não poderia serimpulsionado. Analisando um pouco mais tal contextualização, você poderia indagar, de que forma o foguete de uma espaçonave consegue impulsioná-la no vácuo? A resposta para tal inquietação, é que a espaçonave é impulsionada no vácuo por um mecanismo fundamentado na 3ª Lei de Newton. Em verdade, o motor da espaçonave aplica no combustível uma força para trás, expulsando-o com grande velocidade e, por consequência, pelo Princípio da Ação e Reação, o combustível aplica ao motor uma força no sentido contrário, impulsionando assim a espaçonave para frente. SAIBAMAIS! Exercícios 1- (Autor, 2019) O bloco 1, de 4 kg, e o bloco 2, de 1 kg, representados graficamente na figura a seguir, estão justapostos e apoiados sobre uma superfície plana e horizontal. Eles são acelerados pela força horizontal F, de valor absoluto equivalente a 10 N, aplicada ao bloco 1 e passam a deslizar sobre a superfície com atrito sendo considerado desprezível. Como seriam as manobras de uma espaçonave em movimentos curvos? Grosso modo, quando a espaçonave necessita receber forças laterais para manobrar, por exemplo, numa curva, ela se utiliza de pequenos motores complementares que expulsam combustível ou ar comprimido em outras direções. 6 A disposição geométrica do problema. Desta forma, pede-se: a) Determinar a direção e o sentido da força F1,2 exercida pelo bloco 1 sobre o bloco 2 e caracterize o valor de seu módulo. b) Determinar a direção e o sentido da força F2,1 exercida pelo bloco 2 sobre o bloco 1 e characterize o valor de seu módulo. Poderia colocar um item primeiramente pedindo a aceleração do conjunto. 2- (Autor, 2019) Uma locomotiva puxa 3 vagões de carga com uma aceleração de 2,0 m/s2, conforme é mostrado na figura a seguir. Cada vagão tem 10 toneladas de massa. Qual a tensão na barra de engate entre o primeiro e o segundo vagões, em unidades de 103 N? (Despreze o atrito com os trilhos). A disposição geométrica do problema. 3- (Alves 2019) Os corpos A e B situam-se apoiados sobre uma superfície horizontal plana completamente lisa. Uma força de intensidade igual a 40 N é aplicada em A conforme visualizamos na figura abaixo. Dados mA=2 kg e mB= 8 kg, pede-se: a) O valor da aceleração dos corpos A e B. b) O valor do modulo da força que A exerce em B. 7 A disposição geométrica do problema. Se trocar a ordem dos exercícios 2 e 3 fica melhor (em ordem crescente de dificuldade) Gabarito 1- Com base na 3ª Lei de Newton, podemos verificar a disposição das forças associadas conforme mostramos na figura a seguir. A disposição gráfica das forças que agem nos corpos. Desta maneira, podemos escrever que: Corpo 1: F – F2,1 = m1. a Corpo 2: F1,2 = m2. a Somando as duas equações F = (m1 + m2).a 10 = (4 + 1).a 10 = 5.a a = 2 m/s² Além disso, como: F1,2 = F2,1 = m2.a Vem que, F1,2 = 1.2 F1,2 = 2 N E, portanto: a) Para a força F1,2: Módulo: 2 N, Direção: Horizontal e Sentido: da esquerda para a direita. b) Para a força F2,1: Módulo: 2 N, Direção: Horizontal e Sentido: da direita para a esquerda. 2- Primeiramente vejamos a interpretação das forças que agem nos vagões conforme figura a seguir. 8 A disposição gráfica das forças que agem nos corpos. Assim sendo, podemos escrever que: F – T1 = m1. a T1 – T2 = m2. a T2 = m3. a Logo, a resultante é dada por: lembrar que potência de 10 vem de toneladas F = (m1 + m2 + m3).a F = (10.10³ + 10.10³ + 10.10³).2 F = (30. 10³).2 F = 60.10³ N = 60 000 N Além disso, percebemos que a tensão na barra que liga os corpos (1) e (2) é igual a: F – T1 = m1. a F – m1. a = T1 60000 – 10000.(2) = T1 T1 = 40000 N = 40.10³ N 3- Neste caso, temos que: a) Para determinar a aceleração utlizaremos a formulação: evitar colocar uma fórmula pronta e mostrar como chegou a ela 2 BA s/m4a 82 40 a mm F a = + = + = b) A força que A exerce em B é dada pela reação do corpo B em A. N32F 48F amF = = = Resumo Como as forças podem descrever a interação entre objetos? Em verdade, vimos que elas sempre serão representadas por pares, com características próprias, 9 de forma que ambos os objetos fiquem sujeitos a uma das forças do par, ao qual chamamos de ação e reação. Assim sendo, nesta apostila discutimos nas entrelinhas a terceira Lei de Newton que descreve a força de ação e reação envolvendo dois corpos distintos ligados entre si. Grosso modo, tal lei afirma que “se um corpo A aplicar uma força sobre um corpo B, o corpo A receberá do corpo B, uma força de mesma intensidade, mesma direção e sentido oposto à força que aplicou em B”. Popularmente falando, dizemos que a toda força de ação corresponde prontamente uma força de reação. Note sem grandes dificuldades, que em diversos momentos você já deve ter se deparado com situações usuais que demandam da terceira lei de Newton para serem devidamente interpretadas. É importante salientarmos de modo adicional que o funcionamento das hélices de aviões e foguetes, são devidamente justificadas pela terceira Lei de Newton ou Princípio da Ação e Reação. 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 TIPLER, Paul A. Física para cientistas e engenheiros: Volume 1: mecânica, oscilações e ondas, termodinâmica.. Rio de Janeiro: LTC, 1995. v. 1. YOUNG, Hugh D.. Física 1. São Paulo: Addison Wesley, 2008. Referências imagéticas FIGURA 2. https://delinea.deduca.com.br/mediabank/8700 - Acessado em: 11/05/2019 às 17h39. FIGURA 3. https://delinea.deduca.com.br/mediabank/4601- Acessado em: 12/05/2019 às 17h39. FIGURA 4. https://delinea.deduca.com.br/mediabank/7070- Acessado em: 12/05/2019 às 17h39. www.fisicaaplicada.com.br – Acessado em 06/03/2019 às 09h50- Acessado em: 16/03/2019 às 18h23.
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