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DATA: NOME: Leis de Newton Introdução Vivemos em um Universo em movimento. Galáxias se movem; o mesmo acontece com estrelas, planetas etc. Uma pedra em queda, uma pessoa caminhando ou um elétron se movimentando no interior de um acelerador de partículas são situações de movimento que exigem análise e compreensão. A Dinâmica é a parte da Mecânica que estuda os sistemas em movimento ou repouso, estabelecendo as relações existentes entre suas causas e seus efeitos. Nessa parte da Física, aparecem as leis que regem os movimentos, envolvendo os conceitos de massa, força e energia, entre outros. Em nosso estudo, abordaremos a chamada Mecânica Clássica, que é baseada nos pensamentos de Galileu e Newton. Os movimentos fascinam o espírito indagador humano desde os mais remotos tempos. Muitos pensadores formularam hipóteses na tentativa de explicá-los. O filósofo grego Aristóteles apresentou teorias que vigoraram por muitos séculos, pois se adequavam ao pensamento religioso da época. Posteriormente, entretanto, suas ideias foram em grande parte refutadas por Galileu Galilei. Depois deste, seguiram-se Isaac Newton e Albert Einstein, que deram sustentação matemática às teorias já existentes e ampliaram o conhecimento sobre os movimentos. Força Na Cinemática, estudamos diversas situações em que a aceleração vetorial não é nula, ou seja, as partículas movimentam-se com velocidade vetorial variável. É o que acontece, por exemplo, nos movimentos acelerados, em que há aumento do módulo da velocidade no decorrer do tempo. Entretanto, esses movimentos de aceleração não nula foram apresentados sem que fosse feita uma pergunta fundamental: quem é o agente físico causador da aceleração? E a resposta aqui está: é a força. Força é o agente físico capaz de produzir deformações (efeitos estáticos) e/ou acelerações (efeitos dinâmicos) nos corpos em que atua, por contato (força de contato) ou a distância (força de campo). Os efeitos físicos de uma força (ou de um conjunto de forças) atuando sobre um corpo (ou um sistema de corpos), estudados na Dinâmica, podem ser de dois tipos: estático ou dinâmico. O efeito estático é a deformação (alteração de dimensão e/ou de formato) de um corpo, produzida sob a ação de uma força ou de um conjunto de forças. O efeito dinâmico é a aceleração produzida por uma força ou conjunto de forças, que, ao atuar sobre um corpo, modifica a sua velocidade vetorial (em módulo, direção e/ou sentido). Leis de Newton Leis de Newton é uma expressão designada às três leis que possibilitam e constituem a base primária para compreensão dos comportamentos estático e dinâmico dos corpos materiais, em escalas quer celeste quer terrestre. As três leis foram formuladas pelo físico inglês Isaac Newton ainda no século XVII e encontram-se primariamente publicadas em seu livro Philosophiae Naturalis Principia Mathematica. Em essência, as leis estabelecem inicialmente os observadores (referenciais) que podem corretamente usá-las, a fim de explicar a estática e a dinâmica dos corpos em observação (as leis valem em referenciais inerciais); e assumindo estes referenciais por padrão, passam então a mensurar as interações físicas entre dois (ou, via princípio da superposição, entre todos os) corpos materiais bem como o resultado destas interações sobre o repouso ou o movimento de tais corpos. A interação entre dois corpos, à parte sua natureza física, é mensurada mediante o conceito de força; e o resultado físico da interação sobre cada corpo é fisicamente interpretado como resultado da ação desta força: em essência, as forças representam interações entre pares de corpos, e são responsáveis pelas acelerações, ou seja, pelas mudanças nas velocidades dos corpos nos quais atuam. Corpos distintos usualmente respondem de formas distintas a uma dada força, e para caracterizar essa resposta define-se para cada corpo uma massa. As leis de Newton definem-se sobre uma estrutura vetorial, contudo essas leis foram expressas nas mais diferentes formas nos últimos três séculos, incluso via formulações de natureza essencialmente escalar. As formulações de Hamilton e de Lagrange da mecânica clássica; embora em nada acrescentem em termos de fundamentos às leis de Newton, expressam os mesmos princípios de forma muito mais prática a certos problemas, embora representem a primeira vista complicações frente aos problemas mais simples usualmente encontrados em seções que visam a explicar as leis de Newton. Newton não apenas estabeleceu as leis da mecânica como também estabeleceu a lei para uma das interações fundamentais, a lei da Gravitação Universal, e ainda construiu todo o arcabouço matemático necessário - o cálculo diferencial e integral - para que hoje se pudessem projetar e pragmaticamente construir desde edifícios até aviões, desde sistemas mais eficientes de freios automotivos até satélites em órbita. O mundo hoje mostra- se inconcebível sem a compreensão que vem à luz via leis 2 Leis de Newton de Newton. Isaac Newton publicou estas leis em 1687, no seu trabalho de três volumes intitulado Philosophiae Naturalis Principia Mathematica. As leis expressam os princípios relacionados à dinâmica da matéria, ou seja, à estática ou movimento de objetos físicos. Newton, usando as três leis da mecânica juntamente com a lei da gravitação universal, deduziu matematicamente as leis de Kepler, que à época, há pouco empiricamente estabelecidas, já descreviam, com precisão até hoje válida, o movimento dos orbes celestes (planetas); e por extensão de quaisquer corpos em órbita ao redor de um corpo central. Quanto à dedução, a história relata uma aposta entre Edmund Halley e alguns de seus contemporâneos. Edmund, ao procurar a ajuda de Newton para resolver o problema, surpreendeu-se quando ele afirmou que já o havia resolvido outrora, só não lembrava onde enfiara os papéis. A concordância entre as leis descobertas por Kepler e as por Newton propostas representou uma significativa corroboração tanto à teoria heliocêntrica como à gravitação universal. A teoria mecânica que assim se consolidou - a primeira nos moldes científicos modernos - era agora capaz não apenas de descrever com precisão o movimento dos corpos tanto planetários como celestes - em pé de igualdade - como também provia uma explicação causal para tais movimentos; no caso dos corpos celestes ou mesmo da queda livre, a gravidade. Primeira lei de Newton – Lei da Inércia “Lex I: Corpus omne perseverare in statu suo quiescendi vel movendi uniformiter in directum, nisi quatenus a viribus impressis cogitur statum illum mutare.” “Lei I: Todo corpo continua em seu estado de repouso ou de movimento uniforme em uma linha reta, a menos que seja forçado a mudar aquele estado por forças aplicadas sobre ele.” Conhecida como princípio da inércia, a primeira lei de Newton afirma que: se a força resultante (o vetor soma de todas as forças que agem em um objeto) é nula, logo a velocidade do objeto é constante. Consequentemente um objeto que está em repouso ficará em repouso a não ser que uma força resultante não nula aja sobre ele, da mesma forma, um objeto que está em movimento retilíneo uniforme não mudará a sua velocidade a não ser que uma força resultante não nula aja sobre ele. Newton apresentou a primeira lei a fim de estabelecer um referencial para as leis seguintes. A primeira lei postula a existência de pelo menos um referencial, chamado referencial newtoniano ou inercial, relativo ao qual o movimento de uma partícula não submetida a forças é descrito por uma velocidade (vetorial) constante. “Em todo universo material, o movimento de uma partícula em um sistema de referência preferencial Φ é determinado pela ação de forças as quais foram varridas de todos os tempos quando e somente quando a velocidade da partícula é constante em Φ. O que significa, umapartícula inicialmente em repouso ou em movimento uniforme no sistema de referência preferencial Φ continua nesse estado a não ser que compelido por forças a mudá- lo.” As leis de Newton são válidas somente em um referencial inercial. Qualquer sistema de referência que está em movimento uniforme respeitando um sistema inercial também é um sistema referencial; o que se expressa via Invariância de Galileu ou princípio da relatividade Newtoniana. A inércia é uma propriedade geral da matéria pela qual uma partícula, livre de forças ou sujeita à ação de força resultante nula, mantém-se em equilíbrio — em repouso ou em movimento retilíneo uniforme —, mantendo sua velocidade vetorial constante. 3 Leis de Newton Segunda lei de Newton – Princípio fundamental da Dinâmica “Lex II: Mutationem motis proportionalem esse vi motrici impressae, et fieri secundum lineam rectam qua vis illa imprimitur.” “Lei II: A mudança de movimento é proporcional à força motora imprimida, e é produzida na direção de linha reta na qual aquela força é aplicada.” A segunda lei de Newton, também chamada de princípio fundamental da dinâmica, afirma que a força resultante �⃗� em uma partícula é igual à taxa temporal de variação do seu momento linear 𝑝 em um sistema de referência inercial: �⃗� = 𝑑�⃗� 𝑑𝑡 → �⃗� = 𝑑(𝑚�⃗⃗�) 𝑑𝑡 Esta lei, conforme acima apresentada, tem validade geral, contudo para sistemas onde a massa é uma constante, a massa pode ser retirada da diferencial, o que resulta na conhecida expressão: A resultante das forças que agem sobre um corpo ( RF ) provoca nesse corpo uma aceleração ( a ), diretamente proporcional à intensidade da força, na mesma direção e no mesmo sentido dessa, ou seja, a mudança do movimento é proporcional à força motriz impressa e se faz segundo a linha reta pela qual se imprime essa força. Força resultante Em geral, um corpo ou um sistema físico de corpos está sujeito à atuação de duas ou mais forças. Pode ser, por exemplo, que você precise da ajuda de um amigo para transportar uma caixa. Assim, como no caso de qualquer grandeza vetorial, pode-se fazer a soma vetorial das forças atuantes para obter a força resultante ( RF ). A obtenção da força resultante permite concluir que, se o corpo estiver parado, com aplicação de várias forças, ele sofrerá um deslocamento na direção e no sentido da força resultante. Equilíbrio Dizemos que uma partícula está em equilíbrio em relação a um dado referencial quando a resultante das forças que nela agem é nula. Há dois tipos possíveis de equilíbrio para um corpo puntiforme: • o equilíbrio estático, quando ele está em repouso em relação a um referencial, com a aceleração vetorial resultante e a velocidade nulas; • e o equilíbrio dinâmico, quando ele está em movimento em relação a um referencial, com a aceleração vetorial resultante nula e a velocidade constante e não nula. Um newton (1 N) é a intensidade da força que, aplicada em uma partícula de massa igual a 1 quilograma, produz na sua direção e no seu sentido uma aceleração de módulo 1 metro por segundo, por segundo, ou seja, 1 metro por segundo ao quadrado. Terceira Lei de Newton: o Princípio de Ação e Reação “Lex III: Actioni contrariam semper et aequalem esse reactionem: sine corporum duorum actiones in se mutuo semper esse aequales et in partes contrarias dirigi.” “Lei III: A toda ação há sempre uma reação oposta e de igual intensidade: as ações mútuas de dois corpos um sobre o outro são sempre iguais e dirigidas em sentidos opostos.” A terceira lei de Newton, ou princípio da ação e reação, diz que a força representa a interação física entre dois corpos distintos ou partes distintas de um corpo. Se um corpo A exerce uma força em um corpo B, o corpo B simultaneamente exerce uma força de mesma magnitude no corpo A — ambas as forças possuindo mesma direção, contudo sentidos contrários. Como mostrado no esquema ao lado, as forças que os patinadores exercem um sobre o outro são iguais em magnitude, mas agem em sentidos opostos, cada qual sobre um patinador. Embora as forças sejam iguais, as acelerações de ambos não o são necessariamente: quanto menor a massa do patinador maior será sua aceleração. 4 Leis de Newton As duas forças na terceira lei de Newton têm sempre a mesma natureza. A exemplo, se a rua exerce uma força ação para frente no pneu de um carro acelerando em virtude do atrito entre este pneu e o solo, então também é uma força de atrito a força reação que empurra o asfalto para trás. De forma simples: as forças na natureza aparecem sempre aos pares, e cada par é conhecido como uma par ação-reação. O par de forças ação-reação é a expressão física de uma interação entre dois entes físicos; há sempre um par de forças a agir em um par de objetos, uma força em cada objeto do par; e não há na natureza força solitária, ou seja, não há força (real) sem a sua contraparte. Simplificando podemos escrever que a toda força de ação corresponde uma de reação, de modo que essas forças têm sempre mesma intensidade, mesma direção e sentidos opostos, estando aplicadas em corpos diferentes. A B mesmo módulo F e F terão sempre mesma direção sentidos opostos É por esse motivo que uma pessoa sente dor ao bater o pé contra algo duro e resistente. Sempre que um corpo A aplicar uma força de ação ABF sobre um corpo B, este “revidará” imprimindo sobre A uma força de reação .BAF As forças de ação e reação nunca se anulam pois elas atuam em corpos distintos. Quando as forças estão atuando no mesmo corpo não constituem um par ação-reação. É relativamente comum termos questões evolvendo deslocamentos de barcos a vela impulsionados por ventiladores. Se liga! O formato da vela altera a resposta em um exercício sobre o assunto. Usando o ventilador como referência: • Se a vela for côncava, o vento refletido desloca o veículo para a frente. • Se a vela for plana, o vento desvia lateralmente de forma perpendicular, deixando o veículo em repouso. • Se a vela for convexa, o vento "não volta" e o veículo movimenta-se para trás. • Em todos os exemplos, por haver perda de energia, a velocidade final obtida é menor do que se o ventilador estivesse voltado para trás do veículo. Principais forças que atuam nos corpos Peso ou força gravitacional Todos nós estamos “sendo atraídos para o chão” por causa da existência de uma força exercida pelo campo gravitacional da Terra que nos puxa na vertical, para baixo, com a aceleração gravitacional. A força com que tudo é atraído pelo centro do planeta — ou de outros corpos celestes — denomina-se força peso ou, de forma simplificada, peso. O peso é uma força de campo que atua no campo gravitacional de um corpo celeste, que tem sempre o sentido de aproximar o objeto que está sendo atraído para o centro desse corpo. De acordo com o Princípio de Ação e Reação, para essa força peso há outra contrária a ela, a força de reação ( )P− dos corpos que são atraídos pela Terra, “querendo”, por sua vez, puxar para si o próprio planeta. O fato de somente o deslocamento do corpo ser observável se deve à enorme diferença de massas entre eles, porque, como vimos, para uma mesma força, a aceleração que decorre depende da massa de cada corpo. Um quilograma-força é uma unidade de força usada na medição da intensidade de pesos e é definida pela intensidade do peso de um corpo de 1 quilograma de 5 Leis de Newton massa, situado em um local onde a gravidade é normal. Normal ou força de contato Quando estamos de pé, ficamos em repouso porque o peso que atua sobre nós é equilibrado por uma força de mesma direção e módulo, mas de sentido oposto. Essa força é exercida pelo solo, perpendicular a ele, e de baixopara cima, sobre nós. A força de reação que o corpo recebe quando está em contato com uma superfície é denominada força normal. O termo normal, aqui, refere-se ao fato de essa força ser sempre perpendicular à superfície de apoio. Note que as reações normais são sempre perpendiculares à superfície de contato, no ponto ou na região de contato. Há outras forças agindo, em todos os casos, garantindo o equilíbrio. Força de atrito É aquela que se manifesta em um corpo que esteja em contato com uma superfície áspera, desde que o corpo esteja em movimento ou apresente tendência a entrar em movimento. Freio ABS O freio ABS (acrônimo para a expressão alemã Antiblockier-Bremssystem, embora mais frequentemente traduzido para a inglesa Anti-lock Breaking System) é um sistema de frenagem (travagem) que evita que a roda bloqueie (quando o pedal de freio é pisado fortemente) e entre em derrapagem, deixando o automóvel sem aderência à pista. Assim, evita-se o descontrole do veículo (permitindo que obstáculos sejam desviados enquanto se freia) e aproveita-se mais o atrito estático, que é maior que o atrito cinético (de deslizamento). 6 Leis de Newton Tração, tensão ou força tensora A força que é transmitida de uma extremidade à outra de um fio ou cabo é denominada de força de tração, ou simplesmente tração ou ainda tensão (T ) . Sua ação se dá sempre no sentido de puxar um corpo, no caso de um fio ideal, pois este não tem como empurrá-lo. Para um fio ideal (flexível, inextensível e de massa desprezível), as trações exercidas em suas extremidades terão o mesmo módulo. Força elástica Molas e elásticos são estruturas que têm a propriedade de deformar-se sob esforços de tração ou compressão, mas exercem forças de reação no sentido de recuperar as dimensões originais. Observe que nos casos em que a mola é deformada, aparece sobre ela uma força contrária ao sentido da deformação. A essa força chamamos de restituição. Por esse motivo, forças exercidas por molas e elásticos são também chamadas de forças de restituição. Foi o físico inglês Robert Hooke quem primeiro investigou o comportamento elástico de materiais; a expressão F = k · x tem, assim, o nome de Lei de Hooke. Força de Resistência do Ar É aquela que age em um corpo que se move numa região onde existe ar, agindo sempre contrária ao movimento. O coeficiente aerodinâmico (k) está associado à dificuldade que o ar tem de passar por um corpo. 7 Leis de Newton Resumo Aplicações das leis de Newton Máquina de Atwood Dinamômetro Considerando o dinamômetro ideal (massa desprezível), mesmo que haja movimento, teremos T = T’. Cabo de guerra Vence o jogador que possuir a maior força de atrito com o solo. Talha exponencial Talha exponencial é uma das mais antigas ferramentas utilizadas pelo homem. Consiste em uma série de polias móveis (roldanas) associadas a uma só polia fixa, e quanto maior for o número de polias móveis, maior também será a facilidade para se mover um peso que esteja nela. Chama-se vantagem mecânica da talha a relação entre a força resistente (peso) e a força motriz(a que se faz para erguê-lo). A polia, roldana, poli ou moitão é uma peça mecânica muito comum a diversas máquinas, utilizada para transferir força e energia cinética. Uma polia é constituída por uma roda de material rígido, normalmente metal, mas outra comum em madeira, lisa ou sulcada em sua periferia. Acionada por uma correia, corda ou corrente metálica, a polia gira em um eixo, transferindo movimento e energia a outro objeto. Quando associada a outra polia de diâmetro igual ou não, realiza trabalho equivalente ao de uma engrenagem. Leitura T= 8 Leis de Newton Relatos históricos indicam que as roldanas foram usadas pela primeira vez por Arquimedes (287 a.C. – 212 a.C.) para deslocar um navio. Há dois tipos básicos de polias: • polia fixa: aquela que gira em torno de seu eixo de rotação e permite alterar a direção e/ou o sentido da força, mas não altera a sua intensidade; • polia móvel: além de girar em torno de seu eixo de rotação, esse tipo de polia pode sofrer deslocamentos e permite elevar ou puxar objetos com menor esforço, alterando, portanto, a intensidade da força. = 1 2n T F Acelerômetro Transporte horizontal de uma carga Queda de uma gota de chuva Plano inclinado sem atrito 9 Leis de Newton Plano inclinado com atrito Plano inclinado em movimento Exercícios Propostos 01. (Ufop-MG) O sistema de roldanas da figura está sendo usado para elevar, em equilíbrio, um objeto de peso P. Qual o módulo da força �⃗� vale: a) 𝐹 = 𝑃 cos 𝛼 b) 𝐹 = 𝑃 3 c) 𝐹 = 𝑃 3 𝑐𝑜𝑠𝛼 d) 𝐹 = 𝑃 23 e) 𝐹 = 𝑃 23 𝑐𝑜𝑠𝛼 02. Na situação de equilíbrio esquematizada a seguir, os fios são ideais: Sendo 0,4 o coeficiente de atrito estático entre o bloco A e o plano horizontal em que ele se apoia, determine a maior massa que o bloco B pode ter de modo que o equilíbrio se mantenha, supondo essa montagem feita na superfície da Lua. a) 1 kg b) 2 kg c) 3 kg d) 4 kg e) 5 kg 03. (PUC) Sobre o bloco A, de massa 2,0 kg, atua a força vertical F . O bloco B, de massa 4,0 kg, é ligado ao A por um fio inextensível, de massa desprezível e alta resistência à tração. Adote g = 10 m/s2. Considere as proposições: a) Se F = 60 N, o sistema está em equilíbrio e a tração no fio é 50 N. b) Se F = 120 N, o sistema está em movimento acelerado e a tração no fio é 40 N. c) Se F = 0, o sistema tem uma aceleração de 10 m/s2 e a tração no fio é nula. d) Se F = 12 N, o sistema está em movimento acelerado e a tração no fio é 8,0 N. a) Apenas IV está correta. b) Todas estão corretas. c) Apenas I está correta. d) Apenas I, II e III estão corretas. e) Apenas III e IV estão corretas. 04. (UEL) Na figura abaixo, os blocos A e B estão sobre um plano horizontal sem atrito. Sendo F igual a 45 N, MA igual a 8 kg e MB igual a 7 kg, a força que A exerce sobre B, em newtons, vale: a) 15 b) 21 c) 24 d) 45 e) zero 10 Leis de Newton 05. (Fuvest) Em um plano inclinado de 30° em relação à horizontal, um bloco de 10 kg de massa, sob a ação da gravidade, é mantido em repouso por meio de um fio, como mostra a figura. Desprezando-se o atrito entre o bloco e o plano, a tensão no fio vale: (Adote g = 10 m/s2.) a) 100 N b) 75 N c) 50 N d) 25 N e) 10 N 06. Um prisma triangular de massa M = 2,4 kg está apoiado sobre uma superfície horizontal. Uma das faces do prisma forma ângulo θ com a superfície horizontal, como mostra a figura. Sobre a face inclinada do prisma apoia-se um bloco de massa m = 1,6 kg. Aplica-se no prisma uma força horizontal �⃗�, de modo que o sistema todo se move com o bloco, ficando em repouso em relação ao prisma. São dados: g = 10 m/s2; sen θ = 0,60; cos θ = 0,80. Desprezando os atritos, determine: a) o módulo da aceleração do conjunto; b) o módulo de �⃗�. 07. Na figura, o sistema está sujeito à ação da resultante externa �⃗�, paralela ao plano horizontal sobre o qual o carrinho está apoia- do. Todos os atritos são irrelevantes e as inércias do fio e da polia são desprezíveis. As massas dos corpos A, B e C valem, respectivamente, 2,0 kg, 1,0 kg e 5,0 kg e, no local, o módulo da aceleração da gravidade é 10 m/s2. Supondo que A esteja apenas encostado em C, determine a intensidade de �⃗� de modo que A e B não se movimentem em relação ao carrinho C. 08. (Enem) Os freios ABS são uma importante medida de segurança no trânsito, os quais funcionam para impedir o travamento das rodas do carro quando osistema de freios é acionado, liberando as rodas quando estão no limiar do deslizamento. Quando as rodas travam, a força de frenagem é governada pelo atrito cinético. As representações esquemáticas da força de atrito fat entre os pneus e a pista, em função da pressão p aplicada no pedal de freio, para carros sem ABS e com ABS, respectivamente, são: a) b) c) d) e) 09. Um bloco de massa m sustentado por um par de molas idênticas, paralelas e de constante elástica k, desce verticalmente com velocidade constante e de módulo v controlada por um motor, conforme ilustra a figura. 11 Leis de Newton Se o motor travar repentinamente, ocorrerá uma força detração máxima no cabo com módulo igual a a) 2 2mg (mg) 2kmv .+ + b) 2 2mg (mg) kmv .+ + c) 2mg 2kmv .+ d) 2mg 4kmv .+ e) 2mg kmv .+ 10. O sistema de polias, sendo uma fixa e três móveis, encontra-se em equilíbrio estático, conforme mostra o desenho. A constante elástica da mola, ideal, de peso desprezível, é igual a 50 N cm e a força F na extremidade da corda é de intensidade igual a 100 N. Os fios e as polias, iguais, são ideais. O valor do peso do corpo X e a deformação sofrida pela mola são, respectivamente, a) 800 N e 16 cm b) 400 N e 8 cm c) 600 N e 7 cm d) 800 N e 8 cm e) 950 N e 10 cm GABARITO 01 02 03 04 05 D C E B C 06 07 08 09 10 a) 7,5 m/s2 b) 30 N 160 N A C D Acesse nosso canal www.bit.ly/amfisica http://www.bit.ly/amfisica
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