Baixe Telecurso 2000. Física Completo. - 08fis e outras Notas de estudo em PDF para Física, somente na Docsity! 8 A U L A Várias vezes vemos na televisão alguém gritando “Eu tenho a força” e, então, começa uma verdadeira pancadaria! Logo o super-herói sai do meio da confusão tirando pó do ombro, como se nada tivesse acontecido. De vez em quando, vemos também quedas-de-braço entre duas pessoas que ficam com os rostos vermelhos de tanto esforço, até que um deles vence a peleja! Muitos são os exemplos nos quais vemos o conceito de força sendo utilizada. Vimos nas Aulas 6 e 7, vários exemplos que discutiam o conceito de força na Física, como podemos medir e operar com os vetores que representam as forças, por exemplo, a soma, a subtração e a decomposição de forças para compreender várias experiências do nosso dia-a-dia. Vamos estudar aqui as leis de Newton, que são as leis que explicam os movimentos, ou seja, qual é a razão para que um objeto se movimente ou não. O criador do conceito de força, Isaac Newton, estava preocupado em compreender as causas do movimento - ele se perguntava qual era o motivo para um corpo se movimentar. Por exemplo, ele respondeu uma pergunta que raramente nos fazemos: Quando jogamos uma pedra para longe, ela começa a se movimen- tar devido ao impulso dado pela mão. Mas, por que continua a se movimentar depois de estar solta, fora da mão? Na Grécia antiga, essa pergunta foi respondida da seguinte forma: a nature- za não gosta do vácuo. Então, quando a pedra sai de nossas mãos, deixa vazio o lugar onde estava, o ar que estava na frente da pedra vai para trás dela, ocupa o lugar vazio e ao mesmo tempo, vai empurrando a pedra para frente. Essa solução foi dada numa época em que não se acreditava que podia existir o vácuo, ou seja, a ausência de ar. Hoje sabemos que existe e é possível fazer vácuo. Um exemplo é a embalagem do café a vácuo, vendida no supermercado. Na Lua, os astronautas arremessaram pedras, e nenhuma delas teve proble- ma para continuar seu trajeto, apesar de não haver atmosfera no nosso satélite! Newton enunciou três leis. Elas explicam o movimento da pedra e por que os objetos se movimentam. Eu tenho a força! Será? 8 U L A O cientista inglês Isaac Newton (1642- 1727) dedicou-se ao ensino universitário e ao estudo da Física, da Matemática, da Alquimia, da Teologia e, na fase final de sua vida, à Política. 8 A U L A Primeira lei de Newton: lei da inércia Um carro está parado. Se não houver motivo para que ele se movimente, ele vai se movimentar? É óbvio que não! Se um carro está se movimentando e não há motivo para que ele pare, ele vai parar? É óbvio que não! Essa é a primeira lei de Newton. De alguma forma já sabíamos essas respostas, mas foi Newton quem enunciou essas situações em forma de lei da natureza. Se entendermos “motivo” como uma força, enunciamos formalmente a lei como: Lei da Inércia Se a soma das forças que agem sobre um corpo for nula, ele manterá seu estado de movimento: se o corpo estiver em repouso, permanecerá em repouso; se estiver em movimento, sua velocidade será constante, ou seja, manterá um movimento retilíneo uniforme. Inércia é uma propriedade dos corpos. Todo corpo que não tem motivo para alterar seu estado de movimento, não vai alterá-lo. Passo-a-passo Muitas pessoas viajam na carroceria de um caminhão. Se no meio da viagem o caminhão precisa frear bruscamente, as pessoas que estão na carroceria do veículo continuam seu movimento sendo jogadas para frente, pois não havia motivo para que parassem. E terão o mesmo problema quando o caminhão que estava parado sair em disparada: todos serão jogados para trás (Fig. 2), pois não têm motivo para se mover − o caminhão sai e as pessoas ficam. Muitos cavaleiros, ao saltar obstá- culos com seu cavalo, podem encontrar dificuldades, quando o cavalo vem em disparada e refuga na hora do salto: o cavaleiro vai para o outro lado da cerca, mas sem o cavalo! Figura 1 Figura 2 Figura 3 8 A U L AAssim, dividindo a força realizada pelos homens pela aceleração produzida no Fusquinha, teremos: F1 a1 = 100 0,11 = F2 a2 = 200 0, 22 = F4 a4 = 400 0, 44 = F8 a8 = 800 0,88 = 909,9 N m /s2 Þ constante Podemos ver que a força é diretamente proporcional à aceleração, isto é, quanto maior for a força, maior será a aceleração. Podemos então escrever de modo geral: ρ Fresul tante = m ρ a onde m é uma constante. Mas o que será esse m, essa curiosa constante? Vamos imaginar que Gaspar estivesse num pequeno caminhão em vez de num Fusquinha. Quando fossem empurrar o caminhão, Gaspar observaria o seguinte: Com uma pessoa, o caminhão, que estava parado alcançou uma velocidade de 1 km/h, num tempo de 10 s (segundos). Com duas pessoas, o caminhão, de 0 km/h alcançou 2 km/h, em 10 s Com quatro pessoas, a velocidade variou de 0 km/h até 4 km/h, em 10 s Com oito pessoas, a velocidade variou e 0 km/h até 8 km/h, em 10 s Se calcularmos a aceleração do caminhão, teremos: com uma pessoa, a1 = Dv1 Dt = 0,28 - 0 10 - 0 = 0,028 m s2 com duas pessoas, a2 = Dv2 Dt = 0,56 - 0 10 - 0 = 0,056 m s2 com quatro pessoas, a3 = Dv3 Dt = 1,1 - 0 10 - 0 = 0,11 m s2 com oito pessoas, a8 = Dv8 Dt = 2,2 - 0 10 - 0 = 0, 22 m s2 Como cada pessoa faz 100 unidades de força (newton), podemos ver que a razão F1 a1 = 100 0,028 = F2 a2 = 200 0,056 = F4 a4 = 400 0,11 = F8 a8 = 800 0, 22 = 3571 N m /s2 Þ constante o que, mais uma vez, é surpreendente. TABELA 2 NÚMERO DE PESSOAS VELOCIDADE INICIAL (KM/H) VELOCIDADE FINAL (KM/H) TEMPO (S) 1 2 4 8 0 0 0 0 1 2 4 8 10 10 10 10 · 8 A U L A Podemos ver que essa constante é bem maior no caso do caminhão do que no caso do Fusca. Essa constante tem um nome: nós a chamamos de massa. Massa de um corpo é a medida de sua inércia! Mas como assim? Vimos que com o mesmo número de pessoas é muito mais fácil acelerar o Fusca do que o caminhão, ou seja, o caminhão tem muito mais inércia do que o Fusquinha, ou ainda, a massa do caminhão é muito maior do que a do Fusca. Então, as massas são: mFusca = 909,9 N m / s2 = 909,9 kg mCaminhão= 3.571 N m / s2 = 3.571 kg O símbolo kg é a representação de quilograma, a unidade de massa. Uma unidade bastante conhecida, usada para medir o tão popular “peso das coisas”, na feira, que na realidade é a massa dos produtos. Agora poderemos prever qual é a força que age sobre um corpo se soubermos sua massa e a sua aceleração. Veja o exemplo a seguir. Passo-a-passo Um automóvel com massa de 1.200 kg está acelerando a uma razão de 10 m/s, a cada segundo, ou seja, tem uma aceleração de 10 m/s2. Qual é a intensidade da força resultante que age sobre o automóvel? (Isto é, a força do motor menos a força de resistência que o ar e o solo fazem sobre o carro - força de atrito.) Basta usarmos a segunda lei de Newton: Fresultante = Fmotor - Fatrito = ma Þ F = 1.200 kg · 10 m s2 = 12.000 N Ou seja, o carro está sob a ação de uma força de 12.000 newtons. Figura 5 FAtrito FMotor v 8 A U L ATerceira lei de Newton: ação e reação Ou: quem empurra quem? Podemos tocar numa parede sem que ela toque na gente? É óbvio que não! Podemos empurrar um móvel (ou qualquer outra coisa), sem que ele nos empurre? É óbvio que não! Essa pergunta pode ser feita também da seguinte forma: podemos fazer força sobre um objeto sem que esse faça força sobre nós? A resposta é não. Quando fazemos força sobre alguma coisa, essa coisa também faz força sobre nós. Observação Não é necessário que um corpo toque em outro para realizar uma força sobre aquele. Por exemplo, um ímã não precisa tocar em outro para atraí-lo, assim como a Terra nos atrai, mesmo quando não tocamos no chão; basta que pulemos para experimentar esse fato. Chamamos esse fenômeno de “interação à distância”, enquanto que as forças que necessitam de contato para serem transmitidas, chamamos de “forças de interação por contato”. Passo-a-passo Voltemos ao caso de Gaspar. Vamos imaginar que ele tivesse verificado os pneus antes da viagem e que tivesse colocado pneus novos. No momento que ele visse a barreira caída, pisaria no freio e o carro, com pneus novos, daria uma pequena derrapada, mas, logo em seguida, ia desacelerar até parar. Podemos compreender essa situação em termos das leis de Newton. Ou seja, para que o carro pare é necessário um motivo, uma força, e a única coisa que estava em contato com o carro, no momento da freada, era o asfalto da estrada. O pneu parou de rodar e começou a raspar no asfalto, fazendo força sobre ele. O asfalto por sua vez, exerceu uma força de mesma intensidade e de sentido contrário sobre o pneu, fazendo com que o carro parasse. Será isso verdade? Podemos verificar: na realidade, Gaspar não checou seus pneus e sofreu o acidente. Na freada, os pneus completamente lisos, não tocam no asfalto, pois, entre o pneu e o asfalto, a água forma uma camada fina que impede o contato entre os dois; com isso, o carro perde contato com o solo, não tendo assim motivo, ou uma força que o faça parar. Desliza até bater em algum “motivo” que o detenha, mas esse motivo pode ser, infelizmente, o caminhão da frente ou mesmo uma parede. FAtrito Figura 6