9,8 N. Portanto, conforme a tabela, a força de 1 N equivale, aproximadamente, ao peso de um pacote de 100 gramas (0,1 kgf). Segundo Aristóteles, ele afirmava que “um corpo só poderia permanecer em movimento se existisse uma força atuando sobre ele. Então, se um corpo estivesse em repouso e nenhuma força atuasse sobre ele, este corpo permaneceria em repouso. Quando uma força agisse sobre o corpo, ele se poria em movimento, mas, cessando a ação da força, o corpo voltaria ao repouso” conforme figura abaixo. A primeira vista tais ideias podem estas certas, porém com o passar do tempo descobriu-se que não eram bem assim.
Segundo Galileu, devido às afirmações de Aristóteles, decidiu analisar certas experiências e descobriu que uma esfera quando empurrada, se movimentava, e mesmo cessando a força principal, a mesma continuava a se movimentar por certo tempo, gerando assim uma nova conclusão sobre as afirmações de Aristóteles. Assim Galileu, verificou que um corpo podia estar em movimento sem a ação de uma força que o empurrasse, conforme figura demonstrando tal experiência. Galileu repetiu a mesma experiência em uma superfície mais lisa, e chegou a conclusão que o corpo percorria uma distância maior após cessar a ação da força, concluindo que o corpo parava, após cessado o empurrão, em virtude da ação do atrito entre a superfície e o corpo, cujo efeito sempre seria retardar o seu movimento. Segundo a conclusão do próprio Galileu podemos considerar que: se um corpo estiver em repouso, é necessária a ação de uma força sobre ele para colocá-lo em movimento. Uma vez iniciado o movimento, cessando a ação das forças que atuam sobre o corpo, ele continuará a se mover indefinidamente, em linha reta, com velocidade constante.
Todo corpo que permanece em seu estado de repouso ou de movimento, é considerado segundo Galileu como um corpo em estado de Inércia. Isto significa que se um corpo está em inércia, ele ficará parado até que sob ele seja exercida uma ação para que ele possa sair de tal estado, onde se a força não for exercida o corpo permanecerá parado. Já um corpo em movimento em linha reta, em inércia, também deverá ser exercido sob ele uma força para movimentá-lo para os lados, diminuindo ou aumentando a sua velocidade. Vários são os estados onde tal conceito de Galileu pode ser apontado, como um carro considerado corpo pode se movimentar em linha reta ou como uma pessoa dormindo estando em repouso (por inércia), tende a continuar em repouso.
Primeira Lei de Newton
A primeira lei de Newton pode ser considerada como sendo uma síntese das ideias de Galileu, pois Newton se baseou em estudos de grandes físicos da Mecânica, relativas principalmente a Inércia; por este fato pode-se considerar também a primeira lei de Newton como sendo a lei da Inércia. Conforme Newton, a primeira Lei diz que: Na ausência de forças, um corpo em repouso continua em repouso e um corpo em movimento move-se em linha reta, com velocidade constante. Para que ocorra um equilíbrio de uma partícula é necessário que duas forças ajam em um corpo, sendo que as mesmas podem ser substituídas por uma resultante r das duas forças exercidas, determinada em módulo, direção e sentido, pela regra principal do paralelogramo.
Podemos concluir que: quando a resultante das forças que atuam em um corpo for nula, se ele estiver em repouso continuará em repouso e, se ele estiver em movimento, estará se deslocando com movimento retilíneo uniforme. Para que uma partícula consiga o seu real equilíbrio é necessário que:
- a partícula esteja em repouso
- a partícula esteja em movimento retilíneo uniforme.
Segunda Lei de Newton
Para que um corpo esteja em repouso ou em movimento retilíneo uniforme, é necessário que o mesmo encontre-se com a resultante das forças que atuam sobre o corpo, nula, conforme vimos anteriormente. Um corpo, sob a ação de uma força única, adquire uma aceleração, isto é, se F diferente de 0 temos a (vetor) diferente de 0. Podemos perceber que:
- duplicando F, o valor de a também duplica. - triplicando F, o valor de a também triplica. Podemos concluir que:
- a força F que atua em um corpo é diretamente proporcional à aceleração a que ela produz no corpo, isto é, F α a.
- a massa de um corpo é o quociente entre a força que atua
no corpo e a aceleração que ela produz nele, sendo: 𝑀 =𝐹
𝐴
Quanto maior for a massa de um corpo, maior será a sua inércia, isto é, a massa de um corpo é uma medida de inércia deste corpo. A resultante do vetor a terá sempre a mesma direção e o mesmo sentido do vetor F , quando se aplica uma força sobre um corpo, alterando a sua aceleração. De acordo com Newton, a sua Segunda Lei diz o seguinte: A aceleração que um corpo adquire é diretamente proporcional à resultante das forças que atuam nele e tem a mesma direção e o mesmo sentido desta resultante, sendo uma das leis básicas da Mecânica, utilizada muito na análise dos movimentos que observamos próximos à superfície da Terra e também no estudo dos movimentos dos corpos celestes.
Para a Segunda Lei de Newton, não se costuma usar a medida de força de 1 kgf (quilograma-força); sendo utilizado o Sistema Internacional de Unidades (S.I.), o qual é utilizado pelo mundo todo, sendo aceito e aprovado conforme decreto lei já visto anteriormente. As unidades podem ser sugeridas, desde que tenham-se como padrões as seguintes medidas escolhidas pelo S.I.:
- A unidade de comprimento: 1 metro (1 m) - A unidade de massa: 1 quilograma (1 Kg) - A unidade de tempo: 1 segundo (s)
O Sistema MKS, é assim conhecido por ser o Sistema Internacional da Mecânica, de uso exclusivo dessa área de atuação, pelos profissionais. Para as unidades derivadas, são obtidas a partir de unidades fundamentais, conforme descreve o autor:
- De área (produto de dois comprimentos) = 1 m X 1 m X 1 m²
- De volume (produto de três comprimentos) = 1 m X 1 m X 1 m = 1 m³
- De velocidade (relação entre comprimento e tempo) = 1m/1s = 1 m/s
- De aceleração (entre velocidade e tempo) = 1 m/s/1s = 1 m/s²
Podemos definir que: 1 N = 1 g m/s², ou seja, 1 N é a força que, atuando na massa de 1 Kg, imprime a esta massa a aceleração de 1 m/s². Para a Segunda Lei de Newton, deve-se usar as seguintes unidades:
F (em N) m (em kg) a (em m/s²)
Terceira Lei de Newton
Segundo Newton, para que um corpo sofra ação é necessário que a ação provocada para tal movimentação, também seja provocada por algum outro tipo de força. Tal definição ocorreu segundo estudos no campo da Dinâmica.
Além disso, Newton, percebeu também que na interação de dois corpos, as forças sempre se apresentam aos pares: para cada ação de um corpo sobre outro existirá sempre uma ação contraria e igual deste outro sobre o primeiro. Podemos concluir que: Quando um corpo A exerce uma força sobre um corpo B, o corpo B reage sobre A com uma força de mesmo módulo, mesma direção e de sentido contrário.
As forças de ação e reação são enunciadas conforme a terceira lei de Newton, sendo que a ação está aplicada em um corpo, e a reação está aplicada no corpo que provocou a ação, isto é, elas estão aplicadas em corpos diferentes. As forças de ação e reação não podem se equilibrar segundo Newton, porque para isso, seria necessário que elas estivessem aplicadas em um mesmo corpo, o que nunca acontece. Podemos considerar o atrito, como sendo a tendência de um corpo não se movimentar em contato com a superfície. O corpo em repouso indica que vai continuar em repouso, pois as forças resultantes sobre o corpo é nula. Porém deve existir uma força que atuando no corpo faz com que ele permaneça em repouso, sendo que este equilíbrio (corpo em repouso e superfície) é consequência direta do atrito, denominada de força de atrito. Podemos então perceber que existe uma diferença muito grande entre atrito e força de atrito.
Força Peso
Quando falamos em movimento vertical, introduzimos um conceito de aceleração da gravidade, que sempre atua no sentido a aproximar os corpos em relação à superfície. Relacionando com a 2ª Lei de Newton, se um corpo de massa m, sofre a aceleração da gravidade.
P=mg
O Peso de um corpo é a força com que a Terra o atrai, podendo ser variável, quando a gravidade variar, ou seja, quando não estamos nas proximidades da Terra.
A massa de um corpo, por sua vez, é constante, ou seja, não varia.
Quando falamos no peso de algum corpo, normalmente, lembramos do “peso” medido na balança. Mas este é um termo fisicamente errado, pois o que estamos medindo na realidade, é a nossa massa.
Além da Força Peso, existe outra que normalmente atua na direção vertical, chamada Força Normal. Esta é exercida pela superfície sobre o corpo, podendo ser interpretada como a sua resistência em sofrer deformação devido ao peso do corpo. Esta força sempre atua no sentido perpendicular à superfície, diferentemente da Força Peso que atua sempre no sentido vertical. Analisando um corpo que encontra-se sob uma superfície plana verificamos a atuação das duas forças.
Para que este corpo esteja em equilíbrio na direção vertical, ou seja, não se movimente ou não altere sua velocidade, é necessário que os módulos das forças Normal e Peso sejam iguais, assim, atuando em sentidos opostos elas se anularão. Por exemplo:
Qual o peso de um corpo de massa igual a 10kg: (a) Na superfície da Terra (g=9,8m/s²);
(b) Na superfície de Marte (g=3,724m/s²). (a) P=mg P=10.9,8=98 N (b) P=mg P=10.3,724=37,24 N Força de Atrito
Podemos perceber a existência da força de atrito e entender as suas características através de uma experiência muito simples. Tomemos uma caixa bem grande, colocada no solo, contendo madeira. Podemos até imaginar que, à menor força aplicada, ela se deslocará. Isso, no entanto, não ocorre. Quando a caixa ficar mais leve, à medida que formos retirando a madeira, atingiremos um ponto no qual conseguiremos movimentá-la. A dificuldade de mover a caixa é devida ao surgimento da força de atrito Fat entre o solo e a caixa.
Várias experiências como essa levam-nos às seguintes propriedades da força de atrito (direção, sentido e módulo):
Direção: As forças de atrito resultantes do contato entre os dois corpos sólidos são forças tangenciais à superfície de contato. No exemplo acima, a direção da força de atrito é dada pela direção horizontal. Por exemplo, ela não aparecerá se você levantar a caixa.
Sentido: A força de atrito tende sempre a se opor ao movimento relativo das superfícies em contato. Assim, o sentido da força de atrito é sempre o sentido contrário ao movimento relativo das superfícies
Módulo: Sobre o módulo da força de atrito cabem aqui alguns esclarecimentos: enquanto a força que empurra a caixa for pequena, o valor do módulo da força de atrito é igual à força que empurra a caixa. Ela anula o efeito da força aplicada. Uma vez iniciado o movimento, o módulo da força de atrito é proporcional à força (de reação) do plano-N. Escrevemos:
𝐹𝑎𝑡 = 𝜇 ∙ 𝑁
O coeficiente é conhecido como coeficiente de atrito. Como a força de atrito será tanto maior quanto maior for , vê- se que ele expressa propriedades das superfícies em contato (da sua rugosidade, por exemplo). Em geral, devemos considerar dois coeficientes de atrito: um chamado cinemático
c e outro, estático, e. Em geral, e>c, refletindo o fato de que
a força de atrito é ligeiramente maior quando o corpo está a ponto de se deslocar (atrito estático) do que quando ela está em movimento (atrito cinemático).
O fato de a força de atrito ser proporcional à força de reação normal representa a observação de que é mais fácil empurrar uma caixa à medida que a vamos esvaziando. Representa também por que fica mais difícil empurrá-la depois que alguém se senta sobre ela (ao aumentar o peso N também aumenta).
Impedindo a Derrapagem
A força de atrito impede a derrapagem nas curvas, isto é, o deslizamento de uma superfície - dos pneus - sobre a outra (o asfalto).
Força de Arrasto
Quando há um corpo em movimento, um fluído exerce uma força resistente para reduzir a velocidade do objeto, essa força é chamada de força de arraste.
Essa força depende das propriedades do fluído, força do objeto e diferente da força de atrito a de arrasto aumenta quando a velocidade aumenta.
FR=m.g-b.vm=m.a Onde:
b=constante que depende do fluido n=depende da velocidade
Velocidade Terminal
À medida que a força de arrasto aumenta com a velocidade, a intensidade da força resultante diminui, a velocidade do corpo tende para um valor limite ou terminal VL, ao mesmo tempo em que a força resultante também tende a zero.
Plano inclinado e as forças
Dada uma rampa e considerando o atrito, podemos distribuir as forças da seguinte forma:
Ao observarmos a figura acima, notamos que as forças que atuam sobre o corpo são:
P: Força peso = P = m.g Px=Psen
Py=Pcos
N=Normal=Py
Se o bloco estiver em repouso ou velocidade constante: Px=Fat
Se estiver descendo: Px-Fat=ma
Exemplo: Um corpo de massa m=10kg está apoiado num plano de 30° em relação à horizontal, sem atrito Considere g=10m/s², determine a aceleração do bloco.
Px=ma
mgsen=ma a=gsen
a=10.sen30=10.0,5=5m/s² Questões
01. (PETROBRAS – Técnico de Operação Júnior – CESGRANRIO/2015) Com base na segunda lei de Newton, se a um corpo de 50 kg de massa é aplicada uma força de 1,0 kN, esse corpo é acelerado de
(A) 10 cm/s²
(B) 20 cm/s² (C) 10 m/s²
(D) 20 m/s² (E) 50 cm/s²
02. (ETAM – Técnico de Projetos Navais – BIO- RIO/2015) Dois blocos A e B, de massas respectivamente iguais a 4,0 kg e 2,0 kg, estão dispostos sobre um plano horizontal conforme a figura abaixo.
O conjunto é empurrado por uma força , de módulo 30 N, aplicada horizontalmente sobre o bloco A. O atrito entre os blocos e o plano horizontal deve ser desprezado. A intensidade da força que o bloco B exerce sobre o bloco A é:
(A) 10N (B) 20N (C) 30N (D) 40N
03. (SEE/AC – Professor de Matemática e Física – FUNCAB/2014) Uma força de 2 N atua empurrando um
corpo de 4 kg. A aceleração com que esse corpo se movimenta será, portanto, em unidades do SI, de:
(A) 1,0. (B) 0,6. (C) 0,5. (D) 2,0. (E) 0,0.
04. (PETROBRAS – Técnico de Inspeção de Equipamentos e Instalações Júnior –
CESGRANRIO/2014) Um bloco de 10 kg sobe com velocidade constante um plano inclinado. Outro bloco de 8,0 kg está conectado ao primeiro através de um fio e de uma roldana ideais, conforme mostra a Figura abaixo.
O módulo, em N, da força de atrito entre o bloco de 10 kg e o plano inclinado é Dados Aceleração da gravidade = 10 m/s2 sen 30° = 0,50 cos 30° = 0,87 (A) 7,0 (B) 30 (C) 50
(D) 80 (E) 87
05. (PC/SP – Perito Criminal – VUNESP/2014) No campo de provas de uma montadora de automóveis há uma pista horizontal e retilínea. Durante a realização de um teste, um de seus veículos, de massa total 1 200 kg, incluindo a do motorista, parte do repouso e atinge a velocidade de 144 km∕ h ao fim de um percurso de 400 m. Se o movimento do veículo é realizado com aceleração constante, a força resultante sobre ele tem intensidade, em newtons, de (A) 3600 (B) 4800 (C) 2400 (D) 1800 (E) 1200 Respostas 01.-/02-A/03-C/04-B/05-C. CALOR
Quando colocamos dois corpos com temperaturas diferentes em contato, podemos observar que a temperatura do corpo "mais quente" diminui, e a do corpo "mais frio" aumenta, até o momento em que ambos os corpos apresentem temperatura igual. Esta reação é causada pela passagem de energia térmica do corpo "mais quente" para o corpo "mais frio", a transferência de energia é o que chamamos calor.
Calor é a transferência de energia térmica entre corpos com temperaturas diferentes.
A unidade mais utilizada para o calor é caloria (cal), embora sua unidade no SI seja o joule (J). Uma caloria equivale a quantidade de calor necessária para aumentar a temperatura de um grama de água pura, sob pressão normal, de 14,5 °C para 15,5 °C.
A relação entre a caloria e o joule é dada por: 1 cal = 4,186J
Partindo daí, podem-se fazer conversões entre as unidades usando regra de três simples
Calor sensível
É denominado calor sensível, a quantidade de calor que tem como efeito apenas a alteração da temperatura de um corpo.
Este fenômeno é regido pela lei física conhecida como Equação Fundamental da Calorimetria, que diz que a quantidade de calor sensível (Q) é igual ao produto de sua massa, da variação da temperatura e de uma constante de proporcionalidade dependente da natureza de cada corpo denominada calor específico.
Assim:
Onde:
Q = quantidade de calor sensível (cal ou J).
c = calor específico da substância que constitui o corpo (cal/g°C ou J/kg°C).
m = massa do corpo (g ou kg). Δθ = variação de temperatura (°C). Quando:
Q>0: o corpo ganha calor. Q<0: o corpo perde calor.
Exemplo:
Qual a quantidade de calor sensível necessária para aquecer uma barra de ferro de 2kg de 20°C para 200 °C? Dado: calor específico do ferro = 0,119cal/g°C.
2 kg = 2000 g
Calor latente
Nem toda a troca de calor existente na natureza se detém a modificar a temperatura dos corpos. Em alguns casos há mudança de estado físico destes corpos. Neste caso, chamamos a quantidade de calor calculada de calor latente.
A quantidade de calor latente (Q) é igual ao produto da massa do corpo (m) e de uma constante de proporcionalidade (L).
Assim:
A constante de proporcionalidade é chamada calor latente de mudança de fase e se refere a quantidade de calor que 1 g da substância calculada necessita para mudar de uma fase para outra.
Além de depender da natureza da substância, este valor numérico depende de cada mudança de estado físico.
Por exemplo, para a água:
Calor latente de fusão 80cal/g Calor latente de vaporização 540cal/g Calor latente de solidificação -80cal/g Calor latente de condensação 540cal/g - Quando:
Q>0: o corpo funde ou vaporiza. Q<0: o corpo solidifica ou condensa. Exemplo:
Qual a quantidade de calor necessária para que um litro de água vaporize? Dado: densidade da água=1g/cm³ e calor latente de vaporização da água = 540 cal/g.