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Força, massa e aceleração: a segunda lei de Newton

No documento Compreendendo a Física - Vol 01.pdf (páginas 114-116)

Experiência de pensamento

3. Força, massa e aceleração: a segunda lei de Newton

A primeira lei de Newton descreve o que ocorre com o corpo quando a resultante das forças exercidas sobre ele é nula.

A segunda lei responde à outra questão possível: o que ocorre quando o corpo está sob a ação de força re- sultante não nula? É claro que, nessa situação, o corpo não pode estar nem parado nem em movimento retilíneo uniforme, pois esse é o caso da primeira lei, em que a re- sultante é nula. Se não pode estar parado nem com velo- cidade constante, o corpo certamente deve ter acelera- ção. Mas como é essa aceleração? Do que ela depende?

A resposta dada por Newton é que essa acelera-

ção, a&, tem a mesma direção e sentido da força resul-

tante F&R . Se a força resultante for constante, a acelera-

ção também será. Veja a figura abaixo:

a&

FR&

Mas do que depende o módulo da aceleração? Va-

mos supor que a mesma força resultante FR& seja aplica-

da a diferentes corpos em repouso. Pode-se afirmar que o módulo da aceleração é maior para os corpos que ofe- recem menor oposição ao movimento (têm menor inér- cia). E vice-versa: adquirem aceleração menor os corpos que oferecem maior oposição ao movimento (têm maior inércia). Veja as figuras abaixo. Sobre blocos do mesmo

material, é exercida a mesma força resultante FR&. À me-

dida que as dimensões do bloco aumentam, a sua inércia

também aumenta. Se a força resultante FR& for constan-

te, quanto maior a inércia, menor a aceleração.

FR& a& FR& a& FR& a& FR& a&

E X E R C Í C I O R E S O LV I D O

1. Critique a seguinte argumentação: um automóvel

está numa estrada retilínea horizontal com veloci- dade constante, ou seja, com movimento retilíneo uniforme. Se desligarmos o motor, o automóvel vai reduzir sua velocidade e parar. Logo, só existe movi- mento retilíneo uniforme enquanto há força — a força do motor —, o que contraria a primeira lei de Newton.

R E S O LU Ç ÃO

Pela primeira lei de Newton, podem existir forças exercidas sobre um corpo, desde que a resultante

dessas forças seja nula. Quando o automóvel está

em movimento retilíneo uniforme, pode-se dizer, simplificando a situação*, que há duas forças exer-

cidas sobre ele: a força F&, originada pelo motor, no

sentido do movimento, e a força R&, oposta ao movi-

mento, em razão da soma das forças de resistência do ar e dos atritos externos e internos (veja a figura

a seguir). As forças F& e R& não são forças únicas: F & é

a resultante das forças exercidas pela pista sobre as rodas dianteiras (supondo que o carro tenha apenas

tração dianteira), aplicada entre essas rodas; R& é

resultante das forças de resistência, principalmente do ar e do atrito entre as rodas traseiras e a pista. Quando essas forças têm o mesmo módulo, a resul- tante é nula, e, como prevê a primeira lei de Newton, o automóvel tem velocidade constante. É como se não existisse força alguma sobre o automóvel.

Quando se desliga o motor, a força F&deixa de ser

exercida sobre o automóvel, restando apenas a força

de resistência R&, e, consequentemente, a sua veloci-

dade vai diminuir. Logo, o movimento retilíneo unifor- me deixa de existir não porque deixou de haver força, mas porque a resultante das forças não é mais nula.

Arena Creati ve/Shut ter stoc k/ Glow Images F& R&

E X E R C Í C I O

1. A resultante das forças exercidas sobre um bloco

apoiado sobre um plano é nula. Você pode afirmar que esse bloco está parado em relação a esse plano?

* Essa explicação é provisória. Ela será complementada no capítulo 11, páginas 154-155.

c A p í t u lo 8 – AS l E IS D E N E w to N

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E X E R C Í C I O S R E S O LV I D O S

2. Um caminhão descarregado parte mais rapidamen-

te do que carregado. Por quê?

R E S O LU Ç ÃO

Da segunda lei de Newton, sabe-se que FR& 5 ma&.

Admitindo-se que F&R seja constante, pois é a força

exercida pelo motor, pode-se concluir que o cami- nhão descarregado (de menor massa) tem menor inércia e, portanto, maior aceleração; por isso parte mais rapidamente.

3. A mesma força resultante de módulo FR é aplicada

a dois corpos de massas m1 e m2 separadamente.

Verifica-se que o módulo da aceleração adquiri-

da pelo corpo de massa m1 é cinco vezes maior do

que o módulo da aceleração adquirida pelocorpo de

massa m2. Qual a razão entre as massas m1 e m2?

R E S O LU Ç ÃO

Vamos supor que o corpo de massa m1 adquira a

aceleração de módulo a1 e que o corpo de massa m2

adquira a aceleração de módulo a2. Da segunda lei de

Newton, aplicada em módulo a cada corpo, temos:

para o corpo de massa m1, FR5 m1a1 I

para o corpo de massa m2, FR5 m2a2 II

Como FR é o mesmo em ambos os casos, podemos

igualar I e II , obtendo m1a15 m2a2.

Como a15 5a2, vem:

m1? 5a25 m2a2⇒ m1 ? 5 5 m2 ⇒ m15 1

5? m2

Portanto, a razão entre m1 e m2 é igual a 1

5, isto é,

m1 é cinco vezes menor que m2.

E X E R C Í C I O S

2. Considere um caminhão mantendo a mesma velo-

cidade e o mesmo sistema de freios ao percorrer o mesmo trecho da estrada. Em que condições ele percorre uma distância maior durante a freagem?

a) carregado; b) descarregado.

Explique.

3. A mesma força resultante de módulo FR é aplicada a

dois corpos de massas m1 e m2 separadamente.

Verifica-se que a aceleração do corpo de massa m1

é um terço da aceleração do corpo de massa m2.

Qual a razão entre as massas m1 e m2?

4. Sempre que o motorista pisa no acelerador o carro

acelera? Explique. Se atribuirmos valor à inércia de cada bloco, esse

resultado poderá ser expresso matematicamente pela

razão entre os módulos de F&R e a&:

F a

R 5 valor da inércia do bloco ⇒

⇒ FR5 valor da inércia do bloco 3 a

Pode-se verificar experimentalmente que esse “valor da inércia do bloco” está diretamente relaciona- do à sua massa. Maior massa significa maior inércia; menor massa, menor inércia. Desse modo, podemos substituir o “valor da inércia do bloco” na razão anterior por sua massa m. Assim, podemos escrever a expres- são matemática da segunda lei de Newton na forma:

FR& 5 ma&

A segunda lei de Newton é conhecida também co- mo a lei fundamental da Dinâmica. Dinâmica é o estudo dos movimentos e de suas causas.

A partir da segunda lei de Newton, pode-se obter a primeira lei, pois um corpo em repouso ou em MRU tem aceleração nula e, portanto, a força resultante exercida so- bre ele também é nula. No entanto, isso não significa que a primeira lei seja desnecessária. Ela é essencial, pois garan- te a validade das leis de Newton para a situação em estu- do, ou seja, a segunda lei de Newton só é válida quando a

primeira lei também for válida. Essa afirmação fica mais

clara no quadro da próxima página, em que discutimos es- sa condição de validade para as três leis de Newton.

A notação vetorial da força resultante e da acelera- ção que aparece na expressão matemática da segunda lei de Newton torna explícito que ambas as grandezas são vetores de mesma direção e sentido. No entanto, isso não significa que essas grandezas tenham o mes- mo sentido da velocidade do corpo. Veja a figura. No movimento livre de um projétil, a velocidade é sempre tangente à trajetória e, portanto, varia em módulo, dire- ção e sentido. No entanto, a força resultante (o peso do

projétil, P&, conceito que será apresentado no próximo

capítulo) e a aceleração (aceleração da gravidade, g&) são

constantes. Note que em nenhum instante a velocidade

do projétil tem a mesma direção e sentido de P& e g&.

P & g& P & P & P & P & g& g& g& g& v&1 v&3 v&2 v&5 v&4 trajet—ria do projŽtil CompreendFisica_Fisica_vol1_PNLD2015_106a117_U3_C8.indd 113 3/7/13 10:38 AM

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u N I DA D E 3 – Fo rç A E m ov I m E N to

Veja a figura a seguir:

FR&

Figura c Figura d

Figura e

FR& FA& FA&

Figura a

Figura b

A esfera vermelha movimenta-se em direção à es- fera azul em repouso (a) e com ela colide frontalmente (b). Nessa interação, a esfera vermelha exerce uma for-

ça FA& (ação) sobre a esfera azul, e esta exerce uma

força FR& (reação) sobre a esfera vermelha. Essas for-

ças não se equilibram porque F&R é aplicada na esfera

vermelha (c), enquanto F &A é aplicada na esfera azul

(d). Em condições ideais, se as esferas tiverem mas- sas iguais, depois da interação, a esfera vermelha pa- rará e a esfera azul passará a se movimentar com a mesma velocidade da esfera vermelha (e).

A terceira lei de Newton completa o conjunto de leis que estabelece as bases das relações entre força e movimento para referenciais fixados em sistemas em

repouso ou em movimento retilíneo uniforme (referen-

ciais inerciais).

referenciais inerciais

Imagine uma bola de bilhar sobre o piso plano e horizontal de um trem que se movimenta com velocidade constante, sem trepidações. De repente, o trem é freado (ou acelerado, ou faz uma curva) e um observador no interior do trem vê a bola mover- -se espontaneamente a partir do repouso, ao contrá- rio do que prevê a primeira lei de Newton. O mesmo vale para a segunda lei, pois a bola de bilhar é ace- lerada, embora a força resultante exercida sobre ela seja nula. E a terceira lei também não é observada porque não existe ação sobre a bola de bilhar, que, por sua vez, não exerce reação em nenhum corpo.

Apesar de estranhas, não há nada de errado nes- sas observações — isso acontece porque as leis de Newton só valem para referenciais inerciais, isto é, referenciais fixados em corpos rígidos em repouso ou em movimento retilíneo uniforme. A bola de bilhar só se movimenta quando o trem aumenta ou diminui a sua velocidade ou faz uma curva. Em qualquer desses casos o trem está sendo acelerado, e qualquer referen- cial fixado no vagão torna-se um referencial não iner- cial, para o qual as leis de Newton não valem.

4. Ação e reação: a terceira

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