Os fundamentos da Física

Dinâmica Luciana Melo Almeida Até agora apenas descrevemos o movimento: CINEMÁTICA (posição, velocidade, aceleração). Entretanto, é impossível PREVER movimentos usando somente a cinemática. Com as leis de Newton iniciamos aqui o estudo da DINÂMICA, que é a parte da física responsável pela análise das causas do movimento. A teoria do movimento é denominada MECÂNICA (cinemática, estática e dinâmica). A mecânica se baseia nas ideias de massa e força, relacionando estes conceitos físicos com grandezas cinemáticas (deslocamento, velocidade e aceleração). Todos os fenômenos da mecânica clássica podem ser descritos mediante a utilização de três leis, denominadas leis de Newton ou do movimento. Daí o nome mecânica Newtoniana.

Luciana Melo Almeida O estudo do movimento ao longo do tempo 1º - Aristóteles na Grécia Antiga, com teses que hoje sabemos erradas mas que ainda assim iniciaram o estudo da Física. 2º - Galileu, na Itália do tempo da Inquisição, que elaborou várias teses extremamente importantes. 3º - por último, Newton na Inglaterra, um século após Galileu, inspirando-se no trabalho de seus antecessores elaborou a Lei da Gravitação Universal e as 3 Leis de Newton.

Vamos começar esse estudo fazendo algumas perguntas... Luciana Melo Almeida 1.Por que, quando um ônibus freia ou acelera, somos “empurrados” para frente ou para trás? 2.Por que precisamos utilizar o cinto de segurança quando estamos no carro? 3.Como é possível retirar um papel debaixo de uma garrafa sem tirá-la do lugar? 4.Por que não é possível uma pessoa se erguer puxando o seu próprio cabelo?

ISAAC NEWTON Luciana Melo Almeida " Se consegui ver mais longe que os outros, foi porque me ergui sobre os ombros dos gigantes que me precederam" - Isaac Newton, referindo-se a Galileu e Kepler

ISAAC NEWTON Luciana Melo Almeida Isaac Newton ( ) nasceu em Woolsthorpe (Inglaterra). Foi educado na Universidade de Cambridge e considerado aluno excelente e aplicado. Newton fez descobertas importantes em Matemática, Óptica e Mecânica. Em sua obra “Princípios Matemáticos de Filosofia Natural”, enunciou as três leis fundamentais do movimento, conhecidas hoje como leis de Newton.

Luciana Melo Almeida Dentre os muitos trabalhos que Isaac Newton elaborou, podemos citar: 1.O desenvolvimento da Lei da Gravitação Universal Imagem: LadyofHats / Creative Commons CC0 1.0 Universal Public Domain Dedication 2.O estudo sobre os Fenômenos Ópticos que possibilitaram a elaboração da teoria sobre a cor dos corpos Imagem: Suidroot / GNU Free Documentation License 3.A criação e o desenvolvimen to dos Cálculos Diferencial e Integral Imagem: KSmrq / GNU Free Documentation License

Page 06 Luciana Melo Almeida 1ª Lei de Newton: LEI DA INÉRCIA “Todo corpo continua em seu estado de repouso ou de movimento uniforme em uma linha reta, a menos que ele seja forçado a mudar aquele estado por forças imprimidas sobre ele”. (Isaac Newton - Principia)

Exemplos Page 07 Luciana Melo Almeida.

Exemplos Page 08 Luciana Melo Almeida

Lei da Inércia – A massa dos corpos pode interferir? Luciana Melo Almeida movimento retilíneo e uniforme Quanto maior a massa de um corpo maior a sua inércia, ou seja, maior é sua tendência de permanecer em repouso ou em movimento retilíneo e uniforme. Portanto, a massa é a característica que mede a inércia de um corpo.

De acordo com a Lei da Inércia... Luciana Melo Almeida Força é o agente que altera a velocidade do corpo, vencendo assim a tendência natural de manter seu estado de equilíbrio (INÉRCIA). A primeira lei de Newton não faz distinção entre um corpo estar em repouso ou em movimento uniforme (velocidade constante). O fato de o corpo estar em um ou em outro estado depende do referencial (sistema de coordenadas) em que o corpo é observado.

Segunda lei de Newton (Princípio fundamental da Dinâmica ) Luciana Melo Almeida A resultante das forças aplicadas a um ponto material é igual ao produto de sua massa pela aceleração adquirida:  Essa lei diz que a soma de todas as forças que atuam sobre um corpo é igual a força resultante deste. É essa força resultante que indicará a direção e o sentido em que o corpo se moverá.

Luciana Melo Almeida Força e leis de Newton A interação de um corpo com sua vizinhança é descrita em termos de uma FORÇA. Assim, uma força representa a ação de empurrar ou puxar em uma determinada direção Uma força pode causar diferentes efeitos em um corpo como, por exemplo : a) imprimir movimento b) cessar um movimento c) sustentar um corpo d) deformar outros corpos

Luciana Melo Almeida Onde estão as forças? Gravidade: As coisas caem porque são atraídas pela Terra. É a chamada força gravitacional. Essa força representa uma interação existente entre a Terra e os objetos que estão sobre ela. P - P Sustentação: Para que as coisas não caiam é preciso segurá-las. Na figura ao lado, por exemplo, a mesa sustenta um objeto. Em geral essa força é conhecida como força normal.

Onde estão as forças? Luciana Melo Almeida Sustentação: Nesta figura um conjunto de fios sustenta um bloco. Forças exercidas por fios são denominadas forças de tração. Para manter a mola esticada, você precisa exercer uma força sobre ela. No entanto, a mola também exerce uma força sobre você. A força exercida por uma mola é denominada força elástica.

Onde estão as forças? Luciana Melo Almeida Na água: A água também pode sustentar coisas, impedindo que elas afundem. Essa interação da água com os objetos se dá no sentido oposto ao da gravidade e é medida através de uma força que chamamos de empuxo hidrostático. É por isso que nos sentimos mais leves quando estamos dentro da água. O que sustenta balões no ar também é uma força de empuxo, igual à que observamos na água.

Onde estão as forças? Luciana Melo Almeida No ar: Para se manter no ar o pássaro bate asas e consegue com que o ar exerça uma força para cima, suficientemente grande para vencer a força da gravidade. Da mesma forma, o movimento dos aviões e o formato especial de suas asas acaba por criar uma força de sustentação. Essas forças também podem ser chamadas de empuxo. Porém, trata-se de um empuxo dinâmico, ou seja, que depende de um movimento para existir.

Luciana Melo Almeida Força e leis de Newton Forças são grandezas vetoriais, possuem módulo, direção e sentido. São representadas por vetores. A unidade de medida de força no SI é o Newton [N]. Para se ter uma ideia, um Newton (1 N) é força necessária para erguer uma xícara de café (100 ml). 100 N é, aproximadamente, a força necessária para erguer dois pacotes de arroz de 5 Kg cada.

Luciana Melo Almeida Como medir uma força? Corpos elásticos se deformam sob ação de forças de contato. Podemos medir o efeito de uma força aplicada a um corpo pela distensão que ela produz numa mola presa ao corpo. Os dinamômetros baseiam-se neste princípio.

Forças de contato e forças de campo Luciana Melo Almeida Forças de contato são aquelas em que há a necessidade de um contato físico entre os corpos para que neles atuem essas forças. Forças de campo são aquelas que atuam à distância, sem a necessidade de contato entre os corpos.

Segunda lei de Newton Luciana Melo Almeida Quando uma força resultante está presente numa partícula, esta adquire uma aceleração na mesma direção e sentido da força, segundo um referencial inercial.

Segunda lei de Newton Percebemos que Massa e Aceleração são grandezas inversamente proporcionais

Terceira lei de Newton Luciana Melo Almeida Quando um corpo exerce uma força sobre outro, o segundo corpo exerce uma força sobre o primeiro. As forças que compõem esse par (ação – reação) são sempre iguais em intensidade e opostas em sentido. Em outras palavras, “a toda ação corresponde uma reação de mesma intensidade e sentido oposto”.

Propriedades do par ação – reação Luciana Melo Almeida 1) Estão associadas a uma única interação, ou seja, correspondem SEMPRE às forças trocadas entre apenas dois corpos; 2) O par de forças SEMPRE apresenta mesma direção, mesma intensidade e sentidos opostos; 3) O par de forças NUNCA atua no mesmo corpo. Como as forças atuam em corpos diferentes, NUNCA se anulam. 4) As forças do par têm SEMPRE a mesma natureza (ambas de contato ou ambas de campo)

Propriedades do par ação – reação Luciana Melo Almeida 1) Estão associadas a uma única interação, ou seja, correspondem SEMPRE às forças trocadas entre apenas dois corpos; 2) O par de forças SEMPRE apresenta mesma direção, mesma intensidade e sentidos opostos; 3) O par de forças NUNCA atua no mesmo corpo. Como as forças atuam em corpos diferentes, NUNCA se anulam. 4) As forças do par têm SEMPRE a mesma natureza (ambas de contato ou ambas de campo)

Exercícios 1-) A função horária das posições de um móvel sobre uma trajetória retilínea é S= 10 – 2t (no SI). Pede-se: a) a posição do móvel no instante 6s b) o deslocamento do móvel entre os instantes 1s e 4s c) o instante em que o móvel passa pela origem das posições

Exercícios Page 13 2-) Duas esferas A e B movem-se ao longo de uma linha reta, com velocidades constantes e iguais a 4 cm/s e 2 cm/s. A figura mostra suas posições num dado instante. A posição, em cm, em que A alcança B é: a) 4. b) 8. c) 11. d) 12. e) 20

Exercícios Page 13 3-) Um gato realiza um MUV em trajetória retilínea e horizontal que obedece à função horária da velocidade V= – t em unidades do SI. Pede-se: a) a velocidade inicial e a aceleração b) o instante em que ele muda o sentido de seu movimento c) classificar o movimento em progressivo ou retrógrado, acelerado ou retardado, orientando a trajetória para a direita. Qual o tipo de movimento do gato nos instantes 2s e 10s

Exercícios Page 13 4-) Considere as seguintes afirmações a respeito de um passageiro de um ônibus que segura um balão através de um barbante: I) Quando o ônibus freia, o balão se desloca para trás. II) Quando o ônibus acelera para frente, o balão se desloca para trás. III) Quando o ônibus acelera para frente, o barbante permanece na vertical. IV) Quando o ônibus freia, o barbante permanece na vertical. Assinale a opção que indica a(s) afirmativa(s) correta(s). a) III e IV b) I e II c) Somente I d) Somente II e) Nenhuma das afirmações é verdadeira.

Exercícios 5- ) É comum, em filmes de ficção científica, que as naves espaciais, mesmo quando longe de qualquer planeta ou estrela, permaneçam com os motores ligados durante todo o tempo de percurso da viagem. Esse fato: 01- Se justifica, porque, se os motores forem desligados, a velocidade da nave diminuirá com o tempo até parar. 02- Se justifica, pois, para que qualquer objeto se mova, é necessária a ação de uma força sobre ele. 04-Se justifica, porque, se os motores forem desligados, a nave será desviada, de forma gradativa, de sua rota. 08- Não se justifica, pois, uma vez atingida a velocidade de cruzeiro, a nave seguirá até o destino com velocidade constante. 16- Não se justifica, pois, uma vez colocada no seu rumo, a nave seguirá até seu destino sem desviar-se da rota.

Exercícios 6-) Considere um grande navio, tipo transatlântico, movendo-se em linha reta e com velocidade constante (velocidade de cruzeiro). Em seu interior, existe um salão de jogos climatizado e nele uma mesa de pingue-pongue orientada paralelamente ao comprimento do navio. Dois jovens resolvem jogar pingue- pongue, mas discordam sobre quem deve ficar de frente ou de costas para o sentido do deslocamento do navio. Segundo um deles, tal escolha influenciaria no resultado do jogo, pois o movimento do navio afetaria o movimento relativo da bolinha de pingue-pongue. Nesse contexto, de acordo com as Leis da Física, pode-se afirmar que a) a discussão não é pertinente, pois, no caso, o navio se comporta como um referencial não inercial, não afetando o movimento da bola. b) a discussão é pertinente, pois, no caso, o navio se comporta como um referencial não inercial, não afetando o movimento da bola. c) a discussão é pertinente, pois, no caso, o navio se comporta como um referencial inercial, afetando o movimento da bola. d) a discussão não é pertinente, pois, no caso, o navio se comporta como um referencial inercial, não afetando o movimento da bola.

Exercícios 7-) Na figura abaixo despreze as forças dissipativas e calcule o valor da carga Q, sabendo que o rapaz exerce uma força de 25N para mantê-la em equilíbrio.

Exercícios 8-) Uma força de intensidade 20N atua sobre os blocos A e B, de massas mA=3kg e mB=1kg, como mostra a figura. A superfície sobre a qual desliza o conjunto é horizontal e sem atrito. Considere g=10m/s2 e determine: a) a intensidade da força que A aplica em B b) a intensidade da força que B aplica em A

Exercícios 9-) Dois corpos A e B de massas mA = 3kg e mB = 1kg estão ligados por um fio flexível, como mostra a figura, a mover-se sob a ação da gravidade, sem atrito. (considere g=10m/s 2 ). Determine a aceleração do conjunto e a intensidade da força de tração no fio.