Fundamentos de Mecânica Física 1 Fundamentos de Mecânica Força e Movimento I (Leis de Newton) Prof. Alexandre W. Arins

Isaac Newton Trouxe grande contribuição para a humanidade com seus estudos nas mais diversas áreas da Ciência, principalmente em Física e Matemática. Nascido em 1642, mesmo ano da morte do Físico Galileu Galilei, em Woolsthorpe, Lincolnshire, localizada na Inglaterra. Além de Física e Matemática, ele estudou Filosofia, Astronomia, Astrologia, Alquimia, Teologia, entre outras Ciências.

Dentre os muitos trabalhos que Isaac Newton elaborou, podemos citar: O desenvolvimento da Lei da Gravitação Universal O estudo sobre os Fenômenos Ópticos que possibilitaram a elaboração da teoria sobre a cor dos corpos A criação e o desenvolvimento dos Cálculos Diferencial e Integral O Binômio de Newton O estudo das Leis dos movimentos (As Leis de Newton - as quais estudaremos agora)

As Leis de Newton 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. 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.

Força Agente capaz de produzir num corpo uma aceleração e/ou uma deformação.

Força 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

Força 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 idéia, um Newton (1 N) é força necessária para erguer uma xícara de café (aproximadamente 100 g). 100 N é, aproximadamente, a força necessária para erguer 2 pacotes de arroz de 5 kg cada.

Forças Fundamentais da Natureza Na Natureza, existem apenas quatro tipos de forças, listadas abaixo em ordem decrescente de intensidade. Força Nuclear Forte: mantém a coesão do núcleo atômico e garante a união dos quarks para formarem os prótons e os nêutrons, assim como a ligação dos prótons entre si, equilibrando a força eletrostática repulsiva entre cargas de mesmo sinal. 2. Força Eletromagnética: existe entre partículas eletrizadas, englobando as forças elétricas e as forças magnéticas. 3. Força Nuclear Fraca: produz instabilidade em certos núcleos atômicos. Ela é a responsável pela emissão de elétrons por parte dos núcleos de algumas substâncias radioativas, num processo denominado decaimento beta. 4. Força Gravitacional: Força de interação entre corpos que possuem massa.

Classificação das Forças Forças de Contato: São forças que surgem no contato de dois corpos. Ex.: Quando puxamos/empurramos um corpo.

Classificação das Forças Forças de Campo: São forças que atuam a distância, dispensando o contato. Ex.: Ímã e um metal; o satélite e a Terra.

forças de contato e forças de campo

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.

As Leis da Dinâmica Sir Isaac Newton 1642 – 1727

Segundo Aristóteles, o movimento de um corpo não é um estado natural Segundo Aristóteles, o movimento de um corpo não é um estado natural. Para que ele ocorra, é necessária a ação de uma força. Aristóteles (384 a.C. – 322 a.C.) Segundo Galileu, inércia consiste na tendência natural que os corpos possuem em manter velocidade constante. Galileu (1564 d.C. – 1642 d.C.)

1ª Lei de Newton: 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)

1a Lei e o cinto de segurança A INÉRCIA consiste na tendência natural que os corpos possuem em manter sua velocidade constante (Manter o seu estado de equilíbrio – Repouso ou M.R.U.).

A grandeza física que mede a quantidade de inércia é a MASSA 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 UNIFORME. A grandeza física que mede a quantidade de inércia é a MASSA Portanto, a massa é uma propriedade intrínseca de um corpo,a qual mede sua resistência à variação de velocidade, ou aceleração. OBS: a massa de um corpo é independente do processo de medição. É uma grandeza escalar, cuja unidade no S.I. é o quilograma [kg].

Referenciais Inerciais 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. Em relação a carinha azul o pacote está em repouso, pois suas coordenadas permanecem constantes em relação a este referencial. Assim, segundo a 1ª lei de Newton, ele tende a permanecer em repouso, a não ser que alguma força atue e modifique seu estado. Em relação a carinha amarela o pacote que está em cima da mesa está em movimento, pois suas coordenadas estão mudando em relação a esse referencial adotado.

Referencial Inercial O referencial só é considerado INERCIAL se estiver em EQUILÍBRIO, ou seja, não possuir aceleração, quer dizer, ou está em repouso ou em movimento retilíneo uniforme (MRU). As Leis de Newton somente são válidas para referenciais inerciais!

“Princípio Fundamental da Dinâmica” 2ª Lei de Newton: “Princípio Fundamental da Dinâmica” “A mudança do estado de movimento de um corpo é proporcional à força motora imprimida, e é produzida na direção da linha reta na qual aquela força foi imprimida” (Isaac Newton - Principia) A unidade de força no SI é newton (N) 1 N = 1 kg.m/s² 20

Força Resultante FR = F1 + F2 + F3 A força resultante de um sistema de forças é a força única que, agindo sobre um corpo, produz nele o mesmo efeito que o sistema de forças. É determinada pela soma vetorial das forças constituintes do sistema. FR = F1 + F2 + F3

Exemplos:

Quando a resultante das forças que atuam em um corpo é nula dizemos que o corpo está em EQUILÍBRIO. Existem dois tipos de equilíbrio: Equilíbrio Estático: equilíbrio de um corpo em repouso. Equilíbrio Dinâmico: equilíbrio de um corpo em movimento retilíneo uniforme. FR =  F = 0 Fx = 0 Fy = 0 Fz = 0

3ª Lei de Newton: LEI DA AÇÃO E REAÇÃO “A toda ação há sempre uma reação oposta igual, ou, as ações mútuas de dois corpos um sobre o outro são sempre iguais e dirigidas a partes opostas”. (Isaac Newton - Principia)

Terceira lei de Newton Exemplo: força gravitacional 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”. Exemplo: força gravitacional

Propriedades do par ação – reação 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) O par ação/reação nunca se equilibra, pois as forças atuam em corpos diferentes. Observação:

Forças de contato Forças de campo

Exemplos: Ação/Reação

Fis-cad-1-top-3 – 3 Prova Força Peso g é o módulo da aceleração da gravidade que atua sobre o corpo.

Reação normal do apoio (N): Fis-cad-1-top-3 – 3 Prova Reação normal do apoio (N): surge quando um corpo se encontra sobre certa superfície de apoio. A força peso e a normal não formam um par ação e reação. Diagrama de forças de um corpo apoiado sobre uma superfície

Reação normal do apoio (FORÇA NORMAL) É importante ressaltar que A FORÇA NORMAL NÃO É UMA REAÇÃO AO PESO. A força normal é a força que uma superfície exerce sobre um corpo que a está comprimindo.

Conforme a situação, a intensidade da força NORMAL: É maior que a da força gravitacional (peso) É igual á da força gravitacional (peso) É menor que a da força gravitacional (peso)