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Dinâmica - Forças - Fundamentos


Í  N  D  I  C  E
   01 - Fundamentos
   02 - Leis de Newton
   03 - Forças Peso e Elástica
   04 - Leis de Newton: Aplicações I
   05 - Talha Exponencial
   06 - Plano Inclinado
   07 - Força de Atrito
   08 - Leis de Newton: Aplicações II
  09 - Resistência do Ar
  10 - Forças Centrípeta e Centrífuga







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  Fundamentos                                                         

Na maioria das vezes, por motivos pedagógicos, no estudo da Mecânica primeiro se estuda a Cinemática e depois a Dinâmica.

Além dos conceitos vistos em Cinemática, na Dinâmica são definidos mais dois, que são fundamentais: o de força e o de massa, através dos quais conseguimos calcular a aceleração que age sobre um corpo.

Quando consideramos que a massa do corpo que está sendo estudado, se concentra em um único ponto (denominado centro de massa), após calcularmos a aceleração do mesmo, o estudo de seu movimento se realiza através da Cinemática.

Após as considerações acima, podemos definir:

Cinemática, como sendo a subdivisão da Mecânica que descreve os movimentos sem se preocupar com suas causas.”

Dinâmica, como sendo a subdivisão da Mecânica que descreve os movimentos e suas causas.”

Nota: o objetivo dessa aula é fazer uma explanação conceitual da grandeza Força, ficando os detalhes e expressões matemáticas para aulas futuras.

Conceito de Massa

São comuns as expressões para quem frequenta uma academia: “ganhar ou perder massa” ou ainda “massa muscular”.

Ao final das contas, qual o conceito físico de massa?

Segundo o livro “Os Fundamentos da Física, vol. 01, Ramalho, Nicolau e Toledo”, o conceito físico de massa é:

“Massa é uma grandeza que atribuímos a cada corpo, obtida pela comparação do corpo com um padrão, usando-se o princípio da balança de braços iguais. O corpo-padrão pode ser o quilograma-padrão.”

A figura abaixo mostra uma balança de pratos que mede a massa de um corpo colocada em de seus braços através da comparação com outra massa conhecida que é colocada no outro braço. A medida é realizada depois que os braços atingem o equilíbrio.


O
Quilograma-padrão é um pequeno cilindro de platina (90%) e irídio (10%) mantido no Instituto Internacional de Pesos e Medidas, em Sèvres, nas proximidades de Paris. Por definição, sua massa é de um quilograma (símbolo: kg).

As figuras abaixo mostram o Quilograma-padrão dentro de sua redoma e em zoom, para podermos ter uma visão melhor de como ele é. As dimensões do cilindro são de 39 mm (3,9 cm) tanto na altura quanto no seu diâmetro.






Nota: o grama (símbolo: g) e a tonelada (símbolo: t), são, respectivamente, um submúltiplo e um múltiplo do quilograma.

Conceito de Força

Num dia em que tenha havido uma queda de energia elétrica num local onde você estava, certamente você mesmo disse ou ouviu a frase:

“Acabou a força.”

Ou ainda, já ouviu de uma pessoa que, por exemplo, carregou um pacote muito pesado, dizer:

“Fiz muita força.”

E se você já assistiu um episódio do He-Man, certamente o viu levantar a espada e dizer:

“Eu tenho a força.”


Mas, “força” não é algo que podemos comprar, ter em casa, ..., etc.

Ao final das contas, qual é o conceito de força?

Apesar de muito conhecida, o conceito de Força não é tão simples de ser entendido.

Na literatura aparecem várias formas de se definir força.

Vou definir força da seguinte forma:

 “Força é um agente externo que causa deformação e/ou modifica o movimento de um corpo.”

Vamos interpretar as duas decorrências da definição:

Primeira: causa deformação num corpo”

Nem sempre, ao aplicarmos uma força sobre determinado objeto conseguimos movê-lo, alterando assim a sua velocidade.

Por exemplo, se pegarmos uma bolinha de borracha com nossas mãos e apertarmos a mesma, ela simplesmente irá se deformar devido à intensidade da força que estamos aplicando, não necessariamente entrando em movimento. A mesma coisa aconteceria se substituíssemos a bolinha por um pedaço de massa para modelar.

Segunda: modifica o movimento de um corpo”

Imagine um menino brincando com um carrinho de brinquedo:

“O carrinho está parado no chão, quando o menino aplica sobre o mesmo uma força através de um empurrão e em seguida o carrinho entra em movimento.”


Outro fato importante é que muitas vezes existem outras forças envolvidas no sistema, ocorrendo à anulação da força aplicada.

Por exemplo, ao empurrarmos, ou tentamos empurrar um guarda roupa, o atrito de sua base com o chão poderá anular a força que estamos aplicando e, por consequência, não conseguiremos movimentar o mesmo.

Em minhas aulas, quando inicio o conceito de força, costumo por uma caixinha sobre a mesa do professor, por exemplo, a de giz, e perguntar o seguinte para a classe:

“Se eu aplicar uma força razoável na caixinha ela vai se movimentar?”

Quase sempre por unanimidade a resposta é sim.

Então eu aplico uma força de cima para baixo sobre a caixinha, e é obvio que a mesma não se movimenta.

Portanto é preciso deixar claro que “Força” é uma grandeza física “Vetorial”, que quando aplicada se faz necessário, além da intensidade, (módulo), definir a direção e sentido da aplicação da mesma.

Algumas forças recebem denominações específicas conforme a sua classe e natureza.  A seguir, vamos apresentar algumas dessas forças.

Força de Tração ( T )

É toda força transmitida através de cordas, arames, cabos de aço, fios, etc.



Força de Reação Normal ou Força Normal ( N )

Como o próprio nome diz, é toda força de reação da superfície de contato com o corpo em estudo. O nome “Normal” se refere a que sua direção é sempre perpendicular à superfície de contato (ângulo de 90°).


Força Peso ( P )

A Força Peso está relacionada com o “puxão gravitacional” que os corpos celestes dão nos objetos que estão no alcance de seus campos gravitacionais.

Em nosso dia-a-dia é comum as pessoas não distinguirem “Peso” de “Massa Corporal”.

Se alguém subir em uma balança e a mesma indicar “120 quilos”, certamente haverá a indagação: “como estou pesado”, referindo ao seu “peso” e não a sua “massa corporal”.

Fisicamente para obtermos o valor do peso da pessoa, precisamos multiplicar a massa corporal obtida na balança pelo valor da aceleração da gravidade no local em que está a balança.

Na prática, para se obter um valor aproximado aqui na Terra, multiplicamos o valor do resultado da balança por 10, enquanto que se fosse na Lua, multiplicaríamos por 1,6.

Para o exemplo acima, a pessoa teria uma massa corporal de 120 kg, um peso de 1.200 N aqui na Terra e de 192 N lá na Lua.

Obs.: a unidade de força no SI é o newton (N) em homenagem ao cientista Isaac Newton.

Observe o quadro abaixo:


Fonte: “Folha de São Paulo”.

A observação do Garfield de que se ele for para a Lua ficará com “menos peso” está correta, porém ele continuará gordo, pois, sua massa corporal continuará a mesma.

Classes de Forças

As forças podem ser classificadas em dois tipos: de contato e de campo.

Forças de Contato

Como o próprio nome já diz, são forças que para poderem agir, há a necessidade de haver o contato entre o agente aplicador da força e o corpo que recebe a aplicação da mesma. Exemplos:

  •  Uma pessoa empurrando um carrinho de supermercado
  •  Um guindaste erguendo uma pedra
  •  Uma locomotiva puxando os vagões

Forças de Campo

São forças que para poderem agir, não há a necessidade de haver o contato entre o agente aplicador da força e o corpo que recebe a aplicação da mesma, ou seja, são forças que agem à distância. Exemplos:

  •  Um ímã atraindo um prego (Força Magnética)
  •  Uma fruta caindo do pé. (Força Peso)
  •  Uma caneta que após ser atritada com o cabelo atrai pequenos pedacinhos de papel (Força Elétrica)

Exercício Resolvido

(FisMática) Um corpo se movimenta sobre um plano horizontal com MRU, ou seja, mantendo velocidade constante. Em dado momento, aplica-se sobre o mesmo uma força paralela ao plano de movimento. Desprezando qualquer tipo de resistência, o que acontece com sua velocidade considerando que a força aplicada tenha:

a) a mesma direção e sentido do movimento?

b) a mesma direção e sentido oposto ao do movimento?

c) direção e sentido perpendiculares ao do movimento?

Respostas

a) Independentemente da intensidade da força aplicada, vai aumentar o módulo de sua velocidade (acelerar), mantendo a direção e sentido iniciais do movimento;

b) Independentemente da intensidade da força aplicada, vai diminuir o módulo de sua velocidade até parar (desacelerar), mantendo a direção e sentido iniciais do movimento.

Sendo mantida a força aplicada após o instante em que o corpo atinja o repouso, o mesmo entrará novamente em movimento, sendo que, o módulo de sua velocidade irá aumentar (será acelerado), a direção inicial será mantida e o sentido do movimento será invertido;

c) Quando se aplica uma força perpendicular à direção do movimento, o módulo da velocidade se altera assim como a direção e sentido do movimento inicial, porém, a componente da velocidade na direção inicial do movimento se mantém constante.