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EEM PADRE RODOLFO FERREIRA DA CUNHA Física- Dinâmica/Leis de Newton Arnaldo Alves O que é dinâmica? A palavra dinâmica vem do grego dynamike, que significa “algo forte”. Na física, é a área que estuda o comportamento dos corpos em movimento, focando no que causa o movimento e não no movimento em si, que é o tópico da cinemática. A dinâmica investiga o que causa e o que modifica o movimento, ou seja, a ação de forças. O grande físico, e também matemático, que ganhou nome nessa área foi Isaac Newton, o principal físico que trabalhou nessa área (1643-1727), tanto que, em sua homenagem, a unidade de medida de força é newton (N). Os principais temas abordados nessa área são: ➢ Leis de Newton ➢ Gravitação ➢ Energia mecânica Leis de Newton: descrevem os movimentos dos corpos por meio das forças que atuam sobre eles. Ao todo, existem três leis de Newton: a lei da inércia, o princípio fundamental da dinâmica e a lei da ação e reação. A partir das leis de Newton, também se estuda o comportamento das forças de atrito, empuxo, tração, forças centrípetas etc. Gravitação universal: área da dinâmica que estuda o movimento dos corpos celestes. Além da lei da gravitação universal, que é utilizada para calcular a força e atração que um corpo exerce sobre outro, há também as leis de Kepler, usadas para descrever as órbitas planetárias. Energia mecânica: o estudo dessa forma de energia relaciona as energias cinética e potencial, entre outras. Aqui também se estuda o princípio da conservação da energia mecânica, além dos cálculos de trabalho mecânico e potência." Temas estudados na dinâmica O principal tema estudado nessa área é a força, o conjunto de leis que explica sua atuação é conhecido como as três leis de Newton: 1ª lei de Newton: conhecida como inércia, afirma que: “Todo corpo continua em seu estado de repouso ou de movimento uniforme em uma linha reta, a menos que seja forçado a mudar aquele estado por forças aplicadas sobre ele”. 2ª lei de Newton: conhecida como o princípio fundamental da dinâmica, afirma que: “A mudança de movimento é proporcional à força resultante (F) de um sistema; a força é igual ao produto da massa (m) com a aceleração do corpo (a)”. 3ª lei de Newton: conhecida como ação e reação, afirma que: “A toda ação há sempre uma reação oposta e de igual intensidade: as ações mútuas de dois corpos um sobre o outro são sempre iguais e dirigidas em sentidos opostos”. Resumo sobre dinâmica ✓ Dinâmica é a área da física que estuda o que causa o movimento. ✓ No movimento, há aplicação de forças. ✓ O principal estudioso da área foi o físico Isaac Newton. ✓ Unidade de medida de força é newton (N). ✓ Os principais temas abordados em dinâmica são: força (leis de Newton e gravitação universal), trabalho de uma força, potência mecânica, e energia mecânica (soma de energia cinética e energia potencial). ✓ A três leis de Newton são: inércia; força resultante é proporcional à aceleração do corpo; e ação e reação. Fórmulas da dinâmica Confira as principais fórmulas da dinâmica e aprenda o que significa cada uma de suas variáveis. Força resultante A força resultante pode ser obtida por meio do cálculo vetorial. De acordo com a 2ª lei de Newton, ela é igual ao produto entre a massa do corpo e sua aceleração. Fórmula do trabalho de uma força O trabalho exercido por uma força constante pode ser calculado por meio do produto entre a força aplicada e a distância percorrida pelo corpo. Energia cinética Energia cinética é a quantidade de energia armazenada em qualquer corpo de massa m que se move com velocidade v, como se vê na fórmula a seguir: Energia potencial gravitacional Energia potencial gravitacional diz respeito à quantidade de energia que é armazenada em um corpo de massa m, quando elevado a uma altura h a partir do solo, em uma região onde a aceleração da gravidade é igual a g. Energia mecânica Energia mecânica diz respeito a toda energia relativa ao movimento de um corpo ou sistema de corpos. A energia mecânica é igual à soma da energia cinética com a energia potencial. Primeira Lei de Newton A primeira lei de Newton estabelece que um corpo tende a permanecer em repouso ou em movimento retilíneo uniforme caso a resultante das forças que agem sobre ele seja nula. A primeira lei de Newton, também conhecida como lei da inércia, estabelece que, se a força resultante sobre um corpo for nula (igual a zero), esse corpo estará em repouso ou em movimento retilíneo uniforme. Confira a tradução do enunciado original da primeira lei de Newton: “Todo corpo continua em seu estado de repouso ou de movimento uniforme em uma linha reta a menos que seja forçado a mudar aquele estado por forças aplicadas sobre ele.” A inércia é uma propriedade da matéria que mede a resistência que um corpo oferece ao ser acelerado. Quanto maior for a inércia de um corpo, maior será a força necessária para alterar seu estado de movimento. Além disso, a inércia de um corpo é quantitativamente igual à sua massa. Por isso, de acordo com Sistema Internacional de Unidades (SI), pode ser medida em quilograma (kg). Referencial inercial Assim como as demais leis de Newton, a lei da inércia só é válida para referenciais inerciais. Assim, o ponto onde se encontra o observador dos movimentos não pode ser acelerado, portanto, ele deve mover-se com velocidade constante ou estar parado. O quadro esquemático abaixo facilitará sua compreensão acerca da primeira lei de Newton: Entendendo a primeira lei de Newton Antes dos trabalhos de Galileu Galilei, acreditava-se que, para haver movimento, era necessária a ação constante de uma força capaz de impelir os corpos a moverem-se. Foi Galileu quem percebeu que, na verdade, para que um corpo inicialmente em repouso fosse colocado em movimento, bastava a ação de uma força. Galileu não dispunha dos recursos tecnológicos capazes de demonstrar a inércia de um corpo, por isso, recorreu a alguns experimentos mentais. Em um desses experimentos, o físico propôs a existência de uma superfície perfeitamente polida, que não exercesse qualquer atrito com um corpo que fosse apoiado sobre ela. De acordo com seu raciocínio, um corpo colocado em movimento sobre essa superfície perfeitamente lisa jamais pararia: A conclusão de Galileu com o experimento proposto acima foi que, se não houvesse forças contrárias ao movimento do corpo, como a força de atrito, o corpo deveria mover-se em linha reta indefinidamente. Posteriormente, Isaac Newton determinou a lei da inércia, atribuindo a ela uma definição matemática precisa por meio da segunda lei de Newton. Dessa forma, Newton foi capaz de relacionar a inércia de um corpo com a força resultante sobre ele e com a aceleração adquirida. Exemplos da primeira lei de Newton Cotidianamente, podemos fazer diversas atividades com base na primeira lei de Newton. Confira algumas dessas situações: ➢ Se uma pessoa estiver dentro de um trem ou de um ônibus que se move com velocidade constante e jogar uma bolinha de papel para cima, a bolinha deverá cair de volta em sua mão. Isso indica que a pessoa, o meio de locomoção e a bolinha movem-se com a mesma velocidade. Além disso, a bolinha apresenta uma inércia capaz de mantê-la em movimento com a mesma velocidade. ➢ Ao frearmos ou acelerarmos um carro, somos “lançados” para frente e para trás, respectivamente. Apesar de parecer que há uma força nos movendo, o que sentimos refere-se à tendência de permanecermos em repouso ou em movimento uniforme. ➢ Em uma curva muito fechada, somos “espremidos” contra a porta do carro. Isso ocorre porque uma força centrípeta, que aponta para o centro do curva, faz o carro virar. Dessa forma, nossa inércia age na mesma direção dessa força, porém em sentido contrário. ➢ Uma forma defixarmos a cabeça de um martelo é batendo a base de seu cabo contra uma superfície. Como a cabeça do martelo tem uma inércia relativamente grande, ela ficará em repouso enquanto o cabo do martelo subirá, fixando-a. Força resultante A força resultante é a soma vetorial de todas as forças aplicadas a um corpo. De acordo com a Segunda Lei de Newton (Princípio Fundamental da Dinâmica), a força resultante é igual o produto da massa pela aceleração. Fórmula da Segunda Lei de Newton (Princípio Fundamental da Dinâmica) A fórmula matemática da Segunda Lei de Newton pode ser representada, de maneira simplificada, da seguinte forma: F= m.a, Onde: F = força resultante (medida em newtons (N)) m = massa do corpo (medida em kg) a = aceleração (medida em metro por segundo ao quadrado m/s²). Essa fórmula estabelece a resultante das forças e é chamada equação fundamental da dinâmica. Assim, a massa do corpo (m) é a constante de proporcionalidade da equação e é a medida da inércia de um corpo. Força peso Através da Segunda Lei de Newton (Princípio Fundamental da Dinâmica) é possível chegar à outra definição essencial para compreensão de fenômenos da Física: o peso. A Força Peso equivale à atração que um planeta exerce sobre um corpo em sua superfície. Essa força pode ser calculada da seguinte forma: P = m.g, Onde: P = Peso m = massa g = é a aceleração da gravidade local. A força peso varia de acordo com a gravidade, portanto, a massa de um corpo é fixa, mas o seu peso é variável. Dessa forma, um corpo com massa de 30kg no planeta Terra, onde a aceleração da gravidade é 9,8 m/s2, possui o seguinte peso: P = 30. 9,8 / P = 294 N. O mesmo corpo em um planeta com gravidade diferente, como Marte, por exemplo, onde a gravidade = 3,711 m/s2, o peso do corpo seria o seguinte: P = 30.3,711 / P = 37,11 N Exercícios 1ª. Um corpo com massa de 5 kg é submetido a uma força de intensidade 25N. Qual é a aceleração que ele adquire? 2ª. Determine qual é a aceleração desenvolvida por um corpo de massa igual a 4,5 kg, quando sujeito a uma força de 900 N. a) 10 m/s² b) 20 m/s² c) 0,5 m/s² d) 9 m/s² 3ª. (PUC) Quando a resultante das forças que atuam sobre um corpo é 10N, sua aceleração é 4m/s2. Se a resultante das forças fosse 12,5N, a aceleração seria de: a)2,5m/s2 b)5,0m/s2 c) 7,5 m/s2 d)2 m/s2 e) 12,5 m/s2 4ª. (PUC-RIO) A primeira Lei de Newton afirma que, se a soma de todas as forças atuando sobre o corpo for zero, o corpo … a) terá um movimento uniformemente variado b) apresentará velocidade constante c) apresentará velocidade constante em módulo, mas sua direção poderá ser alterada. d) será desacelerado e) apresentará um movimento circular uniforme. 5ª. Um corpo com massa de 60 kg está na superfície do planeta Marte, onde a aceleração da gravidade é 3,71 m/s2. De acordo com esses dados, responda: a) Qual é o peso desse corpo na superfície de Marte? b) Suponha que esse mesmo objeto seja trazido para a Terra, onde g = 9,78 m/s2, qual será o seu peso? 5ª. Newton é dos principais físico que trabalhou na área da dinâmica, quais são as três leis elaborada por ele? 6ª. O que a dinâmica estuda? 7ª. Qual a conclusão de Galileu Galilei em seu experimento sobre a inércia? 8ª. O que as Leis de Newtons descrevem? 9ª. O que afirma: a) A Inércia; b) A segunda Lei de Newton; c) A Terceira de Lei de Newton.