Dinâmica é o ramo da física que estuda as forças que agem sobre os corpos e suas consequências, vamos começar entendendo seus conceitos.
Agente físico capaz de modificar o movimento de um corpo. A natureza de uma força pode ser:
Força de campo: consegue agir a distância, sem precisar entrar em contato com o corpo.
Exemplos: força elétrica, força gravitacional.
Força de contato: necessita entrar em contato com o corpo.
Elas são representadas por vetores e suas principais unidades são Newton (N) e quilograma força (kgf), sendo a primeira a mais utilizada.
A soma de
todas as forças que atuam sobre um corpo/partícula é chamada de
força resultante (F
r).
Isaac Newton observou que as forças obedecem a três leis básicas da dinâmica, conhecidas como
1ª lei (Lei da inércia)
Se a força
resultante sobre uma partícula é nula, ela permanece em repouso ou em movimento retilíneo uniforme.
Exemplo: se um carro está se movendo em uma estrada a 10 m/s e nenhuma força atua sobre ele, ou se a soma de todas as forças for igual a
zero, ele permanecerá com essa velocidade indefinidamente (ele não irá parar)
2ª lei (Força resultante)
A força
resultante que atua sobre um corpo é igual ao produto da sua massa pela aceleração
Fr = m.a
Fr: força resultante, em N ou kgf
m: massa do corpo, em kg
a: aceleração do corpo, em m/s2
3ª lei (Lei da ação e reação)
Toda força de ação tem uma correspondente reação de mesmo módulo, direção e natureza, mas sentido contrário, que atuam em corpos
diferentes.
Exemplo: Se você empurrar uma parede com 50 N (força de ação, atua na parede)
ela lhe “empurra” de volta com os mesmos 50 N (força de reação, atua em você)
Observação: por atuarem em copos diferentes, as forças de ação e reação
não se anulam.
Agora vamos dar uma olhada nas principais forças, nas forças mais importantes, as ...
Força peso
Força resultante da interação da massa de um corpo com o campo gravitacional de outro.
Exemplo: você e a Terra
A Terra atrai você para o núcleo dela.
e você atrai a Terra
O peso
sempre será uma força vertical para baixo.
E sua intensidade é calculada pela fórmula
P = m.g
P: peso de um corpo, em N (pode ser em kgf também, mas é bem menos comum)
m: massa do corpo, em kg
g: aceleração gravitacional, em m/s2
Força normal
Força aplicada por uma superfície, sobre um corpo, quando o corpo estiver sobre a superfície.
Ela
sempre será perpendicular à e aponta para longe da superfície.
Sua intensidade pode ser calculada pela fórmula
N = m.g.cos θ
m: massa do corpo, em kg
g: aceleração da gravidade em m/s2
θ: inclinação da superfície
Se a superfície estiver na horizontal
θ = 0 e
cos 0 = 1
cos θ = 1.
Caso ela esteja na vertical
θ = 90º e
cos 90 = 0
cos θ = 0.
Observação: a força normal
não é uma força de reação ao peso do corpo, além do mais tanto a normal como o peso atuam no corpo, e as forças de ação e reação atuam em corpos
distintos.
Normal e peso atuam no mesmo corpo.
A força normal é uma força de reação à compressão que um objeto provoca em uma superfície (ao sentarmos em uma cadeira nós a comprimimos e ela responde com a força normal).
Força elástica (Lei de Hooke)
Força restauradora originada da deformação de uma mola (ao comprimi-la ou estendê-la). Ser restauradora significa que ela
sempre será contrária a deformação.
Se a mola for estendida, a força elástica atuará para comprimi-la.
Se a mola for comprimida, a força elástica atuará para estendê-la.
O módulo da força elástica pode ser calculado pela fórmula
F = k.Δx
F: força elástica, em N ou kgf
k: constante elástica, em N/m
Δx: deformação sofrida pela mola, em metros
Força de atrito
Força que se opõe ao movimento ou a tendência de movimento de um corpo.
Exemplo: considere uma pessoa que começa a empurrar uma caixa
a caixa tende a se mover no sentido no qual a pessoa está empurrando
então a força de atrito atua na caixa no sentido contrário
Mas tenha cuidado, nem sempre a força de atrito atua no sentido contrário ao movimento do corpo. Dizer que “ela é uma força que se opõe ao movimento de um objeto”
não quer dizer que ela atua no sentido contrário ao movimento do mesmo, exemplo: ao andarmos nosso pé empurra o chão para trás (força de ação, atua no chão)
o chão então responde através da força de atrito empurrando nosso pé para frente (força de reação, atua no nosso pé)
Note que a força de atrito e o movimento da pessoa possuem o mesmo sentido.
A intensidade da força de atrito pode ser calculada pela fórmula
Fat = μ.N
Fat: força de atrito, em N ou kgf
μ (mi): coeficiente de atrito
N: força normal
Há dois tipos de coeficiente de atrito, o
μe (coeficiente de atrito estático, atua no corpo enquanto ele está parado) e
μd (coeficiente de atrito dinâmico ou cinético, atua no corpo quando ele estiver em movimento), sendo que
μe >
μd.
Agora considere uma pessoa que aplica uma força sobre uma caixa pesada, inicialmente parada, para movê-la. O chão então responde aplicando uma força de atrito que se opõe ao movimento e a caixa continua parada.
A pessoa então empurra com mais força, contudo a caixa continua parada, isto porque o chão aplica uma força contrária ao movimento, de mesmo módulo e direção mas no sentido contrário.
A pessoa então empurra com uma força cada vez maior até que a caixa está prestes a se mover, se ele a empurrar só um pouquinho mais forte, a caixa começa a deslizar, a força de atrito atingiu o seu limite, conhecida como
força de atrito máxima ou
força de atrito de destaque e pode ser calculada com a fórmula
Fate = μe.N
A pessoa empurra com mais força e a caixa começa a se mover, a força de atrito que atua sobre ela agora é a força de atrito dinâmica e pode ser calculada com a fórmula
Fatd = μd.N, como μ
d < μ
e,
Fatd < Fate.
A força de atrito
praticamente independe da área de contato do corpo com o chão.
Força de tração ou tensão
Força aplicada a um corpo através de cabos, cordas, fios etc.
Exemplo: o bloco B começa a se afastar de A
consequentemente, a corda será tracionada e puxará o bloco A.
As forças que atuam no sistema são:
B puxa a corda (força de ação T1, atua na corda) e a corda puxa B (força de reação T1R, atua em B)
A corda por sua vez, puxa o bloco A (força de ação T2, atua em A) e A puxa a corda (força de reação T2R, atua na corda)
(a força que faz B se mover, e as forças de atrito foram desconsideradas)
Temos ainda
|T1| = |T1R| = |T2| = |T2R|
Normalmente, para resolver as questões, você só precisará se preocupar com T1R e T2.
Estas foram as principais forças que você precisa conhecer.
A força de tração merece uma atenção especial quando nós falamos em um sistema bem curioso, a talha exponencial. Você vai entender por quê
Associação de polias móveis (uma delas pode ser fixa), utilizada para facilitar o erguimento de corpos.
Exemplo
Com esse aparato, nós podemos erguer um corpo de peso P aplicando uma força
F = P/2n
n: quantidade de polias móveis
Funciona assim: considere um corpo de peso P suspenso por uma corda
Como o bloco está parado, deve haver uma força de mesmo módulo e direção de P, mas no sentido contrário. Esta força é a força de tração aplicada pela corda em B
(F
r = T -P = 0, se a resultante é nula, o bloco não se mexe)
A força de tração T será dividida em duas novas forças de tração T2 = T/2
A força de tração T2, por sua vez, também será dividida em duas novas forças de tração T3= T2/2
T3 será dividida em duas novas forças de tração T4 = T3/2
E assim por diante.
Logo, ao aplicar uma força ligeiramente maior que
F = P/2n, B sobe.
Por fim, precisamos estudar as forças que agem nos objetos em duas situações particulares.
Considere um objeto de peso P em um elevador.
l
As forças que atuam no objeto são
N: força normal
P: peso
Se a aceleração do elevador estiver para cima (⬆a)
N = m(g +a)
Neste caso, ele pode estar subindo acelerado ou descendo retardado.
Como
P = m.g, concluímos que
N > P.
Se a aceleração do elevador estiver para baixo (⬇a)
N = m(g -a)
Neste caso, ele pode estar subindo retardado ou descendo acelerado.
Novamente,
P = m.g, logo
N < P.
Nas expressões acima
m:massa do objeto, em kg
g: aceleração da gravidade, em m/s2
a: aceleração do elevador, em m/s2
Se o objeto estiver em um elevador, a força normal também é conhecida como
peso aparente. Isto porque, uma balança mede a força normal do objeto que é colocado sobre ela, e se o elevador possuir aceleração (para baixo ou para cima) N ≠ P.
Ressalto que o peso do objeto não muda.
Se o elevador estiver parado ou em movimento retilíneo uniforme (MRU) N = P.
