Dinâmica: As Leis de Newton

Dinâmica é uma área da mecânica que se preocupa com as causas do movimento.
  Da dinâmica, temos três leis em que todo o estudo do movimento pode ser resumido. Essas leis são conhecidas como as leis de Newton:

Ø  Primeira lei de Newton - a lei da inércia

Ø  Segunda lei de Newton - o princípio fundamental da dinâmica

Ø  Terceira lei de Newton - a lei da ação e reação

Para o entendimento dessas leis, é necessário conhecer alguns conceitos físicos muito importantes, como força e equilíbrio.

Observe a sua situação nesse exato momento: provavelmente você está sentado em uma cadeira lendo esse texto. Nesse momento existem forças agindo sobre você: elas vêm da cadeira, do chão e de algum outro objeto em que esteja encostado. Observe que, mesmo com a existência dessas forças, você continua parado. Isso ocorre porque elas estão se cancelando. Podemos dizer, portanto, que você se encontra em equilíbrio.

O repouso não é a única situação de equilíbrio possível. Imagine-se de pé em um ônibus em movimento: se ele acelerar, frear ou fizer uma curva, você pode acabar se desequilibrando e caindo. Mas existe um caso que, mesmo com o ônibus em movimento, não haverá perigo nenhum de você cair. Isso acontecerá caso o ônibus execute um movimento retilíneo e uniforme (em outras palavras, quando ele se movimenta em linha reta e com velocidade constante). Nessa situação, podemos dizer que o ônibus está em equilíbrio.

Os dois casos exemplificados anteriormente ilustram situações de corpos em equilíbrio. O primeiro mostra o equilíbrio dos corpos em repouso, que é conhecido como equilíbrio estático. O segundo mostra o equilíbrio dos corpos em movimento, que é conhecido como equilíbrio dinâmico. Nos dois casos temos algo em comum que define a situação de equilíbrio, e esse algo em comum é o fato de que todas as forças que estão atuando estarem se anulando. Portanto:

O equilíbrio ocorre em toda a situação em que as forças atuantes em determinado corpo se cancelam.

A Primeira Lei de Newton - A Lei da Inércia

Na natureza, todos os corpos apresentam certa resistência a alterações no seu estado de equilíbrio, seja ele estático ou dinâmico. Imagine que você tenha que chutar duas bolas no chão: uma de vôlei e uma de boliche. É claro que a bola de vôlei será chutada com mais facilidade que a de boliche, que apresenta uma maior resistência para sair do lugar, maior tendência em se manter em equilíbrio, ou ainda, apresenta uma maior inércia. Define-se inércia como uma resistência natural dos corpos a alterações no estado de equilíbrio.

“Então, conclui-se que um corpo em repouso tende a permanecer em repouso, e um corpo em movimento tende a permanecer em movimento, a não ser que sofram a ação de uma força resultante diferente de zero.” 

Veja o exemplo no vídeo a seguir:

 

Quando o cavalo parou o cavalheiro tendeu a continuar andando para frente. Neste vídeo você observou a propriedade natural dos corpos de manterem seu estado de movimento. 

Um objeto que repousa sobre sua mesa, por exemplo, está em equilíbrio estático, e tende a permanecer nessa situação indefinidamente. No caso dos corpos em movimento, podemos imaginar um carro em movimento que freia bruscamente. Os passageiros serão lançados para frente porque tendem a continuar em movimento.

 

A moça que estava com o cinto parou, mais a que estava sem o cinto continuou indo para frente. Neste vídeo você viu a importância do uso do cinto de segurança.

Força Resultante

No nosso cotidiano, é impossível encontrar um corpo sobre o qual não existam forças atuando - só o fato de vivermos na Terra já nos submete à força da gravidade. Muitas vezes essas forças se anulam, o que resulta em equilíbrio. Em outros casos, a resultante das forças que atuam sobre um corpo é diferente de zero. Quando isso ocorre, o resultado dessas forças é definido como força resultante.

A determinação de uma força resultante não é algo simples, já que se trata de uma grandeza vetorial. Isso quer dizer que uma força é definida por uma intensidade, uma direção e um sentido. Como a força se trata de uma grandeza vetorial, não podemos determinar a força resultante utilizando a álgebra com que estamos acostumados. É preciso conhecer um processo matemático chamado de soma vetorial.

A seguir, estão ilustrados os casos mais conhecidos para a determinação da força resultante de duas forças aplicadas em um corpo.

Caso 1 - Forças com mesma direção e sentido.

Caso 2 - Forças perpendiculares.

Caso 3 - Forças com mesma direção e sentidos opostos.

Caso 4 - Caso Geral - Com base na lei dos Cossenos

A Segunda Lei de Newton - Princípio Fundamental da Dinâmica

Quando diversas forças atuam em um corpo e elas não se anulam, é porque existe uma força resultante. E como se comporta um corpo que está sob a ação de uma força resultante? A resposta foi dada por Newton na sua segunda lei do movimento. Ele nos ensinou que, nessas situações, o corpo irá sofrer uma aceleração.

Veja o exemplo no vídeo a seguir:

Força resultante e aceleração são duas grandezas físicas intimamente ligadas, ou seja, força e aceleração são grandezas diretamente proporcionais. Isso quer dizer que, se aumentarmos a força, a aceleração irá aumentar na mesma proporção.

A força resultante e aceleração serão vetores sempre com a mesma direção e sentido.

A segunda lei de Newton também nos mostra que a força resultante produz uma aceleração inversamente proporcional à massa do corpo. Isso significa que para uma mesma força, quanto maior a massa, menor a aceleração.

Unidades de força, massa e aceleração no Sistema Internacional.
Força - newton (N).
Massa - quilograma (kg).
Aceleração – metros por segundo quadrado (m/s²)

A Terceira Lei de Newton - Princípio da Ação e Reação

A terceira lei de Newton nos mostra como é a troca de forças quando dois corpos interagem entre si, seja essa interação por contato ou por campo. Segundo a terceira lei, se um corpo faz uma força em outro, imediatamente ele receberá desse outro corpo uma força de igual intensidade, igual direção e sentido oposto à força aplicada, como é mostrado na figura e vídeo a seguir.

 

 No vídeo vimos que, quando o robô faz uma força sobre a parede, ela responde com uma força sobre o robô.

Tenha acesso a questões resolvidas sobre o assunto na próxima página.