Sir Isaac Newton, um dos maiores cientistas da história, desenvolveu as leis que descrevem o comportamento dos objetos em movimento. As Leis de Newton são os princípios básicos da física clássica e fornecem um alicerce sólido para entendermos o mundo ao nosso redor. Neste artigo, mergulharemos nas três leis, desde a primeira lei do movimento até a terceira lei da ação e reação, e descobriremos como elas moldam o universo físico.
A inspiração de Newton ao descrever as três leis do movimento dos corpos foi supostamente desencadeada pela queda de uma maçã. Ao testemunhar esse evento, ele estabeleceu uma conexão entre a queda da maçã e a presença de uma força.
Primeira Lei de Newton: Princípio da Inércia
Antes dos estudos revolucionários de Isaac Newton, a explicação para o movimento dos objetos após a parada de uma força era baseada na teoria de Aristóteles. Segundo essa teoria, uma força era necessária para manter um objeto em movimento até que ele retornasse ao repouso natural. Essa crença durou séculos, até que Newton formulou suas leis do movimento com base nas pesquisas de Galileu e Kepler.
Galileu, por meio de experimentos, observou que os corpos possuem uma propriedade chamada inércia, que os leva a manter seu estado de repouso ou de movimento, a menos que sejam influenciados por forças externas. Essa descoberta foi fundamental para a primeira lei de Newton, também conhecida como princípio da inércia.
Com base nas ideias de Galileu sobre inércia, Newton enunciou sua primeira lei:
Exemplos
- Podemos ilustrar a primeira lei com dois exemplos. Na primeira situação, um cavaleiro montado em um cavalo está em movimento e, quando o cavalo para abruptamente, o cavaleiro continua em movimento, parecendo ser lançado para a frente horizontalmente. Isso ocorre porque o cavaleiro possui inércia e mantém seu movimento inicial até que uma força externa o interrompa.
- Em um segundo exemplo, observamos um homem colidindo com um airbag durante um teste de colisão. Durante a frenagem, o homem tende a continuar em movimento, mas é impedido pelo cinto de segurança e pelo airbag, que fornecem uma força oposta para reduzir o impacto.
Fórmula
A formulação matemática dessa lei é:
F = 0
Onde:
- F é a resultante das forças atuando sobre o objeto.
- 0 indica que a resultante das forças é igual a zero, ou seja, a soma de todas as forças externas é nula.
Um corpo (ponto material) em equilíbrio apresenta variação de velocidade nula, ou seja, ele não possui aceleração. O equilíbrio pode ser estático ou dinâmico. O equilíbrio estático ocorre quando o corpo se encontra em repouso, e o equilíbrio dinâmico, quando o corpo está em movimento sem aceleração. Esse fato só acontece no movimento retilíneo uniforme (MRU).
Segunda Lei de Newton: Princípio Fundamental da Dinâmica
De acordo com a segunda lei de Newton, a aceleração de um objeto é diretamente proporcional à resultante das forças atuando sobre ele. Isso significa que a relação entre a força resultante e a aceleração é diretamente proporcional. Quando a força resultante é duplicada, a aceleração também é duplicada.
Com base nesses conceitos, pode-se enunciar a segunda lei de Newton:
Exemplos
- Durante o início de uma corrida, os atletas geralmente aplicam a maior força possível para obter a máxima aceleração. Considerando um atleta em particular, se a soma das forças resultantes sobre ele for de 100 N e a aceleração adquirida for de 2 m/s², é possível observar que dobrar a força resultante para 200 N resultará em uma aceleração dobrada de 4 m/s². Da mesma forma, se a força resultante triplicar, a aceleração também triplicará. Isso indica uma relação direta e proporcional entre a força resultante e a aceleração.
- Imagine uma pessoa empurrando um carrinho de supermercado vazio e outro carrinho cheio de compras. A pessoa aplica a mesma força em ambos os carrinhos. Segundo a segunda lei de Newton, a aceleração do carrinho vazio será maior do que a do carrinho cheio. Isso ocorre porque a segunda lei de Newton estabelece que a aceleração de um objeto é diretamente proporcional à força resultante aplicada a ele e inversamente proporcional à sua massa. O carrinho vazio tem uma massa menor do que o carrinho cheio, portanto, para a mesma força aplicada, o carrinho vazio terá uma aceleração maior.
Newton percebeu em seus estudos que a massa do corpo é a grandeza física que relaciona a força resultante e a aceleração adquirida. Com base nessa observação, ele formulou a segunda lei do movimento.
Fórmula
Essa lei é expressa pela fórmula:
FR = m · a
Onde:
- FR representa a força resultante, que é a soma vetorial de todas as forças aplicadas a um corpo,
- m é a massa do corpo, e
- a é a aceleração adquirida pelo corpo.
Essa equação simplesmente indica que, se não houver nenhuma força resultante atuando sobre um objeto, seu estado de movimento (repouso ou movimento com velocidade constante) não será alterado.
Para utilizar essas fórmulas corretamente, devem-se escolher unidades compatíveis no SI. No SI, a força é medida em newtons, a massa em kg e a aceleração em m/s2.
Terceira lei de Newton: Princípio da Ação e Reação
As interações entre corpos resultam no surgimento de forças. Assim, para cada força presente em um corpo, deve existir uma força reativa em relação a essa primeira força. Por exemplo, ao chutar uma bola, o jogador aplica uma força nela, enquanto a bola exerce uma força no jogador. Dessa forma, Newton estabeleceu:
Portanto, quando chutamos uma bola com uma força de 100 N verticalmente e para cima, recebemos dela uma força de 100 N verticalmente e para baixo. Vejamos mais exemplos de ação e reação:
Exemplos
- As naves espaciais têm um sistema de impulsão com motores que expulsam gases em diferentes direções. Ao expulsar esses gases em um sentido, a nave, devido à terceira lei de Newton, experimenta uma força no sentido oposto. Tal força faz com que a nave se afaste da superfície terrestre.
- Ao caminhar, exercemos uma força no chão para trás e recebemos dele uma força de mesma intensidade para a frente.
- Ao segurar uma caixa, aplicamos uma força vertical e para cima, e recebemos uma força de mesma intensidade vertical e para baixo.
- Ao pressionar a tela do celular com uma força oblíqua, recebemos dele uma força de mesma intensidade, mesma direção, porém em sentido oposto.
Fórmula
Matematicamente, a fórmula da terceira lei de Newton pode ser expressa da seguinte forma:
FAB = -FBA
Onde:
- FAB é a força exercida pelo objeto A sobre o objeto B.
- FBA é a força exercida pelo objeto B sobre o objeto A.
Essa fórmula indica que, se um objeto exerce uma força sobre outro objeto, o segundo objeto exerce uma força de mesma magnitude, mesma direção, mas em sentido oposto sobre o primeiro objeto. Em outras palavras, as forças sempre ocorrem em pares, sendo uma força de ação e outra força de reação.
Exercícios Resolvidos
1. Considere um carro de massa 1000 kg sendo empurrado por uma força resultante de 500 N. Usando a segunda lei de Newton, podemos calcular a aceleração do carro:
F = m * a
500 N = 1000 kg * a
a = 500 N / 1000 kg
a = 0,5 m/s²
Isso significa que o carro vai acelerar a uma taxa de 0,5 metros por segundo ao quadrado quando uma força resultante de 500 Newtons é aplicada a ele. Quanto maior a força resultante, maior será a aceleração, e quanto maior a massa do objeto, menor será a aceleração para uma força dada.
2. Um carro de massa 1200 kg está acelerando a uma taxa de 3 m/s². Qual é a força resultante atuando no carro?
F = m * a
F = 1200 kg * 3 m/s²
F = 3600 kg⋅m/s²
A força resultante atuando no carro é de 3600 Newtons (N).
3. Um carro de 1000 kg recebe uma força do motor correspondente a 1500 N. A força de atrito tem um valor constante de 500 N. Qual a aceleração do carro?
Tendo em conta os sentidos dos vetores e os valores das forças:
