domingo, 21 de fevereiro de 2010

Força, inércia e as Leis de Newton.


Em física clássica, a força (F) é aquilo que pode alterar (num mesmo referencial assumido inercial) o estado de repouso ou de movimento de um corpo, ou de deformá-lo. Esta definição não pode ser desvinculada da Terceira Lei de Newton (que "afirma" que a força é a expressão física para a interação entre dois entes físicos [ou entre duas partes de um mesmo ente], definindo então a direção, o sentido e a igualdade dos módulos das forças de um par acão-reação), e da Segunda Lei de Newton (que define o módulo da força baseando-se na definição de aceleração e do quilograma-padrão [massa]).
Detectamos uma força através de seus efeitos. Estes podem ser: a variação no módulo da velocidade do corpo (por exemplo, quando se dá um chute numa bola em repouso); uma alteração na direcção e sentido do movimento do corpo (no Movimento Circular Uniforme ou no "efeito" no voo de uma bola); ou pode haver uma deformação no corpo em que é aplicada a força (e.g. a deformação momentânea da bola quando é chutada).

Força no âmbito da mecânica clássica.
Para um corpo de massa constante, a força resultante sobre ele possui módulo igual ao produto entre massa e aceleração:


Tal equação provém da segunda Lei de Newton ou princípio fundamental da dinâmica (p.f.d.).
De maneira mais geral temos que força é a derivada temporal total do momento linear ou quantidade de movimento:

. Para o caso de massa constante, esta mostra-se análoga à primeira.


As três leis de Newton

Isaac Newton, a partir de suas reflexões e análises, enunciou as três leis básicas do movimento que herdaram o seu nome, em homenagem.

Primeira Lei de Newton
Esta lei responde à pergunta sobre o que é Referencial inercial, e remove a ideia aristotélica de que é necessária a presença de uma força para que um corpo permaneça em movimento. As definições de Inércia e de referencial inercial fundamentam-se na ideia de força conforme definido (como a expressão física da interação entre DOIS entes físicos), e assim o conceito de força é primordial dentro das leis da mecânica.

Segunda Lei de Newton
Esta lei pode ser assim enunciada: a força que atua em um corpo é diretamente proporcional à aceleração que ele apresenta, e a constante de proporcionalidade é a massa do corpo. Repare que a Segunda Lei completa (baseada na Terceira Lei e na Primeira Lei) é a definição de força, estabelecendo ela o módulo e também a unidade desta. A unidade de força deriva de unidades pré-estabelecidas: a unidade de aceleração (m/s²) e a de massa (Kg - vide quilograma-padrão).
Quando uma força é aplicada, esta produz trabalho e transfere ou remove energia do objeto sobre o qual atua, desde que o objeto se mova de forma paralela à força aplicada.
As pseudo-forças ou forças inerciais "transformam", imaginariamente, um referencial não inercial em inercial, permitindo que as previsões decorrentes do uso das Leis de Newton nas referências não inerciais concordem com o que é observado a partir destes referenciais. Sem estas correções, as previsões e as observações não concordariam. O nome força inercial dado às estas pseudo-forças é portanto bem sugestivo.

Terceira Lei de Newton
Esta lei refere-se à força como expressão física da interação entre DOIS objetos. Segundo esta Lei, para haver força, ou melhor: forças (uma vez que sempre aparecem aos pares), devemos ser capaz de encontrar DOIS entes físicos em interação. Se não formos capazes de identificar os dois objetos ou entes, e acharmos que existe uma força sobre um único objeto do universo, então estaremos diante do que se chama em física de pseudo-força (falsa força) ou força inercial, e não de uma força em sua definição formal. O exemplo mais preciso é o do movimento circular, onde há uma força centrípeta (real), mas não há uma força (na definição do termo) centrífuga. A força centrífuga não existe como força real e sim como uma pseudo-força (uma falsa força) observada em referenciais NÃO inerciais.
A Terceira Lei pode ser assim enunciada: se um corpo "A" aplicar uma força sobre um corpo "B", este último aplicará sobre "A" outra força da mesma intensidade e mesma direção, mas no sentido contrário.

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