As Forças

Uma força representa a ação de um corpo (ou sistema) sobre outro, podendo provocar movimento, mudança no movimento, ou a deformação dos corpos.


A força é uma grandeza vetorial, logo é representada por um vetor (segmento de reta orientado) que indica a sua intensidade, direção e sentido.










Na realidade, não deveríamos usar a palavra força no singular, mas sempre no plural. Elas surgem aos pares, sempre que dois corpos (ou sistemas) interagem (um realiza uma ação sobre o outro).


Por exemplo, quando o rapaz da figura acima empurra o carro com uma força F, o carro, devido a sua massa, reage, fazendo uma força oposta  (-F) sobre ele.









As Forças Fundamentais da Natureza

Existem quatro forças fundamentais na natureza. Os corpos e partículas interagem, através destas forças, mesmo distantes. As forças são "transmitidas" através dos chamados "campos", por isso também são chamadas de forças de campo.


São elas:

- A força gravitacional: 

Corpos (ou partículas) com massa se atraem mutuamente (massa atrai massa). Os corpos podem interagir através do campo gravitacional à distâncias imensas, como o Sol interage com os seus planetas, e vice-versa.


Interação gravitacional entre o Sol e a Terra


De acordo com a Lei da Gravitação (Isaac Newton), o módulo da força gravitacional é proporcional ao produto das massas dos corpos (M.m), e inversamente proporcional ao quadrado da distância (d²) que separa seus centros de massa:


Onde G (6,7 . 10⁻¹¹N.m²/kg²) é a constante da gravitação universal.


- A força eletromagnética: 

Corpos (ou partículas) eletrizadas com cargas elétricas opostas se atraem, e com cargas de mesmo sinal se repelem, é a chamada interação elétrica, realizada através do campo elétrico. 

Além disso, o movimento das partículas eletrizadas produz também um campo magnético, que faz com que as mesmas interajam magneticamente também. Mesmo nos ímãs, o magnetismo característico vem da forma com que os elétrons se movimentam nesses materiais. 

As interações eletromagnéticas podem também ocorrer a grandes distâncias, inclusive serem usadas para transmitir dados e informações, na forma de ondas eletromagnéticas (campo eletromagnético oscilante).



- A força nuclear forte:

É a força que mantém as partículas dos núcleos dos átomos ligadas (prótons+prótons, prótons+nêutrons, e nêutrons+nêutrons). É a força mais poderosa da natureza, mas tem um alcance pequeníssimo, da ordem do diâmetro dos núcleos dos átomos.


(Núcleo do átomo de Hélio)


- A força nuclear fraca:

É uma força relacionada ao decaimento de algumas partículas subatômicas (uma partícula que se transforma em outra(s)). O alcance dessa força é ainda menor que da força forte, da ordem do diâmetro de um próton. Por exemplo, um nêutron do núcleo de um átomo pode decair em outras três partículas, um próton, um elétron, e um anti-neutrino do elétron:









O elétron é ejetado do núcleo do átomo (radiação beta), e o núcleo passa a ter mais um próton, transformando-se em outro elemento químico. Esse é um dos tipos de decaimentos radioativos que existem.



Outras Forças a partir das Fundamentais:

Os efeitos das forças fundamentais ao nosso redor acabam por produzir outras que recebem nomes específicos.


A Força Peso (P)

Quando um corpo com massa muito menor que de um planeta, como a Terra, está muito próximo da sua superfície, seus centros de massa ficam separados praticamente pelo raio (R) do planeta.



Assim, a força gravitacional que o planeta exerce sobre ele, é:




Mas, 




é um valor constante que corresponde a aceleração da gravidade g

Desse modo, a força gravitacional passa a ser chamada de "força peso" (P):







Por exemplo, os respectivos pesos dos objetos com massas de 1kg e 2kg têm os seguintes valores:



Aliás, como o planeta puxa com o mesmo peso (mesma força) corpos que tenham a mesma massa, são usadas massas padrões, em balanças, para medir as massas de outros corpos:





As Forças de Contato

Um corpo (ou certa massa de uma substância) é formado por átomos e/ou moléculas que se ligam por forças eletromagnéticas.

Quando dois corpos interagem ao entrarem em contato, na realidade, são seus átomos ou moléculas que interagem (à distância muito pequena) no ponto de "contato". Dessa forma, não existiria realmente esse tal "contato".

Mas para o nosso mundo macroscópico, ou seja, aquele percebido por nossos sentidos, o contato é uma realidade. Então, quando um corpo interage com outro por contato, podemos observar algumas forças (chamadas de contato), muito estudadas na Física. São elas: a força elástica, a tração, a normal, o atrito, o empuxo. Vamos conhecer um pouco sobre cada uma delas?



A Força Elástica (Fₑₗ)

Corpos elásticos são aqueles que ao serem deformados, voltam a forma inicial (relaxada) após cessar a ação que provocou a deformação.

Os corpos elásticos deformados armazenam energia (energia potencial elástica) em sua estrutura. Mas as forças internas (eletromagnéticas) entre seus átomos (e/ou moléculas) os fazem voltar a sua forma original, o que provoca a liberação da energia armazenada. 


As molas são bons exemplos de corpos elásticos:









Mas uma corda elástica, uma bola de tênis, e até mesmo o ar confinado são exemplos também de corpos elásticos.

Quando uma mola deformada tem uma das suas extremidades presa a um corpo, e a outra está fixa, ao voltar a sua forma inicial passa a realizar uma força (Fₑₗ) sobre o corpo em contato:










Em 1660 o físico inglês Robert Hooke (1635-1703), o mesmo que descobriu a estrutura celular da cortiça usando um microscópico rústico,  estudou o comportamento mecânico das molas e, descobriu que as deformações elásticas obedecem a uma lei muito simples. Hooke verificou que a força elástica era proporcional à deformação da mola. Então, enunciou o resultado das suas observações sob forma de uma lei geral. Tal lei, que é conhecida atualmente como lei de Hooke, foi publicada em 1676, é a seguinte:


Ou seja, a intensidade dessa força depende do quanto a mola está deformada x, que também é o deslocamento do corpo preso a ela. O fator de proporcionalidade k representa a dificuldade para deformá-la (sua "dureza").  Essa dificuldade é representada pela constante elástica da mola (k). 

O sinal de "menos" na Lei de Hooke é porque a força elástica (Fₑₗ) é sempre oposta ao deslocamento (x).

No Sistema Internacional de unidades (S.I), a constante elástica é o newton por metro (N/m); ou seja, a força sobre a mola para deformá-la 1 metro.

Obviamente, uma mola não suporta ser deformada 1 metro. Esse valor é devido à unidade de comprimento do S.I, que é o metro. Por exemplo, uma mola com constante elástica k=12N/m, significa que para ser deformada 10cm (10 vezes menos que 1 metro), é necessária uma força de 1,2N (também 10 vezes menor que 12N).


Uma mola ideal tem massa desprezível, e não sofre deformação permanente,



Força de Tração, ou Tensão (T)

É a força transmitida por um fio, um cabo, uma correia, uma corrente. Por exemplo, quando um carro puxa um outro através de um cabo, é ele quem transmite a força para fazer isso.










Para um mesmo fio ou cabo, a tração sempre é a mesma em toda a sua extensão. Observe que o cabo puxa o carro rebocado para frente com a tração T, mas também puxa o carro que reboca para trás com a tração - T, de mesmo módulo.


Um fio ideal é aquele cuja massa é desprezível, e é inextensível (não estica). Isso implica que nenhuma energia do sistema se converta em energia cinética de translação do fio, ou que o mesmo não venha a armazenar parte da energia do sistema, como um corpo elástico faria.


As  roldanas (ou polias) são rodas sulcadas (por onde passa um fio, um cabo) que giram presas a um eixo. 











Elas são muito usadas para redirecionar a força aplicada por um fio (ou cabo), fazendo o fio mudar de direção, como na figura abaixo.










Quando uma carga C é presa ao eixo de uma roldana móvel (que tem movimento de translação, além da rotação), e seu peso (P) é dividido entre outras roldanas móveis, usando-se fios (ou cabos) diferentes, a carga pode ser levantada por uma força F muito menor que P:




















Observe que no esquema acima, existem 3 roldanas móveis, e uma fixa.

Se cada roldana for tratada como um corpo isolado, veremos o seguinte:


Para a roldana IV:









III:








II:







Observe que a tração T₁ tem o mesmo valor da força F.


O peso P foi dividido por 8 (=2³), e 3 é o número de roldanas móveis. Assim, podemos generalizar o resultado para um sistema com n roldanas (ou polias) móveis:








Para levantar a carga é preciso fazer inicialmente uma força ligeiramente maior que F, mas depois de ser retirada do repouso, pode voltar a um valor mínimo F(=P/2ⁿ), e a carga passaria a subir com a velocidade constante.

A vantagem mecânica V proporcionada por um sistema de roldanas é dado, por:






Para um sistema com 3 roldanas móveis, como já vimos, teríamos uma vantagem:







Ou seja, com uma força F podemos mover uma carga que tem peso P=8F.

Uma roldana ideal (ou polia ideal) seria aquela cuja massa e o atrito em seu eixo são desprezíveis. Isso implica que nenhuma energia do sistema seria convertida em energia cinética de rotação da roldana, ou venha a ser perdida por atrito (transformada em calor).



Força Normal (N)

A direção perpendicular a uma superfície plana é chamada de normal  (N).












Quando uma superfície faz uma força sobre um corpo, uma das componentes dessa força sempre será normal à ela, então, a chamamos de força normal (N). 

Por exemplo, quando um objeto está sobre uma mesa, esta faz uma força normal (N) sobre aquele que cancela seu peso P.












Também, quando um corpo está sobre um plano inclinado, este faz uma força normal N, cujo módulo é igual a componente do peso P na direção normal:













Superfícies curvas também exercem uma força normal sobre os corpos que interagem, mas nesse caso, a direção normal é a mesma do raio de curvatura R.






Força de Atrito (Fₐₜ)

Quando uma das faces de um bloco está sobre uma superfície, em escala microscópica as superfícies apresentam certa aspereza (irregularidades):











Quando uma força F paralela à superfície é aplicada sobre o bloco, as pontas daquelas irregularidades se tocam, e produzem uma força contrária, a chamada força de  atrito (Fₐₜ).











Enquanto o bloco estiver em repouso, Fₐₜ = F.


O bloco permanecerá em repouso até que a força aplicada F supere o chamado atrito estático máximo

A força de atrito Fₐₜ depende do quanto o bloco comprime a superfície. A força normal  N é a resposta da superfície a essa compressão; assim, quanto maior, mais as irregularidades das superfícies se entranham, e fica mais difícil mover o bloco paralelamente à mesma (aumenta o atrito).




 






Logo, a força de atrito Fₐₜ é proporcional à força normal N:





Onde μₑ é o coeficiente de atrito estático entre as superfícies. Ele varia entre zero e um valor máximo.

Para se calcular o atrito estático máximo Fₐₜ₍ₘ₎, ou seja, o atrito quando o corpo fica na iminência de entrar em movimento, basta usar o coeficiente de atrito estático máximo μₑ₍ₘ₎:





Quando se informa o valor do coeficiente de atrito estático μₑ, normalmente já se refere ao seu valor máximo.

Quando o bloco entra em movimento, a força de atrito passa a ser chamado de dinâmico Fₐₜ₍ᖱ₎ (ou cinético), seu valor diminui ligeiramente, mas passa a ter um valor constante. O coeficiente de atrito também passa a ser chamado de dinâmico μᖱ  (ou cinético), e também tem valor constante.




Então, a força de atrito ficaria assim:


 

O gráfico abaixo mostra como a força de atrito Fₐₜ varia em função da força aplicada F sobre o bloco:













Força de Empuxo (E)

Toda massa de um fluido (líquido ou gás) na superfície do planeta é puxada pela força peso, dessa forma, a pressão em certo ponto de uma coluna de um fluido depende do peso da massa acima dele.

Imagine um recipiente com um certo líquido. Quanto maior a profundidade h, maior será a pressão P exercida pelo líquido em determinado nível, devido ao peso da massa acima:


















Se um corpo é colocado nesse recipiente, e ficar totalmente, ou parcialmente imerso, a pressão na parte inferior do corpo será maior que na parte superior, o que faz surgir uma força na vertical,  para cima, chamada empuxo (E).

O módulo do empuxo é igual ao peso do líquido que caberia no volume deslocado pelo corpo. Por exemplo, se um corpo tem volume de 1 litro e, ao ser colocado no líquido 80% do seu volume fica imerso, significa que o empuxo equivale ao peso de 0,8 litro do líquido.

Se o mesmo corpo afunda e fica totalmente imerso, significa que o empuxo é igual ao peso de 1 litro do líquido.

Um corpo flutua na superfície de um líquido se o módulo de seu peso P for igual ao módulo do empuxo E sobre ele.



















Apenas corpos com densidade menor que do líquido conseguem flutuar.

O ar também exerce empuxo sobre os corpos, mas nesse caso, o empuxo é muito pequeno, por isso não sentimos seu efeito. Mas corpos com densidade menor que do ar e com grande volume ficam submetidos a um grande empuxo, é o caso de um balão cheio de ar quente. O empuxo sobre ele é tão grande que consegue subir com uma carga significativa em seu cesto.






Em seu trabalho Principia (1687), Isaac Newton (1643-1727) formulou as leis do  movimento e da gravitação universal  que fundamentaram o pensamento científico dominante até a teoria da relatividade de Albert Einstein. 

Newton usou sua descrição matemática da gravidade para provar as leis dos movimentos planetários de Kepler, explicou as marés,  as trajetórias dos cometas. Demonstrou que os movimentos dos corpos na Terra e dos corpos celestes poderiam ser explicados  pelos mesmos princípios.

Em homenagem a Isaac Newton, a unidade de força do sistema Internacional de unidade (S.I) tem o seu nome (newton - N).

Agora vamos estudar as leis que relacionam as forças ao movimento? Essa área da Física é chamada de Dinâmica



topo Avançar