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:
- 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.
- 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:
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:
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:
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:
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:
