Leis de Newton e forças
Referenciais, diagramas de corpo livre, contactos, atrito, sistemas ligados e dinâmica circular.
Um bloco de recebe um empurrão horizontal de . Sem atrito, acelera a . Se a superfície conseguir equilibrar o empurrão com atrito estático, pode continuar parado. Precisamos da resultante das forças sobre o bloco para determinar a aceleração.
Escolhe o corpo antes de desenhar as forças. O empurrão que esse corpo exerce noutro pertence a outro diagrama.
Leis de Newton
Num referencial inercial, um corpo com força resultante nula mantém a velocidade: pode estar parado ou mover-se em linha reta a rapidez constante. Compara o chão com um elevador. No chão, um bloco largado cai na vertical. Num elevador a acelerar para cima, o mesmo bloco parece cair mais depressa. O elevador não é inercial durante a aceleração. Um referencial ligado ao chão pode ser tratado como aproximadamente inercial nestes problemas.
O momento linear de uma partícula é , em . Para massa constante, a segunda lei é . A massa mede a inércia e a força mede-se em newtons, . A equação é vetorial, por isso há uma equação por direção independente. A forma aplica-se ao sistema material escolhido. Sistemas que recebem ou perdem massa exigem contabilizar o momento transportado.
A terceira lei afirma . As duas forças atuam em corpos diferentes, por isso não se cancelam no mesmo diagrama. O peso e a normal de um livro não formam um par de ação e reação. A reação ao peso é a força gravítica do livro sobre a Terra; a reação à normal é a força do livro sobre a mesa.
Escolher as forças
Perto da superfície terrestre, o peso é , vertical para baixo. A gravitação entre massas pontuais ou esferas simétricas tem módulo e é atrativa. mede a distância entre centros. diminui com a distância à Terra.
A normal é perpendicular à superfície de contacto e impede a interpenetração no modelo rígido. A sua intensidade vem das equações, não de uma regra . Um fio ideal, sem massa, inextensível e tenso, transmite uma tensão ao longo do fio. Uma roldana ideal, sem massa e sem atrito, mantém a mesma tensão nos dois lados. A roldana com inércia não tem essa propriedade.
Uma mola ideal exerce , onde é o alongamento com sinal desde o comprimento natural e se mede em . Uma resistência linear ao movimento tem forma relativamente ao meio. Estes são modelos, válidos apenas no intervalo em que a relação descreve o sistema real.
Atrito estático e cinético
O atrito estático ajusta-se ao valor necessário para impedir o deslizamento relativo, até ao limite
A igualdade vale na iminência de deslizar. O atrito cinético tem módulo aproximado e opõe-se à velocidade relativa das superfícies. Não se opõe obrigatoriamente à velocidade do centro de massa: numa roda motora pode apontar para a frente.
Um bloco de numa mesa, com , pode suportar até de força horizontal sem deslizar. Se o empurrão for , o atrito é , não , porque o estático só vale o necessário para equilibrar.
Plano inclinado
Escolhe ao longo da rampa, positivo para baixo, e perpendicular. Tomamos positivo para fora da superfície. Num bloco de massa , o peso tem componentes e . Sem aceleração perpendicular nem outras forças nessa direção,
Em repouso, o equilíbrio ao longo da rampa exige . Como e , o repouso só é possível quando , isto é, . Um ângulo maior obriga o bloco a deslizar. Se já desliza para baixo,
Com , , e , temos . O atrito necessário em repouso seria , mas o máximo estático é . O bloco parte, por isso passamos ao regime cinético. Durante a descida, e . A massa cancela na aceleração, porque as duas forças são proporcionais a .
Na demo, uma massa de parte do repouso. Usamos um só coeficiente, , para comparar a componente do peso com o atrito disponível. Com , prevê o que muda ao passar de para : o limiar é . As setas são esquemáticas; os valores mostram a intensidade efetiva.
O peso mantém-se vertical. A normal e o atrito acompanham a rampa. As setas mostram direções, sem escala de intensidade.
Se o bloco subir a rampa, peso e atrito cinético apontam ambos para baixo. Não reutilizes a equação de descida com o mesmo sinal do atrito, porque o atrito troca de sentido com o deslizamento.
Corpos ligados
Dois corpos de massas e pendem dos lados de uma roldana ideal. O fio inextensível obriga os dois módulos da aceleração a serem iguais. Marcamos sentidos positivos separados: para cima em e para baixo em . Assim, uma só letra representa os dois módulos quando o conjunto se move:
Somando as duas equações, a tensão cancela: , logo . Substituindo na primeira equação, . A tensão é maior que o peso do corpo que sobe e menor que o peso do corpo que desce, porque um acelera para cima e o outro para baixo.
Contacto entre dois blocos
Dois blocos encostados movem-se juntos quando empurrados: aí partilham a mesma aceleração, mas as forças sobre cada um são diferentes. Com massas de e , sem atrito, uma força de sobre o primeiro bloco dá ao conjunto. Sobre o segundo, a única força horizontal é o contacto, logo . No primeiro, confirma o mesmo valor. A força que o bloco 1 exerce no bloco 2 é a reação da força que o bloco 2 exerce no bloco 1, e nenhuma delas se cancela dentro de um só diagrama.
Contacto com atrito num dos blocos
Mantém as massas anteriores, mas coloca atrito apenas sob o segundo bloco. O empurrão continua a atuar horizontalmente no primeiro. Em repouso, o primeiro exige e o segundo exige . O conjunto pode ficar parado se . Só o bloco que tem contacto rugoso contribui para este limite.
Quando ambos deslizam para a direita, o atrito é para a esquerda. Somar as equações elimina a força interna de contacto:
Isolando o segundo bloco, , logo
A força de contacto não é apenas : tem também de vencer o atrito desse bloco. Uma aceleração negativa pode descrever corpos que ainda deslizam para a direita e abrandam. Nesse caso, confirma também , porque os blocos encostados podem empurrar-se, mas não puxar-se. Se a conta exigir , perde-se o contacto e é preciso resolver cada movimento separadamente.
Aceleração centrípeta
Para um movimento circular,
Segue três passos. Primeiro pergunta que força radial pode existir. Depois calcula o valor máximo dessa força. Só no fim impõe a igualdade com . Num carro numa curva horizontal sem inclinação, o atrito fornece essa resultante. Como , o limite sem derrapar é . Para e , , cerca de .
No topo de uma volta vertical pelo interior de uma pista, peso e normal apontam para o centro, portanto . O contacto exige , logo . Este limite será usado no problema de energia, porque a energia decide se chegas ao topo com essa rapidez.
Fundo de uma calote
No fundo de uma calote hemisférica, a normal aponta para cima e o peso para baixo, logo . Depois de uma descida sem atrito desde altura , o balanço de energia dá e a normal é : maior que o peso, porque curva a trajetória para cima. A rapidez aqui vem da energia, tal como no topo da volta; a dinâmica só decide a força de contacto para essa rapidez.
Referenciais acelerados
Num referencial que translada com aceleração , sem rodar, podemos escrever . O termo é uma força de inércia; não corresponde a uma interação com outro corpo.
Num elevador a acelerar para cima a , a equação inercial é , logo uma pessoa de lê numa balança de força. No referencial do elevador a pessoa está parada, mas é preciso acrescentar a força de inércia para baixo. Em queda livre, e , sem que a gravitação desapareça.
Ver referencial em rotação
Um referencial em rotação tem ainda termos centrífugo e de Coriolis. Para velocidade angular constante, são e . O segundo só aparece quando há movimento relativo ao referencial. Para resolver uma trajetória circular, costuma ser mais simples escolher primeiro o referencial inercial.
Equilíbrio
Uma partícula em equilíbrio exige . Duas cordas simétricas, cada uma a acima da horizontal, seguram uma massa de . As componentes horizontais anulam-se e , logo . O ângulo é medido da horizontal, por isso a componente vertical usa seno.
Para um corpo extenso também é necessário anular o torque. Esse equilíbrio é tratado na rotação.
Exercícios
Atrito que se ajusta
Um bloco de 3 kg está em repouso numa mesa. μ_s = 0,30 e uma força horizontal de 6 N tenta movê-lo. Usa g = 9,81 m/s². Qual o módulo do atrito, em newtons?
Pista
Verifica primeiro se o atrito máximo consegue equilibrar o empurrão.
Mais uma pista
N = 3 × 9,81. Compara 6 N com 0,30N.
Solução
O máximo é 8,829 N, maior que 6 N. O bloco pode ficar parado e o atrito tem módulo 6 N no sentido oposto ao empurrão, porque o estático ajusta-se ao necessário.
Erros frequentes
Usar μ_sN como o valor do atrito em todos os estados de repouso.
Dois corpos ligados
Massas de 3 kg e 5 kg pendem de uma roldana ideal. Qual o módulo da aceleração, em m/s²? Usa g = 9,81 m/s².
Pista
Escreve uma equação para cada massa com sentidos compatíveis.
Mais uma pista
Marca os positivos separados e soma as equações para eliminar T: (5 − 3)g = (5 + 3)a.
Solução
a = 2 × 9,81/8 = 2,4525 m/s². A massa de 5 kg desce. A tensão é 3(9,81 + a) = 36,7875 N.
Erros frequentes
Atribuir acelerações independentes a um fio ideal ou tomar T igual a um dos pesos.
Balança num elevador
Uma pessoa de está parada relativamente à cabina de um elevador que acelera para cima a . Usa e o referencial do edifício.
- Calcula a normal exercida pela balança sobre a pessoa.
- Identifica o corpo onde atua a reação ao peso e o corpo onde atua a reação à normal.
- Explica por que peso e normal não são um par da terceira lei.
Pista
Solução
Com o eixo positivo para cima, . Assim, . O peso vale ; a resultante de acelera a pessoa para cima.
A reação ao peso é a força gravítica da pessoa sobre a Terra. A reação à normal é a força da pessoa sobre a balança. Peso e normal atuam ambos na pessoa, portanto não formam um par de ação e reação. Estar parada na cabina não implica aceleração nula relativamente ao edifício.
Confere a tua resposta:
- Calculo N = 720 N pela segunda lei.
- Identifico as reações ao peso e à normal em corpos diferentes.
- Explico por que N e peso não se anulam neste caso.
Orientar o atrito durante a subida
Pista
Mais uma pista
Solução
Erros frequentes
Força entre blocos
Pista
Mais uma pista
Solução
Erros frequentes
Curva sem derrapar
Pista
Mais uma pista
Solução
Erros frequentes
Empurrar dois blocos, travar apenas um
Dois blocos encostados têm massas e . Uma força horizontal empurra o primeiro contra o segundo. Só o segundo tem atrito com a mesa: e . Usa .
- Qual o maior compatível com ambos em repouso?
- Com , partindo do repouso, calcula a aceleração e a força de contacto.
- Com , também partindo do repouso, calcula o contacto e o atrito.
Pista
Solução
A normal do segundo bloco é . O atrito estático máximo é . No repouso, o primeiro exige e o segundo , por isso .
Com , o limite é excedido. O atrito cinético vale e a aceleração comum é . No segundo bloco, , logo . No primeiro, confirma o resultado.
Com , ambos podem ficar parados. O contacto e o atrito têm módulos . Não se usa porque não há deslizamento, nem como valor efetivo porque o limiar ainda não foi atingido.
Confere a tua resposta:
- Obtenho o limiar de 15 N usando apenas a normal do segundo bloco.
- Para F = 24 N, calculo a = 3 m/s² e contacto de 18 N.
- Para F = 12 N e repouso inicial, obtenho contacto e atrito de 12 N.