Tipos de forças fundamentais na Natureza

Transcrição

1 Tipos de Forças

2 Tipos de forças fundamentais na Natureza Existem quatro tipos de interações/forças fundamentais na Natureza que atuam entre partículas a uma certa distância umas das outras: Gravitacional força que os corpos com massa exercem uns sobre os outros. Como é muito fraca é necessário ter pelo menos uma massa muito grande, como a de um planeta, para que se possa detetar o seu efeito. Eletromagnética força elétrica, que as cargas elétricas exercem umas sobre as outras; - força magnética, que as correntes elétricas ou ímanes exercem uns sobre os outros. Nuclear forte responsável pela estabilidade nuclear, ou seja, a força que une protões e neutrões no interior do núcleo. Nuclear fraca responsável pela transformação de certos núcleos em que um neutrão se transforma num protão, ou vice-versa (radioatividade)

3 Interação entre corpos. O que significa? Uma interação entre dois ou mais corpos significa uma ação reciproca entre eles. Uma interação entre corpos pode conduzir à alteração do estado de repouso, ou de movimento de um corpo e/ou produzir deformação. Podem ocorrer por contato ou à distância.

4 As interações, em Física Na realidade, mesmo as interações por contacto são interações à distância dado que não ocorre contacto entre os átomos dos corpos que interagem, pois eles, átomos, interagem à distância! Em Física, as interações entre os corpos são explicadas através do conceito de força. Força de contato: o corpo sobre o qual é exercida a força está em contato físico com o corpo que exerce a força; quando deixa de haver contato cessa a interação. F A / P F P / A Na figura, a pedra exerce uma força de contato sobre a areia, F P / A, e a areia exerce uma força de contato sobre a pedra F A / P

5 Gravitacional eletromagnética Nuclear forte Nuclear fraca n p + e + Alcance Infinito Infinito m (dimensão núcleo) m Interação Entre todas as massas Entre todas as cargas elétricas Entre quarks Entre nucleões e eletrões Efeito Atração entre massas Atração e repulsão entre cargas elétricas Estabilidade nuclear Decaimento beta Intensidade relativa

6 3ª Lei de Newton Lei da ação - reação Se uma força resulta da interação entre dois corpos, então não existem forças isoladas. As forças atuam sempre aos pares.

7 3ª Lei de Newton, ou Lei da ação - reação Os gases de escape exercem uma força vertical e ascendente sobre o foguetão, e este sobe. O foguetão exerce uma força vertical e descendente sobre os gases de escape, e estes descem. Estas duas forças têm a mesma intensidade e são simétricas tal que: Terceira Lei de Newton: Quando um corpo exerce uma força sobre outro, este exerce também sobre o primeiro uma força de igual módulo e direção, mas de sentido contrário, ou seja F A/ B FB / F A / B A é a força que o corpo A exerce sobre o corpo B. F B / A é a força que o corpo B exerce sobre o corpo A.

8 Forças que não constituem um par ação - reação As forças e não constituem um par ação reação porque são forças aplicadas no mesmo corpo, e por isso os seus efeitos anulam-se. N P As forças que atuam na maçã: a reação normal, que resulta da interação de contato entre a mesa e a maçã; o peso, que resulta da interação gravítica, à distância, entre a Terra e a maçã.

9 As forças de um par ação - reação

10 As forças de um par ação - reação É par ação reação: P É par ação reação: P e P O peso é a força gravítica que a Terra exerce sobre a maçã e o seu par é a força P = - P que a maçã exerce sobre a Terra, de direção vertical, sentido para cima e intensidade igual à do peso. N e N A reação normal N é a força que a mesa exerce sobre a maçã; o seu par é a força N = - N que a maçã exerce sobre a mesa, de direção vertical, sentido para baixo e intensidade igual à da reação normal.

11 Características das forças do par ação - reação Têm o mesmo módulo e direção; Têm sentidos opostos; Atuam em corpos diferentes, por isso os seus efeitos não se anulam; Resultam da mesma interação.

12 Lei da Gravitação Universal de Newton Todos os corpos no Universo, por terem massa, exercem forças de atração gravítica uns sobre os outros. F r F ` O corpo de massa M atrai o corpo de massa m com uma força F O corpo de massa m atrai o corpo de massa M com uma força F ` As duas forças constituem par ação-reação: F = - F `

13 Lei da Gravitação Universal de Newton Lei da Gravitação Universal dois corpos atraem-se exercendo, um sobre o outro, uma força que é diretamente proporcional às suas massas e inversamente proporcional ao quadrado da distância que os separa. Expressão matemática da Lei G é a constante de gravitação universal e vale, em qualquer lugar do Universo, 6.67 x N m 2 / kg 2 g, é a aceleração devido à gravidade e vale 9.80 m/s 2 à superfície da Terra e varia com a localização

14 sites.google.com/site/.../peso massa Lei da Gravitação Universal de Newton O peso de um corpo de massa m a uma altitude h é a força gravitacional que o planeta Terra, de massa M T e raio R T, exerce nesse corpo que se encontra a uma distância r = R T + h do centro da Terra. P G M r T 2 m G M m ( R h) T T 2

15 sites.google.com/site/.../peso_massa Peso de um corpo nos planetas do Sistema Solar

16 Efeito das forças sobre a velocidade A ação de uma força, ou de um sistema de forças, de resultante não nula, altera a velocidade de um corpo, quer em módulo, quer em direção, quer em sentido. Assim: 1- se a velocidade do corpo é nula, a força aplicada faz mover o corpo assim que superar a força de atrito.

17 Efeito das forças sobre a velocidade 2- se a força tem a direção da velocidade, ela só faz variar o módulo da velocidade, mas não a direção desta. Se tiver o sentido da velocidade, faz aumentar a velocidade do corpo. Se tiver o sentido oposto da velocidade, faz diminuir a velocidade do corpo. sendo, por isso mesmo, um movimento retilíneo.

18 Efeito das forças sobre a velocidade 3- se a força não tiver a direção da velocidade, faz mudar a direção da velocidade e o movimento é curvilíneo. Neste caso, decompõe-se a força segundo duas direções: Na direção da velocidade (componente tangencial), F x, que faz variar o módulo da velocidade. Na direção perpendicular à velocidade (componente normal), F y, que faz mudar a direção da velocidade.

19 Efeito das forças sobre a velocidade 3- se a força não tiver a direção da velocidade, faz mudar a direção da velocidade e o movimento é curvilíneo. Consideremos o lançamento horizontal de um corpo próximo da superfície da Terra. Dependendo da velocidade horizontal, paralela à superfície Para uma velocidade de lançamento suficientemente grande o corpo entrará em órbita! A velocidade é um vetor tangente à trajetória.

20 Efeito das forças sobre a velocidade Sempre que num corpo atuar uma força constante e perpendicular à velocidade a direção do movimento varia, mas o módulo da velocidade permanece constante. Se a Lua partisse da atual posição que ocupa com velocidade nula, colidiria com a Terra, devido à força gravitacional que a Terra exerce sobre ela. A Lua exerce sobre a Terra uma força gravitacional de igual intensidade. Porém a sua massa é cerca de 81 vezes menor que a da Terra. Por isso a Lua cairia sobre a Terra e não o contrário.

21 No movimento retilíneo vimos Aceleração média variação da velocidade por unidade de tempo: aceleração média a m v t Unidade SI: m s -2 aceleração média, a m, é uma grandeza vetorial: direção a do movimento (aceleração e velocidade são paralelas) Sentido positivo ou negativo componente escalar a m v t

22 No movimento retilíneo vimos Movimento com aceleração positiva (a aceleração aponta no sentido do movimento) Movimento com aceleração negativa (a aceleração aponta no sentido oposto do movimento) a m e v possuem a mesma direção e sentido. movimento retilíneo acelerado a>0 e v>0 ou a<0 e v<0 a m e v possuem sentidos contrários. movimento retilíneo retardado a>0 e v<0 ou a<0 e v>0

23 Nos movimentos curvilíneos Nos movimentos curvilíneos a aceleração existe sempre mesmo que o módulo da velocidade não varie, pois a direção de varia sempre. v No movimento curvilíneo a velocidade,, e a variação da velocidade, v, não têm a mesma direção. v

24 Determinação gráfica da aceleração A aceleração num determinado instante pode ser calculada a partir do declive da tangente ao gráfico velocidade tempo no instante pretendido. Informação do gráfico v=f(t): O valor algébrico da velocidade em cada instante; O sentido da velocidade (no sentido positivo do eixo escolhido ou no sentido contrário); O valor algébrico do deslocamento (dado pela área subentendida pela curva do gráfico relativamente à reta de equação v=0); O valor algébrico da aceleração.

25 Determinação gráfica da aceleração a < 0 a > 0 a = 0 Gráfico velocidade tempo de um movimento retilíneo

26 F R Segunda Lei de Newton F R F R Conclusão: para um determinado corpo, a resultante das forças, ou força resultante, F R, tem sempre a mesma direção e sentido da aceleração, a, do seu centro de massa. O módulo da força resultante é diretamente proporcional ao módulo da sua aceleração.

27 Segunda Lei de Newton ou Lei Fundamental da Dinâmica O módulo da força resultante que atua sobre um corpo de massa constante é diretamente proporcional ao módulo da aceleração que ele adquire, sendo a constante de proporcionalidade igual à massa inercial. F R ma F - força resultante (N) que atua no corpo R m a - massa inercial (é uma propriedade de cada corpo) (Kg) - aceleração adquirida pelo corpo (ms -2 )

28 Segunda Lei de Newton Três blocos com massas diferentes são sujeitos à mesma força resultante: Conclusão: quanto maior for a massa do corpo, menor será a aceleração adquirida para uma determinada força resultante, ou seja, maior será a sua inércia (tendência para manter a mesma velocidade) m 3 < m 1 < m 2 a 3 a1 a2

29 Caracterizar o movimento Movimento retilíneo (a direção da velocidade é constante) F 0 a 0 F 0 a 0 F R a e v e v paralelos paralelos Uniforme Acelerado variado Retardado v a e v têm o mesmo sentido a e v têm o mesmo sin al a e v têm o sentidos opostos a e v têm sin ais contrários Movimento curvilíneo (a direção da velocidade varia) F 0 a 0 F R e v nunca são paralelos a e v nunca são paralelos variado Uniforme Fa R a m acelerado retardado e v são perpendiculares e v têm o mesmo sentido ângulo entre ângulo entre a e v a e v 0 menor que 90 0 maior que 90

30 Lei da inércia

31 Conclusão: Objetos em repouso tendem a permanecer em repouso a menos que sobre eles atue um conjunto de forças cuja resultante seja diferente de zero

32 ARISTÓTELES explica Para manter um corpo em movimento é necessário que atue uma força sobre ele. Nota: nesta época não se conhecia o atrito a.c GALILEU explica Se a resultante das forças que atuam sobre um corpo for nula, a sua velocidade permanecerá constante. Galileu imaginou uma situação ideal em que um corpo deslizava numa superfície horizontal sem atrito. Será que a esfera vai parar? A velocidade da esfera será constante.

33 Newton explica Se a força resultante que atua sobre um corpo for nula, o corpo permanecerá em repouso se estiver inicialmente em repouso, ou terá movimento retilíneo uniforme se estiver em movimento. Quando a resultante das forças que atua sobre um corpo é nula: Se o corpo estiver inicialmente em repouso, permanecerá em repouso ( ); Se o corpo estiver inicialmente em movimento, permanecerá com a mesma velocidade, ou seja, terá movimento retilíneo e uniforme ( ).