Física Introdutória I. Aula 04: Leis de Newton e Gravitação. Tópico 01: Primeira Lei de Newton

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1 Aula 04: Leis de Newton e Gravitação Tópico 01: Primeira Lei de Newton Caro aluno, se você visse as figuras acima em uma revista em quadrinhos, (sem nenhuma legenda) poderia imaginar que elas estão tratando de uma importante Lei da Física? Pois é, elas estão tratando da Primeira Lei de Newton que é o nosso objeto de estudo neste tópico. Nas aulas anteriores você estudou os movimentos, mas não se preocupou com o que causou esses movimentos. Realmente, não nos preocupamos, até agora, com as razões que fazem um objeto entrar em movimento, ou que faz a velocidade de um corpo mudar seu valor ou sua direção. A partir de agora, você vai conhecer as Leis de Newton e sua importância em nossa vida cotidiana. Aliás Newton ( é um personagem tão importante na história da Física, que vale a pena conhecer um pouco de sua vida. 1

2 Por muito tempo o estudo do movimento e suas causas foi o tema central da Filosofia Natural. Mas, somente com Galileu e depois Newton, o estudo dos movimentos alcançou extraordinário progresso. O inglês Isaac Newton ( ), foi o principal arquiteto do edifício da Mecânica clássica. As idéias de Galileu e de outros que o precederam, foram sintetizadas por Newton que as reuniu em três leis, publicadas pela primeira vez em 1686, no livro de sua autoria: Principia Mathematica Philosophiae Naturalis. Nessa aula você vai aprender as leis de Newton e como usá-las para resolver os problemas envolvendo objetos em movimento e em repouso. Agora você começa a estudar a DINÂMICA. Observação A palavra Dinâmica vem do grego dynamike, que significa forte. Em Física a Dinâmica é o ramo da Mecânica que estuda as relações entre as forças e os movimentos. Leis do Movimento Ao empurrar uma caixa sobre uma mesa é notório que ela só se movimenta enquanto estiver exercendo sobre ela uma força. Se a força cessar, ou seja, se parar de empurrá-la, ela logo pára. Tal observação levou o filósofo grego Aristóteles a estabelecer a seguinte conclusão: Um corpo só permanece em movimento se estiver atuando sobre ele uma força. Esta interpretação, formulada no século IV a.c., de Aristóteles foi aceita até o Renascimento (séc. XVII). Galileu Galilei dizia que o estudo sobre os movimentos requeria experiências mais cuidadosas. Após a realização de vários experimentos Galileu percebeu que sobre um livro que é empurrado, por exemplo, existe a atuação de uma força denominada de Força de Atrito, e que tal força é sempre contrária à tendência do movimento dos corpos. Assim, ele percebeu que se não houvesse a presença do atrito o livro não pararia se cessasse a aplicação da força sobre ele, ao contrário do que pensava Aristóteles. As conclusões de Galileu podem ser sintetizadas da seguinte maneira: Se um corpo estiver em repouso, é necessária a aplicação de uma força para que ele possa alterar o seu estado de repouso. Uma vez iniciado o movimento e depois de cessado a aplicação da força, e livre da ação da força de atrito, o corpo permanecerá em movimento retilíneo uniforme (MRU) indefinidamente. Os experimentos de Galileu levaram à conclusão da seguinte propriedade física da matéria: inércia. Segundo essa propriedade, se um corpo está em repouso, ou seja, se a resultante das forças que atuam sobre ele for nula, ele tende a ficar em repouso. E se ele está em movimento ele tende a permanecer em movimento retilíneo uniforme. Anos mais tarde, após Galileu ter estabelecido o conceito de inércia, Sir Isaac Newton formulou as leis da dinâmica denominadas de as três leis de Newton. Newton concordou com as conclusões de Galileu e utilizou-as em suas leis. Fonte: 2

3 A Primeira Lei de Newton é vivenciada por nós em muitas situações de nossa vida cotidiana Quando estamos em um ônibus, em pé e o ônibus arranca, nós tendemos a permanecer em repouso em relação ao solo terrestre. Como o ônibus vai para frente, se não nos segurarmos, vamos cair para trás no ônibus. Agora, se o ônibus estiver em movimento e de repente frear, nós caímos para frente. Nesse caso como temos a tendência de continuar em movimento em relação ao solo terrestre: o ônibus pára e nós não; como conseqüência, lá vamos nós caindo pra frente. Quem é que não passou por essa experiência? Olhando de Perto A Primeira Lei de Newton é também chamada Lei da Inércia. INÉRCIA, O QUE É ISSO? A inércia é uma propriedade física da matéria. Imagine um objeto que não esteja submetido à ação de nenhuma força resultante. Nesta condição, como você verá logo mais, esse corpo não sofrerá variação na sua velocidade, isto é, esse objeto não terá aceleração. Isto significa que, se está parado, permanece parado, e se está em movimento, permanece em movimento e a sua velocidade se mantém constante. Lembra do movimento retilíneo uniforme? Tal princípio, formulado pela primeira vez por Galileu e, posteriormente, confirmado por Newton, é conhecido como primeiro princípio da Dinâmica (1ª lei de Newton) ou princípio da Inércia. O conceito de inércia teve um importante precursor na Idade Média, com a "teoria do ímpeto" do filósofo Jean Buridan ( 3

4 A inércia pode ser interpretada da seguinte maneira: todos os corpos são "preguiçosos" e não desejam modificar seu estado de movimento ou de repouso: se estão em movimento, querem continuar em movimento; se estão parados, não desejam se mover. Imagine um imenso caminhão em movimento, é muito mais trabalhoso parar esse caminhão do que um carrinho pequeno, como um fusca, por exemplo. Por outro lado, se você quiser empurrar os dois carros, a experiência mostra que é muito mais difícil empurrar o caminhão parado do que o fusca. REFERENCIAIS INERCIAIS A Primeira Lei de Newton não vale em todos os referenciais. Mas sempre podemos encontrar referenciais nos quais a Primeira Lei de Newton é válida. Tais referenciais são chamados Referenciais Inerciais. Você já viu na Aula 2 que não se pode falar em movimento sem especificar em relação a qual referencial esse movimento ocorre. Isso também vale para o estado de repouso. Tanto o estado de movimento quanto de repouso, são sempre relativos. Se não consideramos um referencial, não há sentido dizer se algo está em movimento ou parado. Movimento ou repouso são conceitos relativos cuja descrição depende de um referencial específico escolhido pelo observador. Se você colocar um pacote sobre um dos assentos de um ônibus que está em movimento, verá que esse pacote pode ser deslocado sem que ninguém toque nele. Basta haver uma freada brusca ou uma curva em velocidade alta. Você mesmo, se não se segurar, já sabe que pode ser jogado para frente ou para trás, dentro do ônibus. 4

5 Nesta aula você está aprendendo a Lei de Inércia ou Primeira Lei de Newton que diz: "Todo corpo persiste em seu estado de repouso, ou de movimento retilíneo e uniforme, a menos que seja obrigado a modificar esse estado pela ação de forças aplicadas sobre ele." Sobre o pacote em repouso (relativo ao banco do ônibus) no banco do ônibus, deslocado da sua posição de equilíbrio, não estava agindo nenhuma força de interação. Não havia ninguém empurrando nem nada atraindo o livro. Pela Primeira Lei de Newton, ele deveria permanecer parado! Então, a primeira lei de Newton não vale no ônibus freando, fazendo uma curva ou então arrancando bruscamente. A primeira lei de Newton não vale em qualquer referencial. A Primeira Lei de Newton só é válida em um referencial inercial. Um referencial é denominado referencial inercial se nele a primeira lei de Newton é válida. Portanto, um ônibus em movimento acelerado não é um referencial inercial. Ele é um referencial nãoinercial. Um sistema em repouso ou se movendo com velocidade constante é um bom exemplo de referencial inercial. Olhando de Perto Um referencial é denominado referencial inercial se nele a primeira lei de Newton é válida. Aplicações da Primeira Lei de Newton no cotidiano A) Passageiros dentro do ônibus O exemplo mais simples, do ponto de vista da observação da inércia dos corpos, é aquele dos passageiros num ônibus. Quando o veículo é brecado, os passageiros tendem a manter-se no seu estado de movimento. Por isso, as pessoas "vão para a frente" do ônibus quando este breca. Na realidade, a mudança do estado de movimento é apenas do ônibus. B) Carro fazendo uma curva Quando um carro se movimenta numa estrada reta com velocidade constante, ao entrar numa curva, ele tende, por sua inércia, a manter a velocidade constante e portanto sair pela tangente à curva. Para efetuar a curva, os pneus são dispostos de forma a receber do solo uma força capaz de variar a direção da velocidade, como podemos ver na figura abaixo. 5

6 C) Cinto de segurança Por que a utilização do cinto de segurança? Quando o carro é parado bruscamente, seja por uma freada ou por um acidente, os passageiros simplesmente tendem a manter-se como estavam. Da inércia resultam os ferimentos em acidentes no tráfego. Veja só a importância do cinto de segurança: ele tem a função de proteger o passageiro da inércia de seu movimento no caso de uma freada brusca ou colisão. O air bag aumenta mais ainda a proteção. Em um choque forte, o air bag se infla por completo em um tempo curtíssimo, 1/20 de segundo. Completamente cheio, o air bag absorve o impacto inicial do corpo do motorista, em uma colisão frontal quando este é lançado para a frente, de acordo com a Primeira Lei de Newton. D) No circo Este é um recurso muito utilizado pelos mágicos no circo. Quando a pessoa puxa subitamente o cartão, a moeda cai no copo. Ela estava em repouso sobre o cartão e, por inércia, tende a permanecer em repouso. Este é o mesmo princípio que explica porque os mágicos no circo conseguem puxar a toalha de uma mesa sem que nenhum prato saia de cima dela. 6

7 E) Quem gosta de vaquejada, rodeios, certamente já viu esta cena. O cavalo pára subitamente e o cavaleiro que estava em movimento (com a mesma velocidade do cavalo), sai voando. É a Inércia! Artigo I. Exemplos Resolvidos Para você ir treinando na resolução dos exercícios, comece tentando resolver estes exemplos a seguir. Tente antes de ver a solução do problema. Caso não entenda alguma passagem de algum dos problemas, consulte o seu professor. Multimídia Vamos assistir a um filme sobre as Leis de Newton e suas aplicações. (LEIS DE NEWTON) (APLIC 1 LEI) Exemplo 1 O filósofo grego Aristóteles (384 a.c a.c.) afirmava aos seus discípulos:"para manter um corpo em movimento, é necessário a ação contínua de uma força sobre ele."esta proposição é verdadeira ou falsa? Solução Falsa; se o corpo em movimento estiver livre da ação de forças (ou a resultante das forças atuantes for nula), ele se manterá em movimento retilíneo uniforme indefinidamente, de acordo com o Princípio da Inércia. 7

8 Exemplo 2 É correto afirmar que os planetas mantêm seus movimentos orbitais por inércia? Solução Não, pois o único movimento mantido por inércia é o movimento retilíneo uniforme. Exemplo 3 Sobre uma mesa horizontal lisa, uma esfera deixa de executar seu movimento circular uniforme e sai tangente à curva, após o rompimento do fio que garantia sua circulação. Qual o tipo de movimento que a esfera realiza após o rompimento do fio? Justifique. Solução Após estar livre da força de tração do fio, que a obrigava a alterar a direção de sua velocidade, a esfera segue por inércia em movimento retilíneo uniforme. 8