Leis de Newton

As leis de Newton são um método compacto para transformar forças em previsões sobre o movimento. A competência central não é decorar três frases, mas escolher o objeto, identificar as forças que atuam sobre ele e somá-las corretamente.

Três leis, um único quadro

Primeira lei: se a força externa resultante for zero, a velocidade mantém-se constante. O repouso é apenas o caso particular v = 0.

Segunda lei: uma força externa resultante diferente de zero altera a velocidade produzindo aceleração: ΣF⃗ = ma⃗. Força e aceleração são vetores; a aceleração aponta na direção da força resultante, não necessariamente na direção do movimento.

Terceira lei: quando o objeto A exerce uma força sobre B, B exerce sobre A uma força de igual módulo e sentido oposto.

Primeira lei: força resultante zero não significa movimento zero

Um objeto não precisa de uma força resultante contínua para continuar a mover-se com velocidade constante. Um disco a deslizar em gelo quase sem atrito pode continuar em movimento depois de terminar o empurrão. Uma força resultante altera a velocidade: o módulo, a direção ou ambos.

A afirmação pressupõe um referencial inercial, isto é, um referencial que não esteja a acelerar. Num automóvel acelerado aparecem efeitos aparentes que não correspondem a forças de interação comuns.

Segunda lei: some as forças antes de usar F = ma

O F da expressão conhecida é a força externa resultante, não uma força escolhida. Se 20 N atuarem para a direita e 8 N para a esquerda, a resultante horizontal é 12 N para a direita. Num objeto de 4 kg produz 3 m·s⁻².

A massa mede a inércia: para a mesma força resultante, uma massa maior tem menor aceleração. Peso e massa são diferentes; perto da superfície da Terra, o peso é a força gravitacional P = mg.

normal N peso mg empurrão atrito Diagrama de corpo livre: mostre as forças que atuam no objeto escolhido
Um diagrama de forças é uma ferramenta de balanço. Desenhe apenas forças externas que atuam no objeto escolhido; não acrescente «movimento» ou «força resultante» como setas adicionais.

Terceira lei: as forças de interação atuam em objetos diferentes

Um erro frequente é dizer que as forças sobre um objeto em movimento «se anulam pela terceira lei de Newton». Os dois membros de uma interação ação–reação não atuam sobre o mesmo objeto. Para decidir se as forças sobre um único corpo se equilibram, use o diagrama de corpo livre desse corpo.

caixa mão mão sobre caixa caixa sobre mão mesmo módulosentido opostoobjetos diferentes
Os pares da terceira lei nunca se anulam no mesmo diagrama de corpo livre. As forças têm o mesmo módulo e sentidos opostos, mas atuam em objetos diferentes.

Um método fiável para problemas de forças

  1. Escolha o objeto ou sistema que vai analisar.
  2. Desenhe todas as forças externas que atuam sobre ele.
  3. Escolha eixos e decomponha forças inclinadas quando necessário.
  4. Escreva ΣFx = max e ΣFy = may.
  5. Verifique sinais e unidades.

Não suponha que a força normal é sempre igual a mg. Isso só acontece em situações particulares, por exemplo numa superfície horizontal sem aceleração vertical e sem outra força vertical.

As forças comuns têm origens físicas específicas: o peso vem da gravidade, a normal atua perpendicularmente a uma superfície de contacto, o atrito ao longo da superfície e a tensão ao longo de uma corda ou cabo. Nomear a interação ajuda a evitar forças inventadas. Se um objeto se move para a direita, não existe automaticamente uma força para a direita; a resultante pode ser zero ou até apontar para a esquerda.

Exemplos resolvidos

1. Empurrão horizontal

Um carrinho de 5,0 kg é empurrado para a direita com 18 N, enquanto o atrito é 3,0 N para a esquerda. A resultante é 15 N e a = 15/5,0 = 3,0 m·s⁻² para a direita.

2. Elevador a velocidade constante

Um passageiro de 70 kg sobe a velocidade constante. Como a = 0, a força resultante é 0 N; logo N = mg = 70×9,81 ≈ 687 N.

3. Ação e reação

Uma pessoa empurra uma parede com 120 N. Pela terceira lei, a parede empurra a pessoa com 120 N no sentido oposto. As duas forças atuam em corpos diferentes.