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.
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.
Um método fiável para problemas de forças
- Escolha o objeto ou sistema que vai analisar.
- Desenhe todas as forças externas que atuam sobre ele.
- Escolha eixos e decomponha forças inclinadas quando necessário.
- Escreva ΣFx = max e ΣFy = may.
- 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.