Skip to main content
Global

4.1: Desenvolvimento do conceito de força

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    194769

    • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

    Objetivos de

    Ao final desta seção, você poderá:

    • Entenda a definição de força.

    Dinâmica é o estudo das forças que fazem com que objetos e sistemas se movam. Para entender isso, precisamos de uma definição funcional de força. Nossa definição intuitiva de força, ou seja, empurrar ou puxar, é um bom ponto de partida. Sabemos que empurrar ou puxar tem magnitude e direção (portanto, é uma grandeza vetorial) e pode variar consideravelmente em cada aspecto. Por exemplo, um canhão exerce uma força forte sobre uma bala de canhão que é lançada no ar. Em contraste, a Terra exerce apenas uma pequena atração descendente sobre uma pulga. Nossas experiências diárias também nos dão uma boa ideia de como várias forças se agregam. Se duas pessoas empurrarem em direções diferentes em uma terceira pessoa, conforme ilustrado na Figura\(\PageIndex{1}\), podemos esperar que a força total esteja na direção mostrada. Como a força é um vetor, ela adiciona exatamente como outros vetores, conforme ilustrado na Figura\(\PageIndex{1a}\) para dois patinadores no gelo. As forças, como outros vetores, são representadas por setas e podem ser adicionadas usando o conhecido método da cabeça à cauda ou por métodos trigonométricos. Essas ideias foram desenvolvidas em Cinemática Bidimensional.

    (a) Visão aérea de dois patinadores de gelo empurrando um terceiro. Um patinador empurra com uma força F dois, representada por uma seta apontando para cima, e um segundo patinador empurra com uma força F um, representado por uma seta apontando da esquerda para a direita. O vetor F um e o vetor F dois estão ao longo dos braços dos dois patinadores que atuam no terceiro patinador. Um diagrama vetorial é mostrado na forma de um triângulo reto em que a base é o vetor F um apontando para o leste e perpendicular é mostrado pelo vetor F dois apontando para o norte. O vetor resultante é mostrado pela hipotenusa apontando para nordeste. (b) Diagrama de corpo livre mostrando apenas as forças que atuam sobre o patinador.
    Figura\(\PageIndex{1}\): A parte (a) mostra uma visão aérea de dois patinadores de gelo empurrando um terceiro. As forças são vetores e se somam como outros vetores, então a força total no terceiro patinador está na direção mostrada. Na parte (b), vemos um diagrama de corpo livre representando as forças que atuam no terceiro patinador.

    A figura\(\PageIndex{1b}\) é nosso primeiro exemplo de um diagrama de corpo livre, que é uma técnica usada para ilustrar todas as forças externas que atuam em um corpo. O corpo é representado por um único ponto isolado (ou corpo livre), e somente as forças que atuam no corpo de fora (forças externas) são mostradas. (Essas forças são as únicas mostradas, porque somente as forças externas que atuam no corpo afetam seu movimento. Podemos ignorar qualquer força interna dentro do corpo.) Os diagramas de corpo livre são muito úteis para analisar as forças que atuam em um sistema e são amplamente empregados no estudo e aplicação das leis do movimento de Newton.

    Uma definição mais quantitativa de força pode ser baseada em alguma força padrão, assim como a distância é medida em unidades em relação a uma distância padrão. Uma possibilidade é esticar uma mola a uma certa distância fixa, conforme ilustrado na Figura\(\PageIndex{2}\), e usar a força que ela exerce para voltar à sua forma relaxada - chamada de força restauradora - como padrão. A magnitude de todas as outras forças pode ser declarada como múltiplos dessa unidade padrão de força. Existem muitas outras possibilidades para forças padrão. (Uma que encontraremos no Magnetismo é a força magnética entre dois fios que transportam corrente elétrica.) Algumas definições alternativas de força serão dadas posteriormente neste capítulo.

    (a) Uma mola de comprimento x, fixada em uma extremidade, é mostrada na posição horizontal. (b) A mesma mola é mostrada puxada por uma pessoa a uma distância de delta x. A força restauradora F restore é representada por uma seta apontando para a esquerda em direção à posição onde a mola está fixada. (c) Uma balança de mola contendo uma mola esticada a uma distância delta x é mostrada. A força de restauração é representada por uma seta F restore apontando para a esquerda na direção oposta ao alongamento da mola.
    Figura: A\(\PageIndex{2}\) força exercida por uma mola esticada pode ser usada como uma unidade de força padrão. (a) Esta mola tem um comprimento quando não distorcida. (b) Quando esticada a uma distância,\( \Delta x \) a mola exerce uma força de restauração,\(F_{restore} \) que é reproduzível. (c) Uma balança de mola é um dispositivo que usa uma mola para medir a força. A força \(F_{restore}\)é exercida sobre tudo o que está preso ao gancho. Aqui \(F_{restore} \)tem uma magnitude de 6 unidades no padrão de força que está sendo empregado.

    EXPERIÊNCIA PARA LEVAR PARA CASA: PADRÕES DE FORÇA

    Para investigar os padrões de força, causa e efeito, use dois elásticos idênticos. Pendure um elástico verticalmente em um gancho. Encontre um pequeno item doméstico que possa ser preso ao elástico usando um clipe de papel e use esse item como peso para investigar o estiramento do elástico. Meça a quantidade de elasticidade produzida no elástico com um, dois e quatro desses itens (idênticos) suspensos do elástico. Qual é a relação entre o número de itens e a quantidade de elasticidade? Qual o tamanho que você esperaria para o mesmo número de itens suspensos por dois elásticos? O que acontece com a quantidade de elasticidade do elástico (com os pesos presos) se os pesos também forem empurrados para o lado com um lápis?

    Resumo

    • Dinâmica é o estudo de como as forças afetam o movimento dos objetos.
    • Força é um empurrão ou tração que pode ser definido em termos de vários padrões e é um vetor com magnitude e direção.
    • Forças externas são quaisquer forças externas que atuam em um corpo. Um diagrama de corpo livre é um desenho de todas as forças externas que atuam sobre um corpo.

    Glossário

    dinâmica
    o estudo de como as forças afetam o movimento de objetos e sistemas
    força externa
    uma força atuando em um objeto ou sistema que se origina fora do objeto ou sistema
    diagrama de corpo livre
    um esboço mostrando todas as forças externas atuando em um objeto ou sistema; o sistema é representado por um ponto e as forças são representadas por vetores que se estendem para fora do ponto
    força
    empurrar ou puxar um objeto com uma magnitude e direção específicas; pode ser representado por vetores; pode ser expresso como um múltiplo de uma força padrão