Skip to main content
Global

5.6: Terceira Lei de Newton

  • Page ID
    185506
  • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

    Objetivos de

    • Terceira lei do movimento de State Newton
    • Identifique as forças de ação e reação em diferentes situações
    • Aplique a terceira lei de Newton para definir sistemas e resolver problemas de movimento

    Até agora, consideramos a força como um empurrão ou um puxão; no entanto, se você pensar sobre isso, perceberá que nenhum empurrão ou puxão ocorre por si só. Quando você empurra uma parede, a parede empurra de volta para você. Isso nos leva à terceira lei de Newton.

    Terceira Lei do Movimento de Newton

    Sempre que um corpo exerce uma força sobre um segundo corpo, o primeiro corpo experimenta uma força que é igual em magnitude e oposta em direção à força que ele exerce. Matematicamente, se um corpo A exerce uma força\(\vec{F}\) sobre o corpo B, então B exerce simultaneamente uma força\(− \vec{F}\) sobre A, ou em forma de equação vetorial,

    \[\vec{F}_{AB} = - \vec{F}_{BA} \ldotp \label{5.10}\]

    A terceira lei de Newton representa uma certa simetria na natureza: as forças sempre ocorrem em pares, e um corpo não pode exercer uma força sobre outro sem experimentar uma força em si. Às vezes nos referimos a essa lei vagamente como “ação-reação”, onde a força exercida é a ação e a força experimentada como consequência é a reação. A terceira lei de Newton tem usos práticos para analisar a origem das forças e entender quais forças são externas a um sistema.

    Podemos ver facilmente a terceira lei de Newton em ação analisando como as pessoas se movimentam. Considere um nadador empurrando a lateral de uma piscina (Figura\(\PageIndex{1}\)). Ela empurra contra a parede da piscina com os pés e acelera na direção oposta à de seu impulso. A parede exerceu uma força igual e oposta sobre o nadador. Você pode pensar que duas forças iguais e opostas se cancelariam, mas não o fazem porque agem em sistemas diferentes. Nesse caso, existem dois sistemas que poderíamos investigar: o nadador e a parede. Se selecionarmos o nadador para ser o sistema de interesse, como na figura, a parede F nos pés é uma força externa nesse sistema e afeta seu movimento. O nadador se move na direção dessa força. Em contraste, a força dos pés F na parede atua na parede, não em nosso sistema de interesse. Assim, os pés F na parede não afetam diretamente o movimento do sistema e não cancelam a parede F sobre os pés. A nadadora empurra na direção oposta à que ela deseja se mover. A reação ao impulso dela está, portanto, na direção desejada. Em um diagrama de corpo livre, como o mostrado na Figura\(\PageIndex{1}\), nunca incluímos as duas forças de um par ação-reação; nesse caso, usamos apenas a parede F nos pés, não os pés F na parede.

    A figura mostra uma nadadora empurrando contra a parede com os pés. A direção da aceleração é para a esquerda. Força F pés subscritos na parede aponta para a direita e força F parede subscrita nos pontos dos pés à esquerda. O nadador está circulado e esse círculo é rotulado como sistema de interesse. Isso não inclui a parede, nem a força F pés subscritos na parede. Um diagrama de corpo livre mostra o vetor w apontando para baixo, o vetor BF apontando para cima e a parede subscrita do vetor F nos pés apontando para a esquerda.
    Figura\(\PageIndex{1}\): Quando a nadadora exerce uma força na parede, ela acelera na direção oposta; em outras palavras, a força externa líquida sobre ela está na direção oposta aos pés F na parede. Essa oposição ocorre porque, de acordo com a terceira lei de Newton, a parede exerce uma força F sobre os pés do nadador que é igual em magnitude, mas na direção oposta à que ela exerce sobre ela. A linha ao redor do nadador indica o sistema de interesse. Assim, o diagrama de corpo livre mostra apenas a parede F nos pés, w (a força gravitacional) e BF, que é a força de empuxo da água que suporta o peso do nadador. As forças verticais w e BF são canceladas porque não há aceleração vertical.

    Outros exemplos da terceira lei de Newton são fáceis de encontrar:

    • Enquanto um professor caminha em frente a um quadro branco, ele exerce uma força para trás no chão. O piso exerce uma força de reação para frente sobre o professor que faz com que ele acelere para frente.
    • Um carro acelera para frente porque o solo avança nas rodas motrizes, em reação às rodas motrizes empurrando para trás no chão. Você pode ver evidências de que as rodas estão empurrando para trás quando os pneus giram em uma estrada de cascalho e jogam as pedras para trás.
    • Os foguetes avançam expelindo gás para trás em alta velocidade. Isso significa que o foguete exerce uma grande força para trás sobre o gás na câmara de combustão do foguete; portanto, o gás exerce uma grande força de reação para frente no foguete. Essa força de reação, que empurra um corpo para frente em resposta a uma força para trás, é chamada de empuxo. É um equívoco comum pensar que os foguetes se impulsionam empurrando o solo ou o ar atrás deles. Na verdade, eles funcionam melhor no vácuo, onde podem expelir mais facilmente os gases de escape.
    • Os helicópteros criam sustentação empurrando o ar para baixo, experimentando assim uma força de reação ascendente.
    • Pássaros e aviões também voam exercendo força no ar em uma direção oposta à força de que precisam. Por exemplo, as asas de um pássaro forçam o ar para baixo e para trás para se levantar e avançar.
    • Um polvo se impulsiona na água ejetando água de seu corpo por um funil, semelhante a um jet ski.
    • Quando uma pessoa puxa uma corda vertical, a corda puxa a pessoa para cima (Figura\(\PageIndex{2}\)).
    A fotografia de um alpinista é mostrada à esquerda. A figura de um alpinista é mostrada à direita. Uma flecha apontando para baixo é rotulada como alpinista puxa uma corda para baixo. Uma flecha apontando para cima é rotulada como corda puxada para cima no alpinista.
    Figura\(\PageIndex{2}\): Quando o alpinista puxa a corda para baixo, a corda puxa para cima o alpinista.

    Há duas características importantes da terceira lei de Newton. Primeiro, as forças exercidas (a ação e a reação) são sempre iguais em magnitude, mas em direção oposta. Segundo, essas forças estão atuando em corpos ou sistemas diferentes: a força de A atua em B e a força de B atua em A. Em outras palavras, as duas forças são forças distintas que não agem no mesmo corpo. Assim, eles não se cancelam.

    Para a situação mostrada na Figura 5.2.5, a terceira lei indica que, como a cadeira está empurrando o menino para cima com força\(\vec{C}\), ele está empurrando a cadeira para baixo com força\(− \vec{C}\). Da mesma forma, ele está empurrando para baixo com forças\(− \vec{F}\) e\(− \vec{T}\) no chão e na mesa, respectivamente. Finalmente, como a Terra puxa o menino para baixo com força\(\vec{w}\), ele puxa para cima na Terra com força\(− \vec{w}\). Se esse aluno batesse com raiva na mesa frustrado, ele aprenderia rapidamente a dolorosa lição (evitável ao estudar as leis de Newton) de que a mesa rebate com a mesma força.

    Uma pessoa que está andando ou correndo aplica a terceira lei de Newton instintivamente. Por exemplo, o corredor na Figura\(\PageIndex{3}\) empurra para trás no chão para que ele o empurre para frente.

    A Figura a mostra a imagem de um corredor, rotulado, empurrando para trás e para baixo no chão. Uma flecha chamada F de seu pé aponta para baixo e para a esquerda. A figura b está rotulada, o solo empurra para frente e para cima no corredor. Uma seta chamada —F aponta para cima e para a direita, em direção ao pé dele.
    Figura\(\PageIndex{3}\): O corredor experimenta a terceira lei de Newton. (a) Uma força é exercida pelo corredor no chão. (b) A força de reação do solo no corredor o empurra para frente.

    Exemplo 5.9: Forças em um objeto estacionário

    O pacote na Figura\(\PageIndex{4}\) está sentado em uma balança. As forças na embalagem são\(\vec{S}\), que se deve à escala, e\(− \vec{w}\), que é devido ao campo gravitacional da Terra. As forças de reação que o pacote exerce estão\(− \vec{S}\) na escala e\(\vec{w}\) na Terra. Como o pacote não está se acelerando, a aplicação da segunda lei rende

    \[\vec{S} - \vec{w} = m \vec{a} = \vec{0},\]

    então

    \[\vec{S} = \vec{w} \ldotp\]

    Assim, a leitura da balança fornece a magnitude do peso da embalagem. No entanto, a balança não mede o peso da embalagem; ela mede a força\(− \vec{S}\) em sua superfície. Se o sistema está acelerando\(\vec{S}\) e não\(− \vec{w}\) seria igual, conforme explicado em Aplicações das Leis de Newton.

    A Figura a mostra um pacote em uma balança de pesagem na Terra. Os três objetos são separados e os vetores de força são mostrados. A força w atua para baixo na embalagem e a força s atua para cima nela. A força menos s atua para baixo na escala. A força menos w atua para cima a partir da terra. O par w e s e o par menos s e menos w são ambos rotulados como o primeiro par de leis de Newton. O par s e menos s e o par w e menos w são ambos rotulados como o terceiro par de leis de Newton. A Figura b mostra dois sistemas isolados: o sistema de escala de pacotes e o sistema global de pacotes. O primeiro tem força s agindo para cima e menos s agindo para baixo. Este último tem força w atuando para baixo e força menos w atuando para cima.
    Figura\(\PageIndex{4}\): (a) As forças em um pacote sentado em uma balança, junto com suas forças de reação. A força\(\vec{w}\) é o peso da embalagem (a força devida à gravidade da Terra) e\(\vec{S}\) é a força da balança na embalagem. (b) O isolamento do sistema de escala de pacotes e do sistema Package-Earth torna claros os pares de ação e reação.

    Exemplo 5.10: Como se atualizar: escolhendo o sistema correto

    Um professor de física empurra um carrinho de equipamento de demonstração para uma sala de aula (Figura\(\PageIndex{5}\)). Sua massa é 65,0 kg, a massa do carrinho é 12,0 kg e a massa do equipamento é 7,0 kg. Calcule a aceleração produzida quando o professor exerce uma força para trás de 150 N no chão. Todas as forças que se opõem ao movimento, como atrito nas rodas do carrinho e resistência ao ar, totalizam 24,0 N.

    A figura mostra uma pessoa empurrando um carrinho da esquerda para a direita. Perto dos pés da pessoa estão as setas denominadas F pé subscrito apontando para a esquerda e F piso subscrito apontando para a direita. Uma seta apontando para a esquerda é mostrada perto da roda do carrinho. As setas F subscript prof apontando para a direita e F subscript cart apontando para a esquerda são mostradas perto de suas mãos. O carrinho é circulado e rotulado como sistema 2. O carrinho e a pessoa são circulados juntos e isso é rotulado como sistema 1. Dois diagramas de corpo livre são mostrados. O primeiro, do sistema 1, tem F piso subscrito apontando para a direita, N apontando para cima, f apontando para a esquerda e w apontando para baixo. O segundo diagrama, do sistema 2, tem F subscript prof apontando para a direita, N prime apontando para cima, f apontando para a esquerda e w prime apontando para baixo.
    Figura\(\PageIndex{5}\): Uma professora empurra o carrinho com seu equipamento de demonstração. Os comprimentos das flechas são proporcionais às magnitudes das forças (exceto porque são muito pequenos para\(\vec{f}\) serem desenhados em escala). O sistema 1 é apropriado para esse exemplo, pois solicita a aceleração de todo o grupo de objetos. Somente\(\vec{F}_{floor}\) e\(\vec{f}\) são forças externas atuando no Sistema 1 ao longo da linha de movimento. Todas as outras forças cancelam ou agem no mundo exterior. O sistema 2 é escolhido para o próximo exemplo para que\(\vec{F}_{prof}\) seja uma força externa e entre na segunda lei de Newton. Os diagramas de corpo livre, que servem como base para a segunda lei de Newton, variam de acordo com o sistema escolhido.

    Estratégia

    Como eles aceleram como uma unidade, definimos o sistema como professor, carrinho e equipamento. Este é o Sistema 1 na Figura\(\PageIndex{5}\). O professor empurra para trás com uma força F de 150 N. De acordo com a terceira lei de Newton, o piso exerce uma força de reação direta F piso de 150 N no Sistema 1. Como todo movimento é horizontal, podemos supor que não há força líquida na direção vertical. Portanto, o problema é unidimensional na direção horizontal. Conforme observado, o atrito f se opõe ao movimento e, portanto, está na direção oposta ao piso F. Não incluímos as forças F prof ou F cart porque são forças internas e não incluímos o F porque ele atua no chão, não no sistema. Não há outras forças significativas atuando no Sistema 1. Se a força externa líquida puder ser encontrada em todas essas informações, podemos usar a segunda lei de Newton para encontrar a aceleração conforme solicitado. Veja o diagrama de corpo livre na figura.

    Solução

    A segunda lei de Newton é dada por

    \[a = \frac{F_{net}}{m} \ldotp\]

    A força externa líquida no Sistema 1 é deduzida da Figura\(\PageIndex{5}\) e da discussão anterior como

    \[F_{net} = F_{floor} - f = 150\; N - 24.0\; N = 126\; N \ldotp\]

    A massa do Sistema 1 é

    \[m = (65.0 + 12.0 + 7.0)\; kg = 84\; kg \ldotp\]

    Esses valores de F net e m produzem uma aceleração de

    \[a = \frac{F_{net}}{m} = \frac{126\; N}{84\; kg} = 1.5\; m/s^{2} \ldotp\]

    Significância

    Nenhuma das forças entre os componentes do Sistema 1, como entre as mãos do professor e o carrinho, contribui para a força externa líquida porque elas são internas ao Sistema 1. Outra maneira de ver isso é que as forças entre os componentes de um sistema são canceladas porque são iguais em magnitude e opostas em direção. Por exemplo, a força exercida pelo professor na carroça resulta em uma força igual e oposta de volta ao professor. Nesse caso, ambas as forças atuam no mesmo sistema e, portanto, cancelam. Assim, as forças internas (entre os componentes de um sistema) são canceladas. Escolher o Sistema 1 foi crucial para resolver esse problema.

    Exemplo 5.11: Força no carrinho: escolhendo um novo sistema

    Calcule a força que o professor exerce no carrinho na Figura\(\PageIndex{5}\), usando dados do exemplo anterior, se necessário.

    Estratégia

    Se definirmos o sistema de interesse como o carrinho mais o equipamento (Sistema 2 na Figura\(\PageIndex{5}\)), a força externa líquida no Sistema 2 é a força que o professor exerce na carreta menos o atrito. A força que ela exerce no carrinho, F prof, é uma força externa atuando no Sistema 2. O F prof era interno ao Sistema 1, mas é externo ao Sistema 2 e, portanto, entra na segunda lei de Newton para esse sistema.

    Solução

    A segunda lei de Newton pode ser usada para encontrar o prof. Começamos com

    \[a = \frac{F_{net}}{m} \ldotp\]

    A magnitude da força externa líquida no Sistema 2 é

    \[F_{net} = F_{prof} - f \ldotp\]

    Resolvemos para F prof, a quantidade desejada:

    \[F_{prof} = F_{net} + f \ldotp\]

    O valor de f é dado, então devemos calcular a rede F líquida. Isso pode ser feito porque tanto a aceleração quanto a massa do Sistema 2 são conhecidas. Usando a segunda lei de Newton, vemos que

    \[F_{net} = ma,\]

    onde a massa do Sistema 2 é 19,0 kg (m = 12,0 kg + 7,0 kg) e sua aceleração foi considerada a = 1,5 m/s 2 no exemplo anterior. Assim,

    \[F_{net} = ma = (19.0\; kg)(1.5\; m/s^{2}) = 29\; N \ldotp\]

    Agora podemos encontrar a força desejada:

    \[F_{prof} = F_{net} + f = 29\; N + 24.0\; N = 53\; N \ldotp\]

    Significância

    Essa força é significativamente menor do que a força de 150 N que o professor exerceu para trás no chão. Nem toda essa força de 150 N é transmitida para o carrinho; parte dela acelera o professor. A escolha de um sistema é uma etapa analítica importante tanto na resolução de problemas quanto na compreensão completa da física da situação (que não são necessariamente as mesmas coisas).

    Exercício 5.7

    Dois blocos estão em repouso e em contato em uma superfície sem atrito, conforme mostrado abaixo, com m 1 = 2,0 kg, m 2 = 6,0 kg e força aplicada 24 N. (a) Encontre a aceleração do sistema de blocos. (b) Suponha que os blocos sejam separados posteriormente. Que força dará ao segundo bloco, com a massa de 6,0 kg, a mesma aceleração do sistema de blocos?

    Dois quadrados são mostrados lado a lado, tocando um no outro. O esquerdo é menor e é rotulado como m1. O da direita é maior e é rotulado como m2. A força F atua em m1 da esquerda para a direita.

    Nota

    Assista a este vídeo para ver exemplos de ação e reação. Assista a este vídeo para assistir exemplos das leis de Newton e das forças internas e externas.