6 – Força e Energia: Força, trabalho e energia

O objetivo deste Tema é que você compreenda o conceito de força e suas relações com o movimento dos corpos
Movimento e força são conceitos que fazem parte do dia a dia, em diversas situações.
  • Você já parou para pensar por que, quando está dentro de um trem ou ônibus e ele freia bruscamente, você tem que se segurar para não ser jogado para a frente?
  • Que forças são necessárias para abrir uma garrafa de refrigerante?
  • Em sua opinião, você faz alguma força ao caminhar?
 
Mudança de velocidade e forças
Para responder às perguntas acima, você teve que mobilizar um conjunto de conhecimentos que já possuía ou a sua intuição, não é mesmo?
O conceito de força é intuitivo e bastante utilizado no cotidiano de vários povos, com diferentes significados. É comum, por exemplo, dizer que uma pessoa tem força física ou força de vontade; que um time tem força; que acabou a força quando falta luz; desejar força a amigos ou familiares. Quando uma pessoa move ou tenta movimentar um objeto, ela está aplicando uma força sobre ele. Em cada uma dessas situações, a palavra força tem um significado diferente, dependendo do contexto no qual é utilizada.
O conceito físico de força foi bem definido pelo físico e matemático inglês Isaac Newton (1642-1727), com base nas ideias de Galileu.
Até o início do século XVII, pensava-se que, para manter um corpo em movimento, era necessário que uma força atuasse sobre ele, empurrando-o o tempo todo. Em vez de se tentar descobrir por que as coisas mantinham seu movimento por um tempo depois de serem empurradas, como haviam feito Aristóteles e outros filósofos, Galileu perguntou-se por que um objeto em movimento parava.
Ele realizou o seguinte experimento: soltou uma bola em um plano inclinado e a deixou rolar pelo chão até parar. Depois, deixou a bola e o plano mais lisos, diminuindo o atrito entre eles, e reparou que a bola foi mais longe. Ele foi diminuindo o atrito entre a bola e a superfície do plano e do chão e observou que a bola ia cada vez mais longe. Então, imaginou que, se não houvesse atrito, a bola continuaria se movendo indefinidamente, sem parar.
Com base nesse e em outros experimentos, Galileu notou que é necessária a ação de uma força para:
  • parar um corpo em movimento;
  • movimentar um corpo parado;
  • aumentar ou diminuir a velocidade de um corpo;
  • modificar a direção do movimento de um corpo.
Assim, ele concluiu que um corpo que está parado permanece parado e um corpo que está em movimento permanece em movimento, a menos que uma força seja aplicada sobre eles. Ou seja, a aplicação de uma força modifica a velocidade de um corpo.
Ampliando as observações de Galileu, Newton propôs uma definição de força com base em seus efeitos. Em linguagem científica, força é todo agente físico capaz de modificar a forma e/ou a velocidade de um corpo. Sua unidade-padrão no Sistema Internacional de Unidades (SI) é o newton (N). Um newton (1 N) é aproximadamente a força necessária para manter suspenso um objeto de 100 g.
Quando se aplica uma força sobre um corpo, para onde ele vai? Essa pergunta é impossível de responder, pois não se sabe se a força é suficiente para movimentar o corpo, nem em que direção e em que sentido ela está sendo aplicada. Por isso, a força, assim como a velocidade, é uma grandeza vetorial. As grandezas vetoriais, como força, velocidade e aceleração, diferentemente de outras, como massa, volume e tempo, além de um valor numérico e sua respectiva unidade, precisam também definir uma direção (horizontal, vertical, radial etc.) e um sentido (para cima, para a direita, para o centro etc.).
 
Leis de Newton
Primeira lei de Newton – Princípio da inércia
A primeira lei de Newton é, de certa maneira, uma confirmação das ideias de Galileu. Ela estabelece o que acontece com um corpo quando não atuam forças sobre ele ou quando a soma das forças que atuam sobre ele é nula. Assim, se não há forças atuando sobre um corpo, ele tende a permanecer em repouso. E, se a força resultante que atua sobre um corpo é nula, ele tende a manter sua velocidade constante em intensidade, direção e sentido.
Desse modo, conforme a primeira lei de Newton:
A tendência de um corpo manter a velocidade, em valor numérico, na mesma direção e sentido em que estava recebe o nome de inércia.
Quando você está andando, por exemplo, em um ônibus, carro ou moto, e o motorista freia de repente, você é jogado para a frente pela inércia. A inércia é uma resistência à mudança na velocidade e está intimamente ligada à massa do corpo.
Quanto maior a massa de um corpo, maior a dificuldade em alterar sua velocidade e, portanto, maior a inércia desse corpo. É também por isso que, quando o carro faz uma curva, você tem a sensação de estar sendo jogado para fora, pois a inércia faz que a velocidade de seu corpo, a cada instante, tente manter a direção e o sentido do movimento, que era retilíneo e uniforme.
 
MOMENTO CIDADANIA
O princípio da inércia ensina por que é preciso utilizar o cinto de segurança. Em uma colisão frontal, por exemplo, assim que o carro bate, passa a agir sobre ele uma força que o faz parar. Em razão da inércia, porém, o corpo do motorista e o dos passageiros continuam a se movimentar para a frente. A função do cinto de segurança é a de fixar o indivíduo ao banco, não permitindo que o efeito da inércia o lance contra o painel do carro.
No Brasil, o uso do cinto de segurança é obrigatório, como determina o Código de Trânsito Brasileiro (Lei federal no 9.503, de 23 de setembro de 1997), artigo 65: “É obrigatório o uso do cinto de segurança para condutor e passageiros em todas as vias do território nacional, salvo em situações regulamentadas pelo Contran”.
O Conselho Nacional de Trânsito (Contran) também estabeleceu regras para o transporte de menores de 10 anos e a utilização de dispositivo de retenção para o transporte de crianças em veículos. Segundo a Resolução no 277, de 28 de maio de 2008:
Art. 1o Para transitar em veículos automotores, os menores de dez anos deverão ser transportados nos bancos traseiros usando individualmente cinto de segurança ou sistema de retenção equivalente, na forma prevista no Anexo desta Resolução.
§ 1o Dispositivo de retenção para crianças é o conjunto de elementos que contém uma combinação de tiras com fechos de travamento, dispositivo de ajuste, partes de fixação e, em certos casos, dispositivos como: um berço portátil porta-bebê, uma cadeirinha auxiliar ou uma proteção antichoque que devem ser fixados ao veículo, mediante a utilização dos cintos de segurança ou outro equipamento apropriado instalado pelo fabricante do veículo com tal finalidade.
§ 2o Os dispositivos mencionados no parágrafo anterior são projetados para reduzir o risco ao usuário em casos de colisão ou de desaceleração repentina do veículo, limitando o deslocamento do corpo da criança com idade até sete anos e meio.
[...]
 
 
Segunda lei de Newton – Princípio fundamental da dinâmica
A segunda lei de Newton prevê o que acontece quando uma força resultante da soma das forças que atuam sobre um corpo não é nula. Nesse caso, a velocidade do corpo muda de intensidade, direção ou sentido, ou seja, quando se aplica a um corpo uma força suficiente para vencer sua inércia, ele acelera.
Newton afirmou, pela segunda lei, que a alteração na velocidade de um corpo (aceleração) depende de dois fatores:
  • da força (F) aplicada ao corpo: quanto maior for a força aplicada ao corpo, maior será a mudança em sua velocidade (aceleração);
  • da massa (m) do corpo: quanto maior for a massa do corpo, menor será a variação em sua velocidade (aceleração).
Assim, a segunda lei de Newton pode ser enunciada como:
A mudança da velocidade de um corpo é diretamente proporcional à intensidade da força resultante que atua sobre ele, ou seja, quanto maior for a força, maior será a mudança na velocidade. Além disso, essa mudança na velocidade é inversamente proporcional à sua massa, ou seja, quanto maior for a massa do corpo, menor será sua variação de velocidade para uma mesma força aplicada.
Formalmente, escreve-se:
 F = m · a
em que: F representa a força resultante (soma de todas as forças) que atua sobre o corpo; m, a massa do corpo; e a, a aceleração do corpo.
 
Terceira lei de Newton – Princípio da ação e reação
Newton também percebeu que é impossível exercer uma força no vazio, ou seja, toda força atua sobre algo. A partir daí, ele concluiu que, na natureza, as forças nunca aparecem isoladamente, mas aos pares, e afirmou que a força é o resultado da interação entre dois ou mais corpos, ou seja, um corpo sozinho não produz força.
Então, de acordo com a terceira lei de Newton:
Se o corpo A exerce uma força sobre o corpo B, o corpo B também exerce uma força sobre o corpo A, de mesma intensidade e mesma direção, porém de sentido contrário
 
 
ORIENTAÇÃO DE ESTUDO
Uma ação muito importante para aprender a estudar é planejar a organização de registros do que foi estudado. Marcar trechos de um texto escrito para destacar uma informação, uma definição, um conjunto de argumentos ou conceitos; fazer fichamentos para ter um registro organizado das informações obtidas na leitura de um texto; fazer esquemas para visualizar a articulação e a hierarquização das ideias são procedimentos de estudo muito úteis.
Outra opção é fazer listas. Para isso, fique atento ao tipo de informação que cada texto oferece, tendo clareza daquilo que se deseja listar.
 
Aplicação da terceira lei de Newton
Você já reparou que, para andar para a frente, você força os pés para trás e que, para subir um degrau da escada, força os pés para baixo? Que, para nadar para a frente, o nadador puxa a água para trás? Que, para levantar o corpo, nos exercícios de barra fixa, a pessoa faz força para baixo e, nos de flexão de braços, age como se empurrasse o chão para baixo?
Fazer força em um sentido e ir para o outro não parece contraditório? Explique como isso é possível utilizando as leis de Newton.
 
Algumas forças importantes
Força gravitacional
Força gravitacional é aquela aplicada pelas massas que compõem o Universo, exercendo atração entre os corpos. A interação gravitacional depende do valor da massa de cada corpo envolvido e da distância entre eles.
 
Força peso
Do ponto de vista da Física, peso é uma força que faz um planeta ou seu satélite atrair um corpo que está ao redor para seu centro, e é diferente de massa. Assim, um corpo tem sempre a mesma massa em qualquer lugar do Universo, mas seu peso depende da aceleração da gravidade no local em que ele está.
O peso é um caso particular de força gravitacional. No caso da Terra, por exemplo, trata-se da força que ela exerce sobre um corpo, puxando-o para seu centro, e que o corpo exerce sobre a Terra, puxando-a para si.
Como a força é a mesma e a massa da Terra é bem maior do que a das pessoas, a aceleração da Terra é desprezível, mas a das pessoas não.
É por isso que se tem a impressão de que a Terra puxa os corpos e objetos próximos a ela.
 
Força de atrito
Como você já viu ao estudar as descobertas de Galileu Galilei, quando um corpo é lançado sobre uma superfície horizontal, ele para depois de percorrer certa distância. Isso reflete a ação de uma força de resistência a seu movimento, já que reduz sua velocidade. Essa força recebe o nome de força de atrito. Portanto, a força de atrito é uma força de resistência que se opõe ao movimento quando uma superfície desliza sobre a outra. Essa força é paralela às superfícies de contato e opõe-se ao movimento relativo entre elas.
A força de atrito ocorre principalmente por causa da rugosidade das superfícies, fazendo que uma delas “encaixe” na outra. Por isso, para diminuir o atrito entre duas ou mais superfícies, é preciso poli-las, reduzindo suas saliências, ou preencher suas reentrâncias com algum líquido lubrificante. A força de atrito depende:
  • dos materiais que constituem as superfícies em contato;
  • da força de compressão que atua entre as superfícies, representada por uma força chamada reação normal de apoio ou, simplesmente, força normal; quanto maior a força de compressão, maior a força de atrito.
 
Diminuição do atrito
Provavelmente você já precisou empurrar uma mesa de um lugar para o outro de um cômodo e, para isso, levantou-a um pouco e/ou colocou-a sobre um tapete para depois empurrá-la. Com base no que estudou sobre a força de atrito, explique qual é a função dessas ações.
 
Força elástica
Como você viu na Unidade 2, uma das propriedades da matéria é a elasticidade. Ela pode ser observada em vários materiais no dia a dia. Alguns deles se deformam de maneira permanente, como quando você amassa uma lata de refrigerante (material plástico), e outros, apenas por um momento, como quando você aperta uma bola de borracha (material elástico).
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