Leis de Newton: entenda os conceitos e saiba como aplicar

Leis de Newton são a base da Mecânica Clássica Imagem: Iuliia Koneva | Shutterstock

As três leis de Newton, Princípio da Inércia, Princípio Fundamental da Dinâmica e Princípio da Ação e Reação, são a base da Mecânica Clássica. Através delas, a dinâmica dos corpos (comportamento dos corpos e a ação das forças que produzem ou modificam os movimentos) pode ser descrita de forma aprofundada. A seguir, conheça a fundo essas três leis. 

Lei da Gravitação Universal

É aquela famosa história que Newton estava sob uma macieira quando dela caiu uma maçã sobre a sua cabeça. Fez com que Newton explorasse o mistério pelo qual a Lua não cai sobre a Terra, descrevendo uma equação matemática com a qual descobriu (a partir das Leis de Kepler) que os corpos se atraem mutuamente, fazendo com que não caiam uns sobre os outros e sempre mantenham a trajetória, ou seja, a sua órbita elíptica ao redor do Sol.

• G = constante gravitacional com valor de 6,67.10¹¹ N.m²/Kg²; 
• m1 e m2 = massas dos corpos que se atraem, medidas de Kg; 
• r = distância entre dois corpos, medida em metros (m); 
• F = força gravitacional, medida em Newtons (N).

Constituem, ainda, os três pilares fundamentais do que chamamos Mecânica Clássica ou Mecânica Newtoniana as leis:

1ª Lei de Newton – Princípio da Inércia

Um corpo em repouso tende a permanecer em repouso, e um corpo em movimento tende a permanecer em movimento. Exemplo: Quando estamos em um carro em movimento e este freia repentinamente, nos sentimos como se fôssemos atirados para frente, pois nosso corpo tende a continuar em movimento. 

Esse e vários outros efeitos semelhantes são explicados pelo Princípio da Inércia. Então, conclui-se que um corpo só altera seu estado de inércia se alguém ou algo aplicar nele uma força resultante diferente de zero.

2ª Lei de Newton – Princípio Fundamental da Dinâmica 

Quando aplicamos uma mesma força em dois corpos de massas diferentes, observamos que elas não produzem aceleração igual. A 2ª Lei de Newton diz que a Força (F) é sempre diretamente proporcional ao produto de aceleração (a) de um corpo pela sua massa (m), ou seja: F = m.a.

• F = resultante de todas as forças que agem sobre o corpo (em N); 
• m = massa do corpo no qual as forças atuam (Kg); 
• a = aceleração adquirida (m/s²). 

Força: é uma interação entre dois corpos. Para compreendê-la, podemos nos basear em efeitos causados por ela, como aceleração, deformação etc. 

Aceleração: faz com que o corpo altere sua velocidade quando uma força é aplicada. 

Deformação: faz com que o corpo mude seu formato quando sofre a ação de uma força. 

Força resultante: é a força que produz o mesmo efeito que todas as outras aplicadas a um corpo. A unidade de força, no sistema internacional (S.I), é o N (Newton), que equivale a Kg m/s² (quilograma metro por segundo ao quadrado).

3ª Lei de Newton – Princípio da Ação e Reação 

As forças atuam sempre em pares. Para toda força de ação, existe uma força de reação. Quando uma pessoa empurra um objeto com uma força (F), podemos dizer que esta é força de ação, mas, conforme a 3ª Lei de Newton, sempre que isso ocorre, há outra força com módulo e direções iguais, com sentido oposto à força de ação, chamada força de reação. 

Força Peso (P)

Quando falamos em movimento vertical, introduzimos um conceito de aceleração da gravidade, que sempre atua no sentido a aproximar os corpos em relação à superfície. Relacionando com a 2ª Lei de Newton, se um corpo de massa m sofre a aceleração da gravidade, quando aplicada a ele o Princípio Fundamental da Dinâmica, poderemos dizer que: F = m . g ou P = m . g.

O peso de um corpo é a força com que a Terra o atrai, podendo ser variável, quando a gravidade variar. A massa (m) de um corpo, por sua vez, é constante, ou seja, não varia. A unidade que trata de Força Peso é o quilograma-força: 1kgf é o peso de um corpo de massa 1kg submetido à aceleração da gravidade de 9,8m/s² (Terra).

Atenção: quando falamos no peso de algum corpo, lembramos do “peso” medido na balança. Mas este é um termo fisicamente errado, o que estamos medindo neste caso é a nossa massa. Analisando um corpo que se encontra sob uma superfície plana, verificamos a atuação das duas forças: Peso (P) e Normal (N). Para que este corpo esteja em equilíbrio, ou seja, não se movimente ou não altere sua velocidade, é necessário que os módulos das forças Normal e Peso sejam iguais; assim, atuando em sentidos opostos, elas se anularão.

Força Normal (N): exercida pela superfície sobre o corpo, podendo ser interpretada como a sua resistência em sofrer deformação devido ao peso do corpo. Esta força sempre atua no sentido perpendicular à superfície, diferentemente da Força Peso, que atua sempre no sentido vertical.

Força de Atrito (F_at)

A Força de Atrito se opõe ao movimento. Depende da natureza e da rugosidade da superfície (coeficiente de atrito) e é proporcional à força normal de cada corpo. Transforma a energia cinética do corpo em outro tipo de energia (calor ou som) que é liberada ao meio. É calculada pela seguinte relação: Fat = μ . N.

• μ = coeficiente de atrito (adimensional);
• N = Força Normal (N).

Quando empurramos um carro, observamos que, até o carro entrar em movimento, é necessário que se aplique uma força maior do que a força necessária quando o carro já está em movimento. Isso acontece, pois existem dois tipos de atrito: o estático (parado) e o dinâmico (movimento).

Atrito Estático: atua quando não há deslizamento dos corpos. A força de atrito estático máxima é igual à força mínima necessária para iniciar o movimento de um corpo. Neste caso, é usado no cálculo um coeficiente de atrito estático (μest): F_atest= μ_est.N.

Atrito Dinâmico: atua quando há deslizamento dos corpos. Quando a força de atritoestático for ultrapassada pela força aplicada ao corpo, este entrará em movimento, e passaremos a considerar sua força de atrito dinâmico. No seu cálculo, é utilizado o coeficiente de atrito cinético (μd): Fatd = μd . N.

Força Centrípeta (F _cp)

Quando um corpo efetua um Movimento Circular, sofre uma aceleração que é responsável pela mudança da direção do movimento, a qual chamamos aceleração centrípeta. A equação da Força Centrípeta é: F_cp= m . a_cp.

• m = massa do corpo, medida em kg;
• a_cp= aceleração centrípeta, em m/s, que pode ser escrita a_cp= v²/R;
• v = velocidade em m/s;
• R = raio da circunferência.

Sabendo que existe uma aceleração e sendo dada a massa do corpo, podemos, pela 2ª Lei de Newton, calcular uma força (centrípeta) que, assim como a aceleração centrípeta, aponta para o centro da trajetória circular. Sem a Força Centrípeta, um corpo não poderia executar um movimento circular.

Quando o movimento for circular uniforme (MCU), a aceleração centrípeta é constante, portanto a força centrípeta também é constante. A força centrípeta é a resultante das forças que agem sobre o corpo, com direção perpendicular à trajetória.

Força Elástica (F_el)

Quando aplicamos uma força F em uma mola presa em uma das extremidades a um suporte e em estado de repouso (sem ação de nenhuma força), a mola tende a deformar (esticar ou comprimir, dependendo do sentido da força aplicada). Robert Hooke (1635-1703) estudou que a deformação da mola aumenta proporcionalmente à força. Daí estabeleceu-se a seguinte Lei de Hooke:

• Fel= intensidade da força aplicada (N);
• k = constante elástica da mola (N/m);
• x = deformação da mola (m).

A constante elástica da mola (k) depende principalmente da natureza do material de fabricação da mola e de suas dimensões. Sua unidade mais comum é o N/m (Newton por metro).

Por Tao Consult