Dinâmica - As leis de Newton

No estudo do movimento, a cinemática, propõe-se descrevê-lo sem se preocupar com as suas causas. Quando nos preocupamos com as causas do movimento, estamos entrando em uma área da mecânica conhecida como dinâmica.

Da dinâmica, temos três leis em que todo o estudo do movimento pode ser resumido. Essas leis são conhecidas como as leis de Newton:

• Primeira lei de Newton - a lei da inércia
• Segunda lei de Newton - o princípio fundamental da dinâmica
• Terceira lei de Newton - a lei da ação e reação

A primeira lei de Newton descreve o que ocorre com os corpos que estão em equilíbrio. A segunda lei explica o que ocorre quando não há o equilíbrio, e a terceira lei mostra como é o comportamento das forças quando temos dois corpos interagindo entre si.

Para o entendimento dessas leis, é necessário conhecer alguns conceitos físicos muito importantes, como força e equilíbrio.

Observe a sua situação nesse exato momento: provavelmente você está sentado em uma cadeira lendo esse texto. Nesse momento existem forças agindo sobre você: elas vêm da cadeira, do chão e de algum outro objeto em que esteja encostado. Observe que, mesmo com a existência dessas forças, você continua parado. Isso ocorre porque elas estão se cancelando. Podemos dizer, portanto, que você se encontra em equilíbrio.

O repouso não é a única situação de equilíbrio possível. Imagine-se de pé em um ônibus em movimento: se ele acelerar, frear ou fizer uma curva, você pode acabar se desequilibrando e caindo. Mas existe um caso que, mesmo com o ônibus em movimento, não haverá perigo nenhum de você cair. Isso acontecerá caso o ônibus execute um movimento retilíneo e uniforme (em outras palavras, quando ele se movimenta em linha reta e com velocidade constante). Nessa situação, podemos dizer que o ônibus está em equilíbrio.

Os dois casos exemplificados anteriormente ilustram situações de corpos em equilíbrio. O primeiro mostra o equilíbrio dos corpos em repouso, que é conhecido como equilíbrio estático. O segundo mostra o equilíbrio dos corpos em movimento, que é conhecido como equilíbrio dinâmico. Nos dois casos temos algo em comum que define a situação de equilíbrio, e esse algo em comum é o fato de que todas as forças que estão atuando estarem se anulando. Portanto:

O equilíbrio ocorre em toda a situação em que as forças atuantes em determinado corpo se cancelam.

A primeira lei de Newton - a lei da inércia

Na natureza, todos os corpos apresentam certa resistência a alterações no seu estado de equilíbrio, seja ele estático ou dinâmico. Imagine que você tenha que chutar duas bolas no chão: uma de vôlei e uma de boliche. É claro que a bola de vôlei será chutada com mais facilidade que a de boliche, que apresenta uma maior resistência para sair do lugar. maior tendência em se manter em equilíbrio, ou ainda, apresenta uma maior inércia. Define-se inércia como uma resistência natural dos corpos a alterações no estado de equilíbrio.

A primeira lei de Newton trata dos corpos em equilíbrio e pode ser enunciada da seguinte forma:

Quando as forças atuantes em um corpo se anulam, ele permanecerá em repouso ou em movimento retilíneo uniforme.

Um objeto que repousa sobre sua mesa, por exemplo, está em equilíbrio estático, e tende a ficar permanecer nessa situação indefinidamente. No caso dos corpos em movimento, podemos imaginar um carro em movimento que freia bruscamente. Os passageiros serão lançado para frente porque tendem a continuar em movimento.

Força Resultante

No nosso cotidiano, é impossível encontrar um corpo sobre o qual não existam forças atuando - só o fato de vivermos na Terra já nos submete à força da gravidade. Muitas vezes essas forças se anulam, o que resulta em equilíbrio. Em outros casos, a resultante das forças que atuam sobre um corpo é diferente de zero. Quando isso ocorre, o resultado dessas forças é definido como força resultante.

A determinação de uma força resultante não é algo simples, já que se trata de uma grandeza vetorial. Isso quer dizer que uma força é definida por uma intensidade, uma direção e um sentido. Como a força se trata de uma grandeza vetorial, não podemos determinar a força resultante utilizando a álgebra com que estamos acostumados. É preciso conhecer um processo matemático chamado de soma vetorial.

A seguir, estão ilustrados os casos mais conhecidos para a determinação da força resultante de duas forças aplicadas em um corpo.

Caso 1 - Forças com mesma direção e sentido.

Caso 2 - Forças perpendiculares

Caso 3 - Forças com mesma direção e sentidos opostos

Caso 4 - Caso Geral - Com base na lei dos Cossenos

A Segunda lei de Newton

Quando diversas forças atuam em um corpo e elas não se anulam, é porque existe uma força resultante. E como se comporta um corpo que está sob a ação de uma força resultante? A resposta foi dada por Newton na sua segunda lei do movimento. Ele nos ensinou que, nessas situações, o corpo irá sofrer uma aceleração. Força resultante e aceleração são duas grandezas físicas intimamente ligadas.

A segunda lei de Newton também nos mostra como força e aceleração se relacionam: essas duas grandezas são diretamente proporcionais. Isso quer dizer que, se aumentarmos a força, a aceleração irá aumentar na mesma proporção. A relação de proporção entre força e aceleração é mostrada a seguir.

Onde é o símbolo de proporção. Para que possamos trocar a proporção por uma igualdade, precisamos inserir na equação acima uma constante de proporcionalidade. Essa constante é a massa do corpo em que é aplicada a força resultante. Por isso, a segunda lei de Newton é representada matematicamente pela fórmula

A segunda lei de Newton também nos ensina que força resultante e aceleração serão vetores sempre com a mesma direção e sentido.

Unidades de força e massa no Sistema Internacional.
Força - newton (N).
Massa - quilograma (kg).

A terceira Lei de Newton

A terceira lei de Newton nos mostra como é a troca de forças quando dois corpos interagem entre si, seja essa interação por contato ou por campo. Segundo a terceira lei, se um corpo faz uma força em outro, imediatamente ele receberá desse outro corpo uma força de igual intensidade, igual direção e sentido oposto à força aplicada, como é mostrado na figura a seguir.

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