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Existem quatro tipos de interações/forças fundamentais na Natureza que atuam entre partículas a uma certa distância umas das outras:
Tipos de forças fundamentais na Natureza
Gravitacional – força que os corpos com massa exercem uns sobre os outros.
Como é muito fraca é necessário ter pelo menos uma massa muito grande,
como a de um planeta, para que se possa detetar o seu efeito.
Eletromagnética – força elétrica, que as cargas elétricas exercem umas sobre
as outras; - força magnética, que as correntes elétricas ou ímanes exercem uns
sobre os outros.
Nuclear forte – responsável pela estabilidade nuclear, ou seja, a força que
une protões e neutrões no interior do núcleo.
Nuclear fraca – responsável pela transformação de certos núcleos em que um
neutrão se transforma num protão, ou vice-versa (radioatividade)
Interação entre corpos. O que significa?
• Uma interação entre dois ou mais corpos significa uma ação
reciproca entre eles.
• Uma interação entre corpos pode conduzir à alteração do estado de
repouso, ou de movimento de um corpo e/ou produzir deformação.
• Podem ocorrer por contato ou à distância.
As interações, em Física
Na realidade, mesmo as interações por contacto são “interações à distância” dado que não ocorre contacto entre os átomos dos corpos que interagem, pois eles, átomos, interagem à distância!
Em Física, as interações entre os corpos são explicadas através do conceito de força.
Força de contato: o corpo sobre o qual é exercida a força está em contato físico com o corpo que exerce a força; quando deixa de haver contato cessa a interação.
Na figura, a pedra exerce uma força de contato sobre a areia, , e a areia exerce uma força de contato sobre a pedra
APF /
APF /
PAF /
PAF /
Gravitacional eletromagnética Nuclear forte Nuclear fraca n p + e +
Alcance Infinito Infinito 10-15 m (dimensão núcleo)
10-16 m
Interação Entre todas as
massas Entre todas as cargas elétricas
Entre quarks
Entre nucleões e eletrões
Efeito Atração entre
massas
Atração e repulsão entre cargas elétricas
Estabilidade nuclear
Decaimento beta
Intensidade relativa
10-40 10-2
1
10-5
3ª Lei de Newton Lei da ação - reação
As forças atuam sempre aos pares.
Se uma força resulta da interação entre dois corpos, então não existem forças isoladas.
3ª Lei de Newton, ou Lei da ação - reação
Terceira Lei de Newton:
Quando um corpo exerce uma força sobre outro, este exerce também sobre o primeiro uma força de igual módulo e direção, mas de sentido contrário, ou seja
ABBA FF //
é a força que o corpo A exerce sobre o corpo B.
BAF /
ABF /
é a força que o corpo B exerce sobre o corpo A.
• Os gases de escape exercem uma força vertical e ascendente sobre o foguetão, e este sobe.
• O foguetão exerce uma força vertical e descendente sobre os gases de escape, e estes descem.
Estas duas forças têm a mesma intensidade e são simétricas tal que:
Forças que não constituem um par ação - reação
As forças que atuam na maçã:
• a reação normal, que resulta da interação
de contato entre a mesa e a maçã;
• o peso, que resulta da interação gravítica, à
distância, entre a Terra e a maçã.
As forças e não constituem um par ação – reação porque são forças aplicadas no mesmo corpo, e por isso os seus efeitos anulam-se.
N
P
As forças de um par ação - reação
As forças de um par ação - reação
É par ação – reação: e
A reação normal é a força que a mesa exerce sobre a maçã; o seu par é a força = - que a maçã exerce sobre a mesa, de direção vertical , sentido para baixo e intensidade igual à da reação normal.
N
´P
P
´N
N
´N
N
É par ação – reação: e
O peso é a força gravítica que a Terra exerce sobre a maçã e o seu par é a força = - que a maçã exerce sobre a Terra, de direção vertical, sentido para cima e intensidade igual à do peso.
P
´PP
Características das forças do par ação - reação
• Têm o mesmo módulo e direção;
• Têm sentidos opostos;
• Atuam em corpos diferentes, por isso os seus efeitos não
se anulam;
• Resultam da mesma interação.
Lei da Gravitação Universal de Newton
Todos os corpos no Universo, por terem massa, exercem forças de atração gravítica uns sobre os outros.
• O corpo de massa M atrai o corpo de massa m com uma força
• O corpo de massa m atrai o corpo de massa M com uma força
• As duas forças constituem par ação-reação: = -
F
`F
`F
F
F
`F
r
Lei da Gravitação Universal – dois corpos atraem-se exercendo, um sobre o outro, uma força que é diretamente proporcional às suas massas e inversamente proporcional ao quadrado da distância que os separa. Expressão matemática da Lei G é a constante de gravitação universal e vale, em qualquer lugar do Universo, 6.67 x 10-11 N⋅m2 / kg2
Lei da Gravitação Universal de Newton
g, é a aceleração devido à gravidade e vale 9.80 m/s2 à superfície da Terra e varia com a localização
Lei da Gravitação Universal de Newton
O peso de um corpo de massa m a uma altitude h é a força gravitacional que o planeta Terra, de massa MT e raio RT, exerce nesse corpo que se encontra a uma distância r = RT + h do centro da Terra.
22 )( hR
mMG
r
mMGP
T
TT
site
s.g
oo
gle.
com
/sit
e/...
/pes
o m
ass
a
Peso de um corpo nos planetas do Sistema Solar
site
s.g
oo
gle.
com
/sit
e/...
/pes
o_m
assa
Efeito das forças sobre a velocidade
A ação de uma força, ou de um sistema de forças, de resultante não nula, altera a velocidade de um corpo, quer em módulo, quer em direção, quer em sentido. Assim:
1- se a velocidade do corpo é nula, a força aplicada faz mover o corpo
assim que superar a força de atrito.
2- se a força tem a direção da velocidade, ela só faz variar o módulo da
velocidade, mas não a direção desta. Se tiver o sentido da velocidade, faz aumentar a velocidade do
corpo.
Se tiver o sentido oposto da velocidade, faz diminuir a
velocidade do corpo.
sendo, por isso mesmo, um movimento retilíneo.
Efeito das forças sobre a velocidade
Efeito das forças sobre a velocidade
3- se a força não tiver a direção da velocidade, faz mudar a direção da
velocidade e o movimento é curvilíneo.
Neste caso, decompõe-se a força segundo duas direções:
Na direção da velocidade (componente tangencial), ,
que faz variar o módulo da velocidade.
Na direção perpendicular à velocidade
(componente normal), , que faz
mudar a direção da velocidade.
xF
yF
Consideremos o lançamento horizontal de um corpo próximo da superfície da Terra. Dependendo da velocidade horizontal, paralela à superfície…
Efeito das forças sobre a velocidade
3- se a força não tiver a direção da velocidade, faz mudar a direção da
velocidade e o movimento é curvilíneo.
Para uma velocidade de lançamento
suficientemente grande o corpo
entrará em órbita!
A velocidade é um vetor tangente à trajetória.
Efeito das forças sobre a velocidade
Sempre que num corpo atuar uma força constante e perpendicular à
velocidade a direção do movimento varia, mas o módulo da velocidade
permanece constante.
Se a Lua partisse da atual posição que ocupa com velocidade nula, colidiria com a Terra, devido à força gravitacional que a Terra exerce sobre ela. A Lua exerce sobre a Terra uma força gravitacional de igual intensidade. Porém a sua massa é cerca de 81 vezes menor que a da Terra. Por isso a Lua cairia sobre a Terra e não o contrário.
No movimento retilíneo vimos
Aceleração média – variação da velocidade por unidade de tempo:
Unidade SI: m s-2
t
vamédiaaceleração m
, é uma grandeza vetorial:
• direção – a do movimento (aceleração e velocidade são paralelas)
• Sentido – positivo ou negativo
• componente escalar
mamédiaaceleração
,
t
vam
No movimento retilíneo vimos
Movimento com aceleração positiva (a aceleração aponta no sentido do movimento)
possuem a mesma direção e sentido.
movimento retilíneo acelerado a>0 e v>0 ou a<0 e v<0
veam
Movimento com aceleração negativa (a aceleração aponta no sentido oposto do
movimento)
possuem sentidos contrários.
movimento retilíneo retardado a>0 e v<0 ou a<0 e v>0
veam
Nos movimentos curvilíneos
Nos movimentos curvilíneos a aceleração existe sempre mesmo que o módulo da velocidade não varie, pois a direção de varia sempre. v
No movimento curvilíneo a velocidade, , e a variação da velocidade, , não têm a mesma direção.
v
v
Determinação gráfica da aceleração
A aceleração num determinado instante pode ser calculada a partir do declive da tangente ao gráfico velocidade – tempo no instante pretendido.
Informação do gráfico v=f(t): • O valor algébrico da velocidade em cada instante; • O sentido da velocidade (no sentido positivo do
eixo escolhido ou no sentido contrário); • O valor algébrico do deslocamento (dado pela
“área” subentendida pela curva do gráfico relativamente à reta de equação v=0);
• O valor algébrico da aceleração.
Determinação gráfica da aceleração
Gráfico velocidade – tempo de um movimento retilíneo
a < 0
a > 0
a = 0
Segunda Lei de Newton
RF
RF
RF
Conclusão: para um determinado corpo, a resultante das forças, ou força resultante, , tem sempre a mesma direção e sentido da
aceleração, , do seu centro de massa.
O módulo da força resultante é diretamente proporcional ao módulo da sua aceleração.
RF
a
Segunda Lei de Newton ou Lei Fundamental da Dinâmica
O módulo da força resultante que atua sobre um corpo de massa constante é diretamente proporcional ao módulo da aceleração que ele adquire, sendo a constante de proporcionalidade igual à massa inercial.
amFR
RF
- força resultante (N) que atua no corpo
- massa inercial (é uma propriedade de cada corpo) (Kg)
- aceleração adquirida pelo corpo (ms-2) a
m
Segunda Lei de Newton
Três blocos com massas diferentes são sujeitos à mesma força resultante:
Conclusão: quanto maior for a massa do corpo, menor será a aceleração adquirida para uma determinada força resultante, ou seja, maior será a
sua inércia (tendência para manter a mesma velocidade) m3 < m1 < m2
213 aaa
Caracterizar o movimento
Movimento retilíneo
(a direção da velocidade é constante)
Uniforme
variado
Acelerado
Retardado
00
aF v
00
aF vea
paralelos
Movimento curvilíneo
(a direção da velocidade
varia)
Uniforme • a • m
variado acelerado •
retardado •
laresperpendicusãoveFR
00
aF
paralelossão
nuncaveFR
vea
paralelos
sãonunca
sentidomesmootêmvea
090quemenorveaentreângulo
paralelosveFR
090quemaiorveaentreângulo
almesmootêmvea
sentidomesmootêmvea
sin
contráriosaistêmvea
opostossentidosotêmvea
sin
Lei da inércia
Conclusão:
Objetos em repouso tendem a permanecer
em repouso a menos que sobre eles
atue um conjunto de forças cuja resultante
seja diferente de zero
Aristóteles explica…
Para manter um corpo em movimento é necessário que atue uma força sobre ele.
Nota: nesta época não se conhecia o atrito.
Galileu explica… Se a resultante das forças que atuam sobre
um corpo for nula, a sua velocidade permanecerá constante.
Galileu imaginou uma situação ideal em que um corpo deslizava numa superfície horizontal sem atrito.
Será que a esfera vai parar?
• A força resultante é nula o movimento não pode ser acelerado nem retardado; A velocidade da esfera será constante (movimento retilíneo uniforme)
Newton explica…
Quando a resultante das forças que atua sobre um corpo é nula:
• Se o corpo estiver inicialmente em repouso, permanecerá em repouso ( );
• Se o corpo estiver inicialmente em movimento, permanecerá com a mesma velocidade, ou seja, terá movimento retilíneo e uniforme ( ).
Se a força resultante que atua sobre um corpo for nula, o corpo permanecerá em repouso se estiver inicialmente em repouso, ou terá movimento retilíneo uniforme se estiver em movimento.
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