Tipos de Forças

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.