Uma Introdução Prática às 3 Leis do Movimento de Newton

Cada lei do movimento desenvolvida por Newton possui interpretações matemáticas e físicas significativas, necessárias para entender o movimento em nosso universo. As aplicações dessas leis do movimento são verdadeiramente ilimitadas.

Essencialmente, as leis de Newton definem os meios pelos quais o movimento muda, especificamente a maneira pela qual essas mudanças estão relacionadas à força e à massa.

Sir Isaac Newton (1642-1727) era um físico britânico que, em muitos aspectos, pode ser visto como o maior físico de todos os tempos. Embora houvesse alguns predecessores notáveis, como Arquimedes, Copérnico e Galileu, foi Newton quem realmente exemplificou o método de investigação científica que seria adotado ao longo dos tempos.

Por quase um século, Descrição de Aristóteles do universo físico provou ser inadequado para descrever a natureza do movimento (ou o movimento da natureza, se você desejar). Newton enfrentou o problema e apresentou três regras gerais sobre o movimento de objetos que foram apelidadas de "três leis do movimento de Newton".

Em 1687, Newton introduziu as três leis em seu livro "Philosophiae Naturalis Principia Mathematica". Princípios da Filosofia Natural), geralmente chamado de "Principia". Foi aqui que ele também introduziu dele teoria da gravitação universal, colocando assim toda a base da mecânica clássica em um volume.

• A Primeira Lei do Movimento de Newton afirma que, para que o movimento de um objeto mude, uma força deve agir sobre ele. Este é um conceito geralmente chamado de inércia.
• A Segunda Lei do Movimento de Newton define a relação entre aceleração, força e massa.
• A Terceira Lei do Movimento de Newton afirma que sempre que uma força age de um objeto para outro, há uma força igual que age de volta no objeto original. Se você puxar uma corda, ela também estará puxando você.

• Diagramas de corpo livre são os meios pelos quais você pode rastrear as diferentes forças agindo sobre um objeto e, portanto, determine a aceleração final.
• A matemática vetorial é usada para acompanhar as direções e magnitudes das forças e acelerações envolvidas.
• Equações variáveis são usados ​​em complexos física problemas

Todo corpo continua em seu estado de repouso ou de movimento uniforme em linha reta, a menos que seja compelido a mudar esse estado pelas forças nele impressas.
- O primeiro de Newton Lei do Movimento, traduzido do "Principia"

Isso às vezes é chamado de Lei da Inércia, ou apenas inércia. Essencialmente, ele faz os dois pontos a seguir:

• Um objeto que não está se movendo não se moverá até que um força age sobre isso.
• Um objeto que está em movimento não mudará a velocidade (ou parará) até que uma força aja sobre ele.

O primeiro ponto parece relativamente óbvio para a maioria das pessoas, mas o segundo pode levar algum tempo para refletir. Todo mundo sabe que as coisas não se movem para sempre. Se eu deslizar um disco de hóquei ao longo de uma mesa, ele diminui e, eventualmente, pára. Mas, de acordo com as leis de Newton, isso ocorre porque uma força está atuando no disco de hóquei e, com certeza, existe uma força de atrito entre a mesa e o disco. Essa força de atrito está na direção oposta ao movimento do disco. É essa força que faz com que o objeto diminua até parar. Na ausência (ou ausência virtual) de tal força, como em uma mesa de air hockey ou pista de gelo, o movimento do disco não é tão impedido.

Aqui está outra maneira de afirmar a Primeira Lei de Newton:

Um corpo que é acionado por nenhuma força líquida se move a uma velocidade constante (que pode ser zero) e zero aceleração.

Portanto, sem força líquida, o objeto continua fazendo o que está fazendo. É importante observar as palavras força resultante. Isso significa que o total de forças sobre o objeto deve somar zero. Um objeto sentado no meu chão tem uma força gravitacional puxando-o para baixo, mas também há um força normal empurrando para cima a partir do chão, então a força resultante é zero. Portanto, não se move.

Para voltar ao exemplo do disco de hóquei, considere duas pessoas batendo no disco de hóquei exatamente lados opostos em exatamente ao mesmo tempo e com exatamente força idêntica. Nesse caso raro, o disco não se moveria.

Como velocidade e força são quantidades de vetor, as instruções são importantes para esse processo. Se uma força (como a gravidade) atua para baixo em um objeto e não há força para cima, o objeto ganha uma aceleração vertical para baixo. A velocidade horizontal não muda, no entanto.

Se eu jogar uma bola da sacada a uma velocidade horizontal de 3 metros por segundo, ela atingirá o chão com uma Rapidez de 3 m / s (ignorando a força da resistência do ar), mesmo que a gravidade exerça uma força (e, portanto, aceleração) na direção vertical. Se não fosse por gravidade, a bola continuaria em linha reta... pelo menos até atingir a casa do meu vizinho.

A aceleração produzida por uma força específica que atua sobre um corpo é diretamente proporcional à magnitude da força e inversamente proporcional à massa do corpo.
(Traduzido do "Principia")

A formulação matemática da segunda lei é mostrada abaixo, com F representando a força, m representando o objeto massa e uma representando a aceleração do objeto.

∑​ F = ma

Essa fórmula é extremamente útil na mecânica clássica, pois fornece um meio de traduzir diretamente entre a aceleração e a força que atuam sobre uma determinada massa. Uma grande parte da mecânica clássica acaba por se aplicar à fórmula em diferentes contextos.

O símbolo sigma à esquerda da força indica que é a força líquida ou a soma de todas as forças. Como quantidades vetoriais, a direção da força líquida também estará na mesma direção da aceleração. Você também pode dividir a equação em x e y (e até mesmo z), o que pode tornar muitos problemas elaborados mais gerenciáveis, especialmente se você orientar seu sistema de coordenadas corretamente.

Você notará que quando as forças da rede em um objeto somam zero, atingimos o estado definido na Primeira Lei de Newton: a aceleração da rede deve ser zero. Sabemos disso porque todos os objetos têm massa (pelo menos na mecânica clássica). Se o objeto já estiver se movendo, ele continuará se movendo a uma constante velocidade, mas essa velocidade não será alterada até que uma força líquida seja introduzida. Obviamente, um objeto em repouso não se moverá sem força líquida.

Uma caixa com uma massa de 40 kg repousa sobre um piso de ladrilhos sem atrito. Com o pé, você aplica uma força de 20 N na direção horizontal. Qual é a aceleração da caixa?

O objeto está em repouso; portanto, não há força líquida, exceto a força que seu pé está aplicando. O atrito é eliminado. Além disso, há apenas uma direção de força com a qual se preocupar. Portanto, esse problema é muito direto.

Você começa o problema definindo sua sistema de coordenadas. A matemática é igualmente direta:

F = m * uma

F / m = ​uma

20 N / 40 kg = uma = 0,5 m / s2

Os problemas baseados nesta lei são literalmente infinitos, usando a fórmula para determinar qualquer um dos três valores quando você recebe os outros dois. À medida que os sistemas se tornam mais complexos, você aprenderá a aplicar forças de atrito, gravidade, forças eletromagnéticase outras forças aplicáveis ​​às mesmas fórmulas básicas.

A toda ação sempre se opõe a uma reação igual; ou, as ações mútuas de dois corpos um sobre o outro são sempre iguais e direcionadas a partes contrárias.

(Traduzido do "Principia")

Representamos a Terceira Lei observando dois corpos, UMA e B, que estão interagindo. Nós definimos FA como a força aplicada ao corpo UMA pelo corpo B, e FA como a força aplicada ao corpo B pelo corpo UMA. Essas forças serão iguais em magnitude e opostas em direção. Em termos matemáticos, é expresso como:

FB = - FA

ou

FA + FB = 0

Isso não é o mesmo que ter uma força líquida zero, no entanto. Se você aplicar uma força a uma caixa de sapatos vazia sobre uma mesa, ela aplicará uma força igual em você. Isso não parece certo no começo - você obviamente está empurrando a caixa e obviamente não está empurrando você. Lembre-se que de acordo com o Segundo Lei, força e aceleração estão relacionadas, mas não são idênticas!

Como sua massa é muito maior que a da caixa de sapatos, a força que você exerce faz com que ela acelere para longe de você. A força que exerce sobre você não causaria muita aceleração.

Não apenas isso, mas enquanto empurra a ponta do seu dedo, seu dedo, por sua vez, empurra de volta para seu corpo, e o resto do seu corpo empurra de volta contra o o dedo e seu corpo empurram a cadeira ou o chão (ou ambos), o que impede o movimento do corpo e permite que você mantenha o dedo em movimento para continuar força. Não há nada empurrando a caixa de sapatos para impedir que ela se mova.

Se, no entanto, a caixa de sapatos estiver ao lado de uma parede e você a empurrar em direção à parede, a caixa de sapato empurrará a parede e a parede empurrará para trás. A caixa de sapatos, neste momento, pare de se mexer. Você pode tentar empurrá-lo com mais força, mas a caixa quebrará antes de atravessar a parede porque não é forte o suficiente para suportar tanta força.

A maioria das pessoas já jogou cabo de guerra em algum momento. Uma pessoa ou grupo de pessoas agarra as pontas de uma corda e tenta puxar contra a pessoa ou grupo do outro lado, geralmente passado algum marcador (às vezes em um poço de lama em versões realmente divertidas), provando assim que um dos grupos é mais forte que o de outros. Todas as três leis de Newton podem ser vistas em um cabo de guerra.

Freqüentemente chega um ponto em um cabo de guerra em que nenhum dos lados está se movendo. Ambos os lados estão puxando com a mesma força. Portanto, a corda não acelera em nenhuma direção. Este é um exemplo clássico da Primeira Lei de Newton.

Uma vez aplicada uma força líquida, como quando um grupo começa a se esforçar um pouco mais do que o outro, inicia-se uma aceleração. Isto segue a Segunda Lei. O grupo que perde terreno deve tentar exercer Mais força. Quando a força resultante começa a ir na direção deles, a aceleração está na direção deles. O movimento da corda diminui até parar e, se mantiverem uma força líquida mais alta, começa a recuar na direção deles.

A Terceira Lei é menos visível, mas ainda está presente. Quando você puxa a corda, pode sentir que ela também está puxando você, tentando movê-lo para o outro lado. Você coloca os pés firmemente no chão, e o chão realmente empurra você, ajudando-o a resistir à tração da corda.

Da próxima vez que jogar ou assistir a um jogo de cabo de guerra - ou qualquer outro esporte - pense em todas as forças e acelerações em ação. É realmente impressionante perceber que você pode entender as leis físicas que estão em ação durante o seu esporte favorito.