1ª Lei de Newton: Princípio da Inércia
Isaac Newton foi um dos maiores gênios da Humanidade. Ele organizou toda a Mecânica apoiado em três leis que passaram para a história da Física como "as Leis de Movimento de Newton".
A Teoria da Relatividade de Einstein não invalidou, porém limitou a validade das Leis de Newton.
Quando a velocidade dos corpos se aproxima da velocidade da luz no vácuo (3,0 . 108m/s) as Leis de Newton deixam de ser verdadeiras e temos que substituí-las pelas leis que aparecem na teoria da relatividade de Einstein. Porém, como na nossa vida cotidiana as velocidades envolvidas são muito menores que a velocidade da luz no vácuo, as correções impostas por Einstein não são significativas e as leis de Newton continuam válidas em nosso cotidiano.
É usual dizermos que a Física Newtoniana é um caso particular da Física de Einstein para baixas velocidades, isto é, velocidades muito menores do que a velocidade da luz no vácuo.
As três leis de Newton estudam:
1ª lei: comportamento de um corpo livre da ação de forças.
2ª lei: comportamento de um corpo ao receber a ação de uma força.
3ª lei: como os corpos trocam forças entre si.
1. Objetivos da Dinâmica
Dinâmica é a parte da Física que investiga os fatores que podem produzir ou modificar o movimento dos corpos.
Enquanto a Cinemática apenas descreve o movimento através de equações matemáticas, a Dinâmica procura descobrir as Leis da Natureza que explicam estes movimentos.
2. Conceito de força
Na Dinâmica, entendemos Força como sendo o agente físico que produz Aceleração, isto é, a causa que tem como efeito a mudança de velocidade dos corpos.
Qualquer alteração de velocidade, seja em módulo, seja em direção, implica presença de uma força.
3. Inércia
Definição
A inércia é uma propriedade característica da matéria, isto é, uma propriedade comum a todos os corpos.
Todos os corpos são constituídos de matéria, logo, todos os corpos gozam da propriedade chamada Inércia.
Se o corpo estiver inicialmente em repouso, ele tem uma tendência natural, espontânea, de permanecer em repouso. Para alterar o seu estado de repouso, é preciso a intervenção de uma força.
Se o corpo já estiver em movimento, ele tem uma tendência natural, espontânea, de permanecer em movimento, conservando o módulo, a direção e o sentido de sua velocidade, isto é, tem tendência de continuar em movimento retilíneo e uniforme.
Para alterar o seu estado de movimento retilíneo e uniforme, é preciso a intervenção de uma força.
Exemplos:
A) Quando um cavalo, em pleno galope, para bruscamente, o cavaleiro é projetado para fora da sela, por inércia de movimento.
B) Quando um ônibus está em repouso e arranca bruscamente, os passageiros que estavam em pé, sem se segurar, são projetados para trás, por inércia de repouso. Se o ônibus estiver em um plano horizontal com velocidade constante (movimento retilíneo e uniforme), não há tendência de os passageiros serem jogados para frente ou para trás, porém, em uma freada repentina, os passageiros são projetados para frente por inércia de movimento.
C) Quando um carro faz uma curva e a sua porta se abre, um passageiro nela encostado é jogado para fora do carro, por inércia de movimento, insistindo em manter a direção de sua velocidade vetorial.
A propriedade chamada inércia de um corpo é medida quantitativamente através da massa deste corpo, que é, por isso, denominada massa inercial.
Só existe inércia de velocidade, não existe inércia de aceleração, isto é, retirada a força (causa), no mesmo instante cessa a aceleração (efeito) e apenas a velocidade do corpo será mantida constante, por inércia.
Foi Galileu quem pela primeira vez apresentou o conceito de inércia, admitindo as duas manifestações: a inércia de repouso e a inércia de movimento.
Porém, Galileu cometeu um erro: admitiu que o movimento circular uniforme mantinha-se por inércia.
Aristóteles só aceitava a inércia de repouso, afirmando que o estado natural dos corpos era o repouso e, concluindo erradamente, que não existia movimento sem a presença de forças.
Os conceitos de inércia de repouso e de movimento foram aceitos por Newton e traduzidos em sua 1ª Lei de Movimento.
4. 1ª Lei de Movimento de Newton: Princípio da Inércia
A 1ª Lei de Movimento de Newton, aplicada a partículas (pontos materiais), estabelece o comportamento de uma partícula quando estiver livre de forças.
A expressão livre de forças deve ser interpretada de duas maneiras:
– nenhuma força atua sobre a partícula, o que, naturalmente, é apenas uma concepção teórica ideal, impossível de ser viabilizada praticamente.
– as forças atuantes na partícula neutralizam seus efeitos, de modo que a “força resultante" é nula.
A 1ª Lei de Newton pode ser enunciada das seguintes maneiras:
1º enunciado:
2º enunciado:
3º enunciado
Exemplificando:
A) Um automóvel altera sua velocidade, em um plano horizontal, recebendo uma força externa do solo através do atrito. Se não existisse atrito, os carros não poderiam ser acelerados nem as pessoas poderiam andar em um plano horizontal.
B) Quando um pássaro (ou um avião a hélice) está voando, recebe do ar uma força externa capaz de alterar sua velocidade horizontal.
C) Uma nave de propulsão a jato é acelerada graças à força externa recebida dos jatos expulsos, isto é, os jatos aplicam no corpo da nave a força externa que vai alterar sua velocidade.
D) O herói infantil conhecido como “Super-Homem" traduz uma aberração física, pois, por mais forte e carregado de energia que ele seja, não pode voar sem receber a ação de uma força externa (ou do ar ou de um sistema de jatos).
E) Uma nave a hélice não pode ser usada para uma viagem espacial, pois, para ser acelerada, deve receber força externa do ar e teria de atravessar, no espaço sideral, regiões de vácuo onde não há possibilidade de receber força externa do ar.
5. Sistema de referência inercial
Considere um livro no chão de um ônibus, inicialmente em repouso. Admitamos que o chão seja liso de modo a não haver atrito entre o chão e o livro.
O livro está sob a ação de duas forças que se neutralizam: a força de gravidade aplicada pela Terra () e a força aplicada pelo chão ().
Se o ônibus acelerar, devido à inexistência de atrito, o livro continua parado em relação à Terra, porém escorrega para trás em relação ao ônibus.
Verifiquemos, então, que a 1ª Lei de Newton é válida em relação a um referencial ligado à Terra: o livro estava em repouso e, como está livre de forças, continuou em repouso; porém, não é válida em relação a um referencial ligado ao ônibus acelerado: o livro estava em repouso, livre de forças, e se movimentou para trás em relação ao ônibus.
Isto posto, notamos que a 1ª Lei de Newton não pode ser aplicada para qualquer sistema de referência; ela é válida para privilegiados sistemas de referência que são chamados de Sistemas Inerciais.
Para nossos estudos, serão considerados inerciais os referenciais ligados à superfície terrestre e os referenciais em movimento de translação retilínea e uniforme em relação à superfície terrestre.
Exercícios Propostos
1. Segundo Aristóteles, uma vez deslocados de seu local natural, os elementos tendem espontaneamente a retornar a ele, realizando movimentos chamados de naturais.
Já em um movimento denominado forçado, um corpo só permaneceria em movimento enquanto houvesse uma causa para que ele ocorresse. Cessada essa causa, o referido elemento entraria em repouso ou adquiriria um movimento natural.
Porto, C. M. A física de Aristóteles: uma construção ingênua?
Revista Brasileira de Ensino de Física. V. 31, n° 4 (adaptado).
Posteriormente, Newton confrontou a ideia de Aristóteles, sobre o movimento forçado, com base na lei da
a) inércia.
b) ação e reação.
c) gravitação universal.
d) conservação da massa.
e) conservação da energia.
2. Em 1543, Nicolau Copérnico publicou um livro revolucionário em que propunha a Terra girando em torno do seu próprio eixo e rodando em torno do Sol. Isso contraria a concepção aristotélica, que acredita que a Terra é o centro do universo. Para os aristotélicos, se a Terra gira do oeste para o leste, coisas como nuvens e pássaros, que não estão presas à Terra, pareceriam estar sempre se movendo do leste para o oeste, justamente como o Sol. Mas foi Galileu Galilei que, em 1632, baseando-se em experiências, rebateu a crítica aristotélica, confirmando assim o sistema de Copérnico. Seu argumento, adaptado para a nossa época, é: se uma pessoa, dentro de um vagão de trem em repouso, solta uma bola, ela cai junto a seus pés. Mas se o vagão estiver movendo-se com velocidade constante, a bola também cai junto a seus pés (resistência do ar desprezível). Isto porque a bola, enquanto cai, continua a compartilhar do movimento do vagão. O princípio físico usado por Galileu para rebater o argumento aristotélico foi
a) a lei da inércia.
b) ação e reação.
c) a segunda Lei de Newton.
d) a conservação da energia.
e) o princípio da equivalência.
3. Para entender os movimentos dos corpos, Galileu discutiu o movimento de uma esfera de metal em dois planos inclinados sem atritos e com a possibilidade de se alterarem os ângulos de inclinação, conforme mostra a figura. Na descrição do experimento, quando a esfera de metal é abandonada para descer um plano inclinado de um determinado nível, ela sempre atinge, no plano ascendente, no máximo, um nível igual àquele em que foi abandonada.
Galileu e o plano inclinado. Disponível em: www.fisica.ufpb.br.
Acesso em: 21 ago. 2012 (adaptado).
Se o ângulo de inclinação do plano de subida for reduzido a zero, a esfera
a) manterá sua velocidade constante, pois a força resultante sobre ela será nula.
b) manterá sua velocidade constante, pois o impulso da descida continuará a empurrá-la.
c) diminuirá gradativamente a sua velocidade, pois não haverá mais impulso para empurrá-la.
d) diminuirá gradativamente a sua velocidade, pois o impulso resultante será contrário ao seu movimento.
e) aumentará gradativamente a sua velocidade, pois não haverá nenhum impulso contrário ao seu movimento.
4. (UFRN-MODELO ENEM) – As Leis de Newton descrevem os movimentos que podemos executar cotidianamente, tais como andar, correr, saltar, bem como o fato de, usando máquinas (p. ex., aviões), poder voar. As histórias em quadrinhos estão cheias de super-heróis com poderes incríveis associados ao ato de voar, como, por exemplo, o Super-homem e o Homem de Ferro (representados na figura abaixo).
Esses dois super-heróis conseguem voar, entretanto
a) o Homem de Ferro viola a lei da inércia, por usar propulsores para voar.
b) o Super-homem viola a lei da ação e reação, por não usar propulsores para voar.
c) o Homem de Ferro viola a lei da ação e reação, por usar propulsores para voar.
d) o Super-homem viola a lei da inércia, por não usar propulsores para voar.
e) os dois super-heróis violam a lei da inércia.
5. (VUNESP-UEFS-MODELO ENEM) – Um objeto de pequenas dimensões gira sobre uma superfície plana e horizontal, em movimento circular e uniforme, preso por um fio ideal a um ponto fixo O, conforme a figura.
Nesse movimento, o atrito e a resistência do ar são considerados desprezíveis. Considere que quando o objeto passa pelo ponto P da superfície, com velocidade escalar VP, o fio se rompa e o objeto escape da trajetória circular. Alguns instantes após o rompimento do fio, o objeto passará pelo ponto
a) 3 e com velocidade escalar maior do que VP.
b) 2 e com velocidade escalar igual a VP.
c) 3 e com velocidade escalar igual a VP.
d) 2 e com velocidade escalar maior do que VP.
e) 1 e com velocidade escalar igual a VP.
Gabarito
1. RESOLUÇÃO:
Quando um corpo está em movimento e retiramos a força motriz que causou o seu movimento, o corpo, livre da ação de forças, continuará em MRU por inércia, de acordo com a 1.a Lei de Newton.
Resposta: A
2. RESOLUÇÃO:
De acordo com a lei da inércia (1.a Lei de Newton), a bola tende a manter sua velocidade horizontal constante por inércia, pois nenhuma força horizontal atua na bola durante sua queda (resistência do ar desprezível).
Resposta: A
3. RESOLUÇÃO:
A esfera continuará com velocidade constante por inércia (1.a Lei de Newton), pois a força resultante será nula.
Resposta: A
4. RESOLUÇÃO:
O Super-homem viola a 1.a Lei de Newton (lei da inércia) porque nenhum corpo pode sozinho mudar sua velocidade vetorial; o corpo deve receber uma força externa, no caso, do sistema de propulsores.
Resposta: D
5. RESOLUÇÃO:
A velocidade vetorial é tangente à trajetória e tem o sentido do movimento.
Por inércia (1a. Lei de Newton) o objeto conserva sua velocidade vetorial.
Resposta: C
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