Força é um dos conceitos fundamentais da Física newtoniana. Relacionado com as três leis de Newton, é uma grandeza que tem a capacidade de vencer a inércia de um corpo, modificando-lhe a velocidade (seja na sua magnitude ou direção, já que se trata de um vetor). Como corolário, chega-se ao constructo de que a força pode causar deformação em um objeto flexível. Citação: Força: qualquer agente externo que modifica o movimento de um corpo livre ou causa deformação num corpo fixo . Intuitivamente, a força se identifica com as noções de empuxo ou impuxo. A força, por ser também um vetor, tem dois elementos: a magnitude e a direção. A segunda lei de Newton, ("F=ma"), foi originalmente formulada em termos ligeiramente diferentes, mas equivalentes: a versão original afirma que a força que age sobre um objeto é igual à derivada temporal do momento linear deste objeto .
Alguns conceitos relacionados com a força:
Alguns conceitos relacionados com a força:
- pressão, divisão ou distribuição da força sobre a área;
- arrasto, diminuição da velocidade de um objeto;
- torque, força que produz mudanças na velocidade de rotação de um objeto.
Forças gravitacionais
Já foi explicado como é o movimento da Terra em torno do Sol ou o da Lua em torno da Terra, ou ainda o da Galáxia em torno de si própria. Mas ainda não falámos de uma questão importante. Porque é que isso acontece? Os cientistas não ficam contentes em saber como, querem saber porquê... Não se contentam em descrever, pois querem também explicar.
Desde sempre que o homem observa movimentos, seja o movimento dos astros no céu seja o movimento de objectos na Terra. A partir do século XVII, começou a relacionar o movimento dos astros no céu com o movimento dos objectos na Terra. Essa ligação foi essencial para se desenvolver a Física. Qual é a causa do movimento e das alterações do movimento, quer na Terra quer no céu?
Desde sempre que o homem observa movimentos, seja o movimento dos astros no céu seja o movimento de objectos na Terra. A partir do século XVII, começou a relacionar o movimento dos astros no céu com o movimento dos objectos na Terra. Essa ligação foi essencial para se desenvolver a Física. Qual é a causa do movimento e das alterações do movimento, quer na Terra quer no céu?
O que é uma força
Os físicos criaram o conceito (ou noção, ideia científica) de força para explicar as interacções (acções recíprocas) entre corpos e a consequente existência de movimentos mais ou menos complicados, no céu ou na Terra. De facto, Galileu foi o primeiro cientista a estudar em pormenor os movimentos na Terra, para além de os ter observado no céu. Não conseguiu perceber a causa dos movimentos no céu, mas concluiu que, na Terra, um corpo permanece imóvel (quer dizer, com velocidade nula) se não for empurrado nem puxado, isto é, se não sofrer forças, ou se as forças nele aplicadas se compensarem. Esta afirmação parece clara, sendo fácil colocar um corpo imóvel em relação à Terra. Se esse corpo parado sofrer forças, passa então a mover-se com uma certa velocidade. Força tem, portanto, a ver com velocidade, embora seja diferente de velocidade: uma força pode mudar a velocidade de um corpo, passando a velocidade do valor zero para outro valor qualquer.
Um puxão ou um empurrão são exemplos de forças. Quando puxamos ou empurramos um corpo qualquer existe uma interacção entre nós e esse corpo: um exemplo é um pontapé que damos numa bola. Forças desse tipo em que o agente, que exerce a força, e o objecto, onde ela está aplicada, se contactam chamam-se forças de contacto. Por outro lado, há forças que não são de contacto pois se exercem à distância: chamam-se mesmo forças à distância. Neste caso não há nada no meio entre o agente e o objecto que sirva para transmitir a força. As forças da experiência seguinte são forças à distância.
A força (símbolo F, em itálico) está relacionada com a velocidade, uma vez que uma força produz uma alteração de velocidade.
A velocidade de um corpo (símbolo v, em itálico) é uma grandeza física que indica se um corpo se move mais depressa ou mais devagar. Mas, para indicar completamente a velocidade, é preciso ainda dizer em que direcção e para que lado se move o corpo. Assim, uma bola de futebol disparada da marca de “penalty” para a baliza tem um certo valor (com uma certa unidade, por exemplo metros por segundo, m/s), uma certa direcção e um certo sentido. Indicamos essa velocidade por uma seta ou vector e dizemos que a velocidade é uma grandeza vectorial.
A velocidade de um corpo (símbolo v, em itálico) é uma grandeza física que indica se um corpo se move mais depressa ou mais devagar. Mas, para indicar completamente a velocidade, é preciso ainda dizer em que direcção e para que lado se move o corpo. Assim, uma bola de futebol disparada da marca de “penalty” para a baliza tem um certo valor (com uma certa unidade, por exemplo metros por segundo, m/s), uma certa direcção e um certo sentido. Indicamos essa velocidade por uma seta ou vector e dizemos que a velocidade é uma grandeza vectorial.
A força é, tal como a velocidade, uma grandeza física que se representa por uma seta ou vector. Significa isto que são características importantes de uma força não só o valor ou intensidade (com a respectiva unidade), mas também a direcção e o sentido. Convém sempre indicar, além do valor da força, a direcção e o sentido da força, isto é, a linha recta onde se situa a seta e o lado para onde esta aponta. Por vezes interessa ainda dizer o ponto onde está aplicada, o chamado ponto de aplicação da força.
|
Quando temos duas ou mais forças a actuar sobre o mesmo corpo ele fica sujeito a uma força total ou resultante. Temos, por isso, de saber somar forças (atenção: só se podem somar forças com forças, velocidades com velocidades e nunca forças com velocidades!). Por exemplo, um carrinho sobre uma mesa pode ser empurrado para um certo lado por uma pessoa e empurrado para o outro lado por outra pessoa. Se os dois empurrões se compensarem, o carrinho fica sujeito a uma força resultante nula. Não se move então! Mas se um empurrão for maior do que o outro, o carrinho move-se no sentido para o qual é mais empurrado. Em geral, duas forças com a mesma direcção somam-se de uma maneira simples: se apontarem para o mesmo lado, basta somar os tamanhos das duas setas; mas se apontarem para lados diferentes, subtrai-se o tamanho da seta menor ao da seta maior. Existe uma regra para somar forças quando elas não estão sobre a mesma linha: é a chamada regra do paralelogramo. Para obter a força soma ou resultante de duas forças aplicam-se as duas no mesmo ponto, constrói-se um paralelogramo com esses dois lados e obtém-se a soma unindo o ponto origem das duas forças com o vértice oposto.
Como sabemos que as forças se somam pela regra do paralelogramo? Esta regra tem uma justificação experimental. Todas as grandezas físicas podem-se medir e as forças medem-se com um aparelho chamado dinamómetro. Um dinamómetro consiste de uma mola que se pode esticar ou encolher conforme a sua ponta é puxada ou empurrada. O dinamómetro mede um puxão ou um empurrão, porque um puxão ou um empurrão fazem a mola, respectivamente, encolher ou esticar. Se puxarmos um carrinho sobre uma mesa em duas direcções diferentes, tal é equivalente a puxar segundo uma única direcção dada pela regra do paralelogramo, sendo o valor da força resultante indicado pelo tamanho da diagonal. Este resultado pode ser obtido com um dinamómetro.
O valor da força, como o da maior parte das grandezas físicas, é indicado não apenas por um número mas por uma unidade, que nos indica o padrão de medida. A unidade de força, num conjunto de unidades aceites internacionalmente que se designa por Sistema Internacional (SI), é chamada newton, em homenagem ao físico inglês Isaac Newton (a unidade newton escreve-se com minúscula mas o respectivo símbolo é a maiúscula N).
Galileu afirmou que um corpo parado continuava parado enquanto não actuassem forças sobre ele, podendo as forças ser tanto de contacto como à distância. Mas Galileu concluiu também o seguinte: se um corpo tiver velocidade de valor constante e direcção e sentido também constantes (a trajectória é uma linha recta), permanece com esse movimento se não for actuado por uma força ou se existirem forças que se compensem (isto é, cuja resultante seja nula). Diz-se então que o movimento é rectilíneo e uniforme. Segundo Galileu, não são necessárias forças para haver movimento rectilíneo e uniforme, mas sim e apenas para o alterar!
O valor da força, como o da maior parte das grandezas físicas, é indicado não apenas por um número mas por uma unidade, que nos indica o padrão de medida. A unidade de força, num conjunto de unidades aceites internacionalmente que se designa por Sistema Internacional (SI), é chamada newton, em homenagem ao físico inglês Isaac Newton (a unidade newton escreve-se com minúscula mas o respectivo símbolo é a maiúscula N).
Galileu afirmou que um corpo parado continuava parado enquanto não actuassem forças sobre ele, podendo as forças ser tanto de contacto como à distância. Mas Galileu concluiu também o seguinte: se um corpo tiver velocidade de valor constante e direcção e sentido também constantes (a trajectória é uma linha recta), permanece com esse movimento se não for actuado por uma força ou se existirem forças que se compensem (isto é, cuja resultante seja nula). Diz-se então que o movimento é rectilíneo e uniforme. Segundo Galileu, não são necessárias forças para haver movimento rectilíneo e uniforme, mas sim e apenas para o alterar!
Por outro lado, se um corpo tiver movimento rectilíneo mas acelerar (aumentar de velocidade) ou travar (diminuir de velocidade), ou ainda se tiver um movimento curvilíneo (com trajectória curva), então existe uma força a actuar. Galileu estudou a queda dos corpos na superfície da Terra, caso em que a velocidade não é constante, pois uma pedra que se deixa cair do cimo de uma torre acelera, isto é, desloca-se cada vez mais depressa.
O movimento de queda de uma pedra é acelerado, porque há uma força, a que chamamos força gravitacional ou gravítica, que puxa a pedra para baixo. Chamamos habitualmente peso à força gravítica exercida por um certo astro. No caso da pedra, o peso é devido à Terra mas está exercido sobre a pedra. Os corpos caem, portanto, porque têm peso, porque são pesados.
O movimento da Terra em volta do Sol é praticamente circular e não rectilíneo. Assim, também deve ser explicado por uma força. Podemos observar uma situação semelhante se prendermos um fio a uma pedra e a pusermos a andar à volta, na horizontal, por cima da nossa cabeça (essa arma chama-se funda, e terá sido usada pelo pequeno David para vencer o gigante Golias). Neste caso, a força sobre a pedra é exercida pela mão e comunicada através do fio (é uma força de contacto), mas, no caso da Terra e do Sol, não existe nenhum fio entre a Terra e o Sol que prenda um astro a outro. De facto, a força entre a Terra e o Sol é uma força à distância, de certo modo semelhante à força de um íman sobre um clip ou à força de um balão esfregado numa camisola de lã sobre um pedacinho de papel.
O movimento de queda de uma pedra é acelerado, porque há uma força, a que chamamos força gravitacional ou gravítica, que puxa a pedra para baixo. Chamamos habitualmente peso à força gravítica exercida por um certo astro. No caso da pedra, o peso é devido à Terra mas está exercido sobre a pedra. Os corpos caem, portanto, porque têm peso, porque são pesados.
O movimento da Terra em volta do Sol é praticamente circular e não rectilíneo. Assim, também deve ser explicado por uma força. Podemos observar uma situação semelhante se prendermos um fio a uma pedra e a pusermos a andar à volta, na horizontal, por cima da nossa cabeça (essa arma chama-se funda, e terá sido usada pelo pequeno David para vencer o gigante Golias). Neste caso, a força sobre a pedra é exercida pela mão e comunicada através do fio (é uma força de contacto), mas, no caso da Terra e do Sol, não existe nenhum fio entre a Terra e o Sol que prenda um astro a outro. De facto, a força entre a Terra e o Sol é uma força à distância, de certo modo semelhante à força de um íman sobre um clip ou à força de um balão esfregado numa camisola de lã sobre um pedacinho de papel.
A funda é uma arma perigosa, porque a pedra pode ser lançada a grande velocidade. Vamos construir uma funda inofensiva pois o corpo na ponta do fio não é largado.
Força de gravitação universal
Conta a lenda que Newton percebeu um dia, quando estava debaixo de uma macieira e uma maçã lhe caiu na cabeça, que a força que fazia cair a maçã era do mesmo tipo da força que puxava a Lua para a Terra. Newton descobriu, portanto, que a força gravítica não existe apenas à superfície da Terra: existe em todo o lado do universo, pelo que se diz universal. Assim, a Lua está sujeita à força gravítica da Terra e é puxada para a Terra do mesmo modo que uma maçã. A Lua é como uma maçã, apesar de maior... Do mesmo modo, a Terra está sujeita à força gravítica do Sol. E o Sol está sujeito à força gravítica das pesadas estrelas no centro da Galáxia. A força de gravitação, como é universal, também existe fora da nossa Galáxia. A Nuvem Grande de Magalhães é atraída pela nossa Galáxia e a nossa Galáxia é atraída pela Andrômeda.
Por que é que a Lua não cai para a Terra tal qual uma pedra? Por que é que a Terra não cai para o Sol? E por que é que o Sol não cai para o centro da Galáxia?
O movimento tem de obedecer à força mas não tem de seguir a força! Repare-se numa pedra que se atira ao ar. A pedra começa por subir, apesar da força gravítica ser vertical e para baixo. Se ignorarmos a força de resistência do ar, a única força actuante é a força gravítica, sempre praticamente constante, a apontar para o centro da Terra. A pedra sobe em virtude das condições com que foi lançada. A certa altura, a pedra inverte o sentido da sua velocidade e começa a descer, caindo cada vez mais depressa. Ou repare-se numa pedra enviada obliquamente para o ar: a pedra segue uma linha curva, apesar da força gravítica ser sempre para baixo. Também neste caso, se ignorarmos a força de resistência do ar, a força gravítica é sempre constante, mas a pedra sobe em virtude das condições com que foi lançada.
A Terra e a Lua têm movimentos circulares devido ao que chamamos condições iniciais: quando se formou o Sistema Solar, há cerca de 4.500 milhões de anos, a Terra ficou a circular em volta do Sol e a Lua ficou a circular em volta da Terra. As velocidades da Terra em volta do Sol e da Lua em volta da Terra eram já nessa altura como são hoje: mantêm o seu valor mas mudam permanentemente de direcção. A velocidade é sempre tangente à trajectória. A força gravitacional, que aponta sempre para o centro da órbita, mantém tal situação. Assim tem sido e assim continuará a ser… Se imaginarmos que a força gravitacional cessava de repente, a Lua sairia disparada da sua órbita caminhando para a frente, em linha recta, com a mesma velocidade com que tinha quando a força tinha acabado. Do mesmo modo, a Terra sairia disparada da sua órbita. E o Sol sairia da sua órbita em torno do centro da Galáxia. Sem forças gravíticas, os astros ficariam todos com movimento rectilíneo e uniforme.
A Matemática ajuda a descrever a lei de gravitação universal. A linguagem matemática é a maneira mais adequada para exprimir as leis da Física porque é resumida, clara e elegante. Em linguagem matemática, o valor da força gravitacional é: em que G é uma constante, M é a massa do primeiro corpo, m é a massa do segundo corpo e d é a distância entre os centros dos dois corpos. A constante G é a mesma em todo o universo e em todas as ocasiões, chamando-se por isso constante de gravitação universal.
A Matemática ajuda a descrever a lei de gravitação universal. A linguagem matemática é a maneira mais adequada para exprimir as leis da Física porque é resumida, clara e elegante. Em linguagem matemática, o valor da força gravitacional é: em que G é uma constante, M é a massa do primeiro corpo, m é a massa do segundo corpo e d é a distância entre os centros dos dois corpos. A constante G é a mesma em todo o universo e em todas as ocasiões, chamando-se por isso constante de gravitação universal.
A fórmula anterior contém resumidamente a lei de gravitação universal. Quem souber Matemática olha para essa fórmula e enuncia logo a lei da gravitação universal.
Forças magnéticas
As forças do universo podem ser dos seguintes tipos:
1. Forças gravitacionais, São descritas pela lei de gravitação universal.
2. Forças eléctricas e magnéticas. Estas forças relacionam-se de perto.
3. Forças nucleares. Estas são responsáveis pelas reacções que se dão nas estrelas no céu ou nas centrais nucleares que produzem energia na Terra.