Forças | Tipos, Força de Contato, Campo, Resultante e Exemplos

Nos estudos de cinemática (MRU, MUV, MCU, queda livre), são estudados os movimentos e suas características, como velocidade e aceleração. Entretanto, são abordados somente os movimentos em si, e não suas causas.

A fim de explicar a causa dos movimentos, estabelece-se a força como a grandeza física responsável por alterar o estado de movimento de um corpo. Assim, se o corpo estava em repouso, a força é capaz de colocá-lo em movimento; caso o corpo já esteja em movimento, a força é capaz de alterar sua velocidade (imprimir uma aceleração).

Essa ideia será mais discutida no âmbito da 1ª Lei de Newton.

A força é uma grandeza vetorial, ou seja, além de seu valor (módulo), possui uma direção e um sentido! No Sistema Internacional (SI), sua unidade é o newton (abreviado N), em que 1 N = 1 kg.m/s²

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Em muitos problemas da Física, têm-se interesse na situação de equilíbrio. Para que ela ocorra, deve-se ter a força resultante igual a zero (nula).

Para determinar a força resultante, deve-se fazer a soma vetorial de cada força atuante no corpo.   

nesse caso unidimensional, deve-se ter F₁+F₃=F₂

Já em um caso bidimensional, a soma das forças em cada eixo (x e y) deve ser nula. Isso pode ser alcançado decompondo cada força nos eixos considerados, ou fazendo com que elas formem um polígono fechado.

decomposição de forças. Para o equilíbrio: F_3X=F₂   e  F_3Y=F₁

na mesma situação, as forças devem ser tais que o triângulo “feche”

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As forças podem ser classificadas em:

• Forças de contato: para atuarem, necessitam do contato entre os dois corpos. Exemplo: força normal, força de atrito, tração.
• Forças de campo: atuam independentemente do contato, e em geral dependem da distância entre os corpos. Por exemplo: força peso (depende do campo gravitacional da Terra), força elétrica, força magnética.

Dentro da mecânica, algumas forças merecem particular atenção. São elas:

A força peso nada mais é que o peso de um corpo, devido à atração gravitacional exercida pela Terra. Ela sempre é direcionada para o centro da Terra e, na maioria dos referenciais adotados, estará vertical e para baixo. É dada por:

\[ P=m\cdot g \]

O P é a força peso, m é a massa em quilogramas e g é a aceleração da gravidade, em m/s².

O valor da aceleração da gravidade na superfície da Terra varia entre 9,79 e 9,82 m/s², dependendo, principalmente, da latitude. Usualmente, é aproximada para 10 m/s².

Essa força é resultado da deformação de uma mola (ou de um cabo elástico), e tende sempre a restaurar o estado original (não deformado) da mola.

Ou seja, se a mola é distendida, faz uma força “puxando” de volta. Se a mola é comprimida, faz uma força “empurrando”. Sua fórmula é:

\[ F=k \qquad x \]

Na expressão, x é a deformação, em metros, e k é a constante elástica da mola, em N/m.

Para uma mesma mola, k é o mesmo. É o valor dessa constante que diferencia uma mola “dura” (muita força necessária para deformar, k elevado) de uma mola “mole” (pouca força necessária para deformar, k baixo).

A força normal é uma força que um corpo faz em outro, decorrente do contato entre eles. Ela é sempre normal, ou seja, perpendicular, à superfície de contato. Normalmente é denotada por N, ou F_N.

Na iminência da perda de contato, a força normal é nula.

A força de atrito também decorre do contato, mas não atua perpendicular, e sim tangente à superfície. A força de atrito sempre se opõe à tendência de movimento. Ela se deve à rugosidade das superfícies que estão em contato, e se divide em dois tipos:

Atrito estático

Ocorre quando um corpo está em repouso em relação ao outro, e impede o movimento, ou seja, impede que um corpo escorregue sobre o outro. Seu valor máximo pode ser calculado por:

\[ Fat_{e_{max}}=\mu_{e}\cdot F_{N} \]

Onde \(\mu_{e}\) é o coeficiente de atrito estático entre as duas superfícies. O valor desse coeficiente depende das duas superfícies consideradas.

Atrito cinético

Já o atrito cinético atua quando os corpos já possuem movimento relativo, e se opõe à tendência de movimento que está ocorrendo. Seu valor é constante e calculado com uma fórmula muito parecida:

\[ Fat_{c}=\mu_{c}\cdot F_{N} \]

O \(\mu_{c}\) é o coeficiente de atrito cinético entre as superfícies. É importante notar que, para as mesmas superfícies consideradas:

\[ \mu_{c} < \mu_{e} \]

Ambas as fórmulas são proporcionais à força normal que atua no contato entre os corpos. Além disso, ambos coeficientes de atrito são adimensionais.

A tração (às vezes chamada de tensão) é a força exercida por um fio esticado em suas extremidades. Ela estará sempre na direção do fio, e terá o sentido da extremidade para dentro.

Isso ocorre pois, do contrário, o fio não estaria esticado, tracionado, mas estaria frouxo.

Na maioria dos problemas, considera-se fios inextensíveis. Isso significa que, apesar de haver uma tração aplicada, ele não muda seu comprimento (ou seja, não tem propriedades elásticas).

A força centrípeta é aquela responsável por encurvar uma trajetória. Suas aplicações passam desde pêndulos simples, pêndulos cônicos, pistas circulares, pistas de skate, pistas com sobrelevação, dentre outras. A força centrípeta não estará presente em movimentos retilíneos.

Seu valor depende da velocidade naquele instante, da massa do móvel e do raio da trajetória. É dado pela fórmula:

\[ F_{cp}=\dfrac{m \qquad v^{2}}{R} \]

Vale destacar que a força centrípeta será sempre a resultante de outras forças, ou a componente de alguma delas. Nunca estará presente por si só em um corpo.