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Física

Forças

Gabriel Briguiet
Publicado por Gabriel Briguiet
Última atualização: 16/10/2018

Introdução

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

Equilíbrio

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

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: F3X=F2   e  F3Y=F1

decomposição de forças. Para o equilíbrio: F3X=F2   e  F3Y=F1

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

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

Classificação

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:

Força Peso

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.

Força Elástica

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).

Força Normal

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 FN.

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

Força de Atrito

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.

Tração

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).

Força Centrípeta

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.


Exercícios

Exercício 1
(UNICAMP/2017)

Hoje é comum encontrarmos equipamentos de exercício físico em muitas praças públicas do Brasil. Esses equipamentos são voltados para pessoas de todas as idades, mas, em particular, para pessoas da terceira idade. São equipamentos exclusivamente mecânicos, sem uso de partes elétricas, em que o esforço consiste usualmente em levantar o próprio peso do praticante.

Considere o esquema abaixo, em que uma pessoa de massa m = 65 kg está parada e com a perna esticada em um equipamento tipicamente encontrado nessas praças.

O módulo da força 𝐹⃗ exercida pela perna da pessoa em razão de sua massa m é (Se necessário, utilize g = 10 m/s2)

Ilustração: Rapaz corpulento de camiseta, shorts e tênis acenando

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