Peso (física): cálculo, unidades, exemplos, exercícios - Ciência - 2023

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Peso (física): cálculo, unidades, exemplos, exercícios - Ciência
Peso (física): cálculo, unidades, exemplos, exercícios - Ciência

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o peso é a força com a qual a Terra atrai objetos para sua superfície. Cada vez que um objeto é largado, ele cai no chão, não é capaz de escalar sozinho, nem fica sem peso na metade, porque a Terra o atrai.

Todos os objetos se atraem invariavelmente, mesmo os menores, apenas a magnitude da força com que o fazem é proporcional à massa. Isso significa que objetos com pequena massa exercem pouca força sobre os outros, mas corpos celestes, como a Terra, são capazes de exercer uma força muito grande.

A Terra mantém a Lua orbitando ao seu redor graças a esta força atrativa, que é chamada atração gravitacional quando se trata de objetos que estão longe da superfície da terra, e peso quando os objetos estão próximos.


Disto se segue que a força da gravidade não exige que os objetos estejam necessariamente em contato uns com os outros para agir: é por isso que se diz que é uma força de ação à distância.

Os objetos continuam a ter peso mesmo que estejam a uma certa altura acima do solo e, quanto mais maciços forem, maior será o peso.

O grande cientista inglês Isaac Newton foi o primeiro a dar uma explicação sobre essa questão, por meio da lei universal da gravitação que leva seu nome e que desde então tem servido para entender como objetos com massa interagem. Isso é muito importante, pois qualquer objeto do planeta tem peso.

Unidades de peso

O Sistema Internacional de unidades do SI tem como unidade de peso o Newton, em homenagem a Isaac Newton. Esta é a unidade para medir forças de todos os tipos.

O newton, abreviado N, é definido como a força necessária para que um objeto de massa 1kg adquira uma aceleração de 1m / s2. Além do newton, existem outras unidades de força em uso comum, por exemplo, o seguinte:


O quilograma-força

o quilograma-força ou kilopond, abreviado como kg-f ou kp, embora comumente denominado kg sem mais, é a força que a Terra exerce sobre um objeto que está ao nível do mar e a 45º de latitude norte. É necessário especificar a localização, pois como foi dito, o campo gravitacional experimenta variações com a altura e a latitude.

Quando alguém diz que pesa 45 kg, o que ele realmente quer dizer é que seu peso é de 45 kg-f, porque o quilograma é a unidade reservada para a massa.

A equivalência entre kg-f e N é: 1kg-f = 9,8 N

Força de libra

o libra-força, a abreviatura lb-f também é uma unidade de força análoga a kg-f, uma vez que é a força que a Terra exerce sobre um objeto de 1 lb de massa. E como acontece com o kg-f, não há problema com os valores quando você está na Terra, ou seja, um objeto de massa 1 lb, pesa 1 lb-f.

A equivalência em lb-f e N é: 1 lb-f ≡ 4,448222 N.


Cálculo de peso e fórmula

O peso de um objeto é proporcional à sua massa. Quanto maior a massa, maior o peso.

A fórmula para encontrar a magnitude do peso P (ou também W, como às vezes é denotado, por "Peso" em inglês) é muito simples:

P = mg

Onde m representa a massa do objeto e g é a magnitude da aceleração da gravidade (intensidade do campo gravitacional ou gravidade), aproximadamente constante e cujo valor é tomado como 9,81 m / s2 para os cálculos mais frequentes.

Peso é um vetor e letras em negrito são usadas para distinguir entre um vetor e sua magnitude. Desta forma, quando se fala em P entende-se que é o valor numérico e quando está escrito P referência é feita ao vetor:

P = m ∙g

og em negrito está o campo gravitacional da Terra, ou seja, a influência que a Terra exerce sobre o espaço que a circunda, independentemente de haver ou não outro corpo que a perceba. Qualquer objeto com massa tem seu próprio campo gravitacional, seja ele pequeno ou grande.

A intensidade do campo gravitacional da Terra g não é totalmente constante. Possui pequenas variações que surgem principalmente pelo fato de a Terra não ser uma esfera perfeita e também por diferenças locais de altura e densidade. Mas para a maioria das aplicações, o valor 9,81 m / s2 Funciona muito bem.

Outros corpos celestes têm seu próprio campo gravitacional característico, portanto, a aceleração da gravidade difere dependendo do planeta ou satélite. O mesmo objeto teria um peso diferente em cada um, portanto o peso não é uma propriedade característica das coisas, mas da matéria em geral.

Peso como vetor

O peso é um vetor e, portanto, tem magnitude, direção e sentido. Nas proximidades da superfície terrestre, o peso é um vetor na direção vertical e a direção é sempre para baixo.

Normalmente, a direção vertical é nomeada como eixo Y ou z, e a direção para baixo recebe um sinal + ou - para distingui-la da direção para cima. A escolha depende da localização da origem. Na imagem abaixo, a origem foi escolhida no ponto de queda da maçã:

O vetor unitário j, um vetor de magnitude igual a 1, é usado para marcar e distinguir a direção vertical. Em termos deste vetor, o peso é escrito assim:

P = mg (- j)

Onde o sinal negativo é atribuído à direção descendente.

Diferenças entre peso, massa e volume

Esses três conceitos costumam ser confundidos, mas revendo as características de peso, é fácil diferenciá-lo de massa e volume.

Para começar, o peso depende do campo gravitacional de onde o objeto está. Por exemplo, na Terra e na Lua, a mesma coisa tem peso diferente, embora o número de átomos que a compõem permaneça constante.

Massa é uma grandeza escalar, relacionada ao número de átomos que compõem o objeto e é evidenciada pela resistência que o objeto tem para mudar seu movimento, propriedade denominada inércia.

Já o volume é a medida do espaço que um objeto ocupa, outra quantidade escalar. Dois objetos com o mesmo volume não têm o mesmo peso, por exemplo, um cubo de ferro pesa muito mais do que um cubo de poliestireno com as mesmas dimensões.

Em resumo:

  • A massa está relacionada à quantidade de matéria que um corpo possui.
  • Peso é a força exercida pela Terra sobre essa massa, proporcional a ela.
  • O volume é o espaço ocupado pela matéria.

Deve-se notar que, sendo quantidades escalares, nem a massa nem o volume têm direção ou sentido, mas apenas um valor numérico e uma unidade adequada. Por outro lado, o peso, por ser um vetor, deve sempre ser expresso corretamente indicando a magnitude, a unidade, a direção e o sentido, como na seção anterior.

Exemplos de peso

Todos os objetos na Terra têm peso, você pode até “pesar” objetos que não estão na Terra, como outros planetas ou o Sol, embora por meios indiretos, é claro.

Como a faixa de pesos é muito grande, a notação científica (em potências de 10) é usada para expressar alguns que são muito grandes ou muito pequenos:

-O Sol: 1.989 × 1030 kg-f

–Júpiter: 1.898 × ​​1027 kg-f

-Um mosquito: 2,0 × 10-5 N

-Bebês: 34,3 N

- Uma criança: 353 N

- Adulto: 65 kg-f

- Um elefante adulto: 5,5 × 103 kg-f

- Baleia azul: 1,0 × 106 N

Exercício resolvido

Uma caixa de massa de 20 kg repousa sobre uma mesa.

a) Encontre o peso da caixa e a força normal que a mesa exerce sobre ela.

b) Outra caixa de 10 kg é colocada em cima da primeira. Encontre a normal que a mesa exerce na caixa de 20 kg e a normal que ela exerce na caixa menor.

Solução para

É conveniente fazer um diagrama de corpo livre na caixa, que consiste em desenhar as forças que atuam sobre ela.

Nessa situação, a menor caixa ainda não está no topo, portanto, existem apenas duas forças: a primeira é o peso. P que é desenhado verticalmente para baixo, como indicado nas seções anteriores e, em seguida, há o normal N, que é a força perpendicular exercida pela mesa e evita que a caixa caia.

Dado que a caixa está em equilíbrio estático nessas circunstâncias, é razoável concluir que a magnitude da normal é a mesma do peso, de forma que ela pode compensar, portanto:

N = mg = 20,0 kg x 9,8 m / s2 = 196 N; dirigido verticalmente para cima.

Por sua vez, o peso é P = 196 N direcionado verticalmente para baixo.

Solução b

Agora, novos diagramas de corpo livre são feitos em ambos os objetos. Para a caixa grande as coisas mudam um pouco, já que a caixa pequena exerce força sobre ela.

As forças são as seguintes: N Y P são respectivamente o normal exercido pela mesa e o peso na caixa de 20,0 kg, que não se alterou. E a nova força exercida pela pequena caixa é N1, o normal devido ao contato com a face superior da caixa grande.

Já a caixinha recebe o normal N2, exercido pela face superior da grande caixa e, claro, seu peso P2. Uma vez que as caixas estão em equilíbrio estático:

N2 - P2 = 0

N - N1 - P = 0

Da primeira equação, temos que N2 = P2 = 10 kg x 9,8 m / s2 = 98 N. Por lei de ação e reação, a magnitude da força que a caixa pequena recebe é a mesma que ela exerce sobre a caixa grande, então:

N2 = N1 = 98 N

A partir da segunda equação, o N normal exercido pela mesa na caixa grande é apagado, que por sua vez tem a caixa pequena no topo:

N = N1 + P = 98 N + 196 N = 294 N

Referências

  1. Figueroa, D. 2005. Série: Física para Ciências e Engenharia. Volume 2. Dynamics. Editado por Douglas Figueroa (USB).
  2. Giambattista, A. 2010. Física. 2ª Ed. McGraw Hill.
  3. Giancoli, D. 2006. Física: Princípios com Aplicações. 6º. Ed Prentice Hall.
  4. Sears, Zemansky. 2016. Física Universitária com Física Moderna. 14º. Ed. Volume 1. Pearson.
  5. Serway, R., Jewett, J. 2008. Physics for Science and Engineering. Volume 1. 7º. Ed. Cengage Learning.
  6. Thomas Griffith, W. 2007. Conceptual Physics. Mc Graw Hill.