Estática: história, o que estuda, aplicações, leis - Ciência - 2023

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o Estático É o ramo da Mecânica que estuda o equilíbrio de corpos rígidos, sujeitos à ação de várias forças. Quando um corpo é rígido, as partículas que o compõem não mudam suas posições relativas e, portanto, o objeto não é deformável.

Tais objetos podem estar em equilíbrio quer estejam em repouso (equilíbrio estático) ou em movimento (equilíbrio dinâmico), somente neste último caso, o movimento deve ser retilíneo uniforme.

No caso de estruturas como edifícios, pontes e estradas, o equilíbrio estático é de grande interesse, para que a construção se mantenha estável ao longo do tempo, como é o caso do aqueduto romano superior.

Mas a Estática não se limita ao campo da engenharia civil. Também é aplicável ao equilíbrio de partículas eletricamente carregadas e de objetos imersos em meio contínuo, como ar e água.

História da estática como um ramo da mecânica

A estática teve um desenvolvimento histórico inicial, decorrente da necessidade de construir estruturas fixas à medida que as cidades se constituíam. Os antigos egípcios deixaram seus monumentos como prova; eles conheciam máquinas simples como polias, alavancas e planos inclinados.

Outras civilizações do mundo antigo, cujos monumentos sobrevivem até hoje, também conheciam os princípios fundamentais, mas foram os gregos que começaram a sistematizar seu estudo.

O grande físico grego Arquimedes de Siracusa (287-212 aC) estabeleceu as bases do uso da alavanca e do equilíbrio dos corpos submersos - a hidrostática.

Mais tarde, outros grandes cientistas, como Leonardo e Galileu, deram contribuições importantes. Este último estabeleceu que uma rede de força não era necessária para manter o movimento de um corpo (equilíbrio dinâmico).

Também se destaca Simon Stevin (1548-1620), o primeiro a observar o paradoxo hidrostático e a descrever o equilíbrio dos corpos no plano inclinado.

Mais tarde, Isaac Newton (1642-1727) deu à formulação da estática o impulso final com suas três leis da mecânica.

A próxima contribuição a mencionar devido à sua relevância foi feita por D'Alembert e o conceito de força inercial. Graças a isso, é possível estudar problemas dinâmicos por meio do conceito de equilíbrio.

Da longa lista de cientistas e engenheiros que contribuíram para a estática, devem ser mencionados os nomes de Euler e Lagrange, que desenvolveram técnicas matemáticas para moldar suas aplicações.

O que a estática estuda?

Palavraestático vem da palavra grega para designar o que é estacionário.

Este importante ramo da Mecânica é o alicerce das construções que habitamos, e não só isso, visto que existem outros campos nos quais os seus princípios são aplicados:

Aerostática

Estude o equilíbrio dos corpos no ar.

Hidrostático

Aplique os princípios da estática a corpos submersos em água ou outros líquidos.

Eletrostática

Ramo importante do Eletromagnetismo que estuda cargas elétricas em equilíbrio estático.

Magnetostática

É o ramo dedicado ao estudo de campos magnéticos que não variam com o tempo.

Partícula estática

No primeiro caso, a Estática assume que um objeto é modelado como se fosse uma partícula ou ponto material, sem tamanho mensurável, mas sim, com massa.

Quando o corpo é tratado como uma partícula, dizemos que ele está em equilíbrio estático quando a força resultante sobre ele é zero.

Estática dos corpos estendidos

Um modelo mais realista assume que os objetos são corpos estendidos, compostos por uma infinidade de partículas, o que significa que as forças podem ser aplicadas a diferentes pontos.

Isso é muito importante, pois esses efeitos podem ser:

–Dinâmico, relacionado ao movimento ou ausência dele,

–Deformadores, pelas mudanças de forma por que passam os corpos sujeitos a forças.

A estática assume que os objetos são rígidos e indeformáveis, portanto não estuda os efeitos de deformação, mas sim os dinâmicos.

Como as dimensões do objeto em estudo são mensuráveis, as forças podem ser aplicadas a diferentes lugares e é possível que, embora não o transfiram, possam fazê-lo girar. Nesse caso, o objeto não estaria mais em equilíbrio estático.

Formulários

As aplicações da Estática encontram-se em todo o lado, por isso é o ramo da Mecânica que mais utiliza, embora muitas vezes não o percebamos:

No lar

Os princípios da estática podem ser aplicados a móveis, armários, eletrodomésticos, lâmpadas, livros e a qualquer objeto em repouso dentro de uma casa. Garantimos continuamente que as coisas não caiam, tombem ou mudem de lugar acidentalmente.

Em construções civis

Da mesma forma, os construtores dos edifícios que habitamos cuidam para que não desabem ou sofram movimentos que ponham em perigo a vida dos habitantes.

Esses princípios também se aplicam à construção de estradas e pontes.

No projeto da máquina

A estática também é aplicada no projeto e construção de peças para máquinas.

Algumas partes são obviamente móveis, mas outras não. É por isso que os engenheiros garantem que as máquinas construídas não entrem em colapso, explodam ou se desintegrem de qualquer forma.

Principais leis da estática

O fundamento da Estática é o estudo das forças e ações que elas exercem por meio das três leis da Mecânica de Newton:

Primeira lei de newton

Um corpo permanece em repouso, ou em movimento retilíneo uniforme, a menos que uma força desequilibrada o faça mudar seu estado de movimento.

Segunda lei de newton

A soma das forças que atuam em um corpo, chamada de força resultante F_R, é igual ao produto da massam (um escalar) vezes a aceleração para (um vetor).

Para a estática, a segunda lei de Newton assume a forma:

F_R = 0

Já o repouso ou o movimento retilíneo uniforme se traduzem em aceleração zero.

Terceira lei de newton

Se o corpo 1 exerce uma força no corpo 2, chamada F₁₂, o corpo 2, por sua vez, exerce uma força no corpo 1, denotado como F₂₁, de tal maneira que F₁₂Y F₂₁têm a mesma intensidade e direção oposta:

F₁₂= – F₂₁

O torque ou momento de uma força

Dissemos anteriormente que é possível que forças, embora não causem movimento de translação ao corpo, possam, dependendo da maneira como são aplicadas, fazer com que ele gire.

Bem, a magnitude física que determina se um corpo gira ou não é chamada torque ou momento de uma força, denotado comoM.

O torque ou momento de uma força F depende da intensidade disso, o vetor rque vai do ponto de aplicação do mesmo ao eixo de rotação, e finalmente, o ângulo de aplicação. Tudo isso por meio do produto vetorial ou produto vetorial entre r Y F:

M = r x F (Unidades SI: N.m)

Um objeto pode girar em torno de diferentes eixos, portanto, o momento é sempre calculado em torno de um determinado eixo. E para que o corpo permaneça estático, é necessário que todos os momentos sejam zero.

Condições de equilíbrio

São as condições necessárias para que um sólido rígido esteja em equilíbrio estático, por isso são conhecidos como condições de equilíbrio:

Primeira condição de equilíbrio

A soma das forças que atuam no corpo deve se anular. Na forma matemática:

∑ F_Eu = 0

Quanto às forças que atuam sobre um corpo, elas se dividem em internas e externas.

Forças internas são responsáveis por manter o corpo coeso. Por exemplo, um carro é composto por várias peças, que, quando bem articuladas, fazem com que a máquina se mova como um todo, graças às forças internas entre as juntas das peças.

Por sua vez, as forças externas são aquelas exercidas por outros corpos sobre o objeto em estudo.

No exemplo do automóvel, as forças podem ser o peso, exercido pela Terra, o suporte proporcionado pela superfície, aplicado nas rodas e o atrito entre os pneus e o pavimento.

Além disso, a Estática considera uma série de apoios, reações e amarras, dependendo dos elementos considerados e das possibilidades de movimento existentes.

Segunda condição de equilíbrio

A soma dos momentos em torno de um eixo arbitrário também deve ser anulada, o que expressamos da seguinte forma:

∑ M_Eu = 0

Quando as condições de equilíbrio são aplicadas a um corpo no plano, as forças devem ser decompostas nas duas componentes cartesianas x e y. Isso produz duas equações, uma para cada componente.

A segunda condição de equilíbrio nos permite, através dos momentos, adicionar uma terceira equação.

Por outro lado, para objetos tridimensionais, o número de equações sobe para 6.

Deve-se notar que o cumprimento das condições de equilíbrio é necessário para garantir o equilíbrio estático de um corpo.

Mas não é suficiente, uma vez que há casos em que essas condições são satisfeitas, mas não podemos garantir que o objeto está em equilíbrio. É o que acontece quando há movimento relativo entre as partes do objeto, ou seja, o sólido está parcialmente ligado.

Referências

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Sevilla University. Estática do corpo rígido. Recuperado de: personal.us.es.