Primeira lei de Newton: fórmulas, experimentos e exercícios - Ciência - 2023

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o Primeira lei de newton, também conhecido como lei da inércia, Foi proposto pela primeira vez por Isaac Newton, um físico, matemático, filósofo, teólogo, inventor e alquimista inglês. Esta lei estabelece o seguinte: “Se um objeto não está sujeito a nenhuma força, ou se as forças que atuam sobre ele se cancelam, ele continuará a se mover com velocidade constante em linha reta. "

Nesta declaração, a palavra-chave é continua. Se as premissas da lei forem cumpridas, o objeto continuará com seu movimento como antes. A menos que uma força desequilibrada apareça e mude o estado de movimento.

Isso significa que se o objeto estiver em repouso, ele continuará a descansar, exceto se uma força o tirar desse estado. Isso também significa que se um objeto estiver se movendo com uma velocidade fixa em uma direção reta, ele continuará a se mover dessa maneira. Ele só mudará quando algum agente externo exercer uma força sobre ele e mudar sua velocidade.

Antecedentes da lei

Isaac Newton nasceu em Woolsthorpe Manor (Reino Unido) em 4 de janeiro de 1643 e morreu em Londres em 1727.

A data exata em que Sir Isaac Newton descobriu suas três leis da dinâmica, incluindo a primeira lei, não é conhecida com certeza. Mas sabe-se que foi muito antes da publicação do famoso livro Princípios matemáticos da filosofia natural, 5 de julho de 1687.

O dicionário da Real Academia Espanhola define a palavra inércia da seguinte forma:

“Propriedade dos corpos de manter seu estado de repouso ou movimento, se não pela ação de uma força”.

Este termo também é usado para afirmar que qualquer situação permanece inalterada porque nenhum esforço foi feito para alcançá-la, portanto, às vezes, a palavra inércia tem uma conotação de rotina ou preguiça.

A visão pré-newtoniana

Antes de Newton, as ideias predominantes eram as do grande filósofo grego Aristóteles, que afirmava que, para que um objeto continue se movendo, uma força deve agir sobre ele. Quando a força cessa, o movimento também cessa. Não é assim, mas ainda hoje muitos pensam assim.

Galileo Galilei, um brilhante astrônomo e físico italiano que viveu entre 1564 e 1642, experimentou e analisou o movimento dos corpos.

Uma das observações de Galileu foi que um corpo que desliza sobre uma superfície lisa e polida com um certo impulso inicial, demora mais para parar e tem um percurso mais longo em linha reta, pois o atrito entre o corpo e a superfície é menor.

É evidente que Galileu lidou com a ideia de inércia, mas não chegou a formular uma afirmação tão precisa quanto Newton.

A seguir, propomos alguns experimentos simples, que o leitor pode realizar e corroborar os resultados. As observações também serão analisadas segundo a visão aristotélica do movimento e a visão newtoniana.

Experimentos de inércia

Experimento 1

Uma caixa é lançada ao chão e a força motriz é suspensa. Observamos que a caixa percorre um caminho curto até parar.

Vamos interpretar o experimento anterior e seu resultado, no quadro das teorias anteriores a Newton e depois de acordo com a primeira lei.

Na visão aristotélica a explicação era muito clara: a caixa parava porque a força que a movia estava suspensa.

Na visão newtoniana, a caixa no solo / solo não pode continuar se movendo com a velocidade que tinha no momento em que a força foi suspensa, pois entre o solo e a caixa existe uma força desequilibrada, o que faz com que a velocidade diminua até o a caixa pára. Esta é a força de atrito.

Neste experimento, as premissas da primeira lei de Newton não foram cumpridas, então a caixa parou.

Experimento 2

Novamente é a caixa no chão / chão. Nesta oportunidade a força na caixa é mantida, de forma que ela compense ou equilibre a força de atrito. Isso acontece quando fazemos com que a caixa siga com velocidade constante e em uma direção reta.

Este experimento não contradiz a visão aristotélica do movimento: a caixa se move com velocidade constante porque uma força é exercida sobre ela.

Também não contradiz a abordagem de Newton, porque todas as forças que atuam na caixa estão equilibradas. Vamos ver:

No sentido horizontal, a força exercida na caixa é igual e no sentido oposto à força de atrito entre a caixa e o chão.
Portanto, a força resultante na direção horizontal é zero, por isso a caixa mantém sua velocidade e direção.

Também na direção vertical as forças são equilibradas, pois o peso da caixa, que é uma força apontando verticalmente para baixo, é compensado exatamente pela força de contato (ou normal) que o solo exerce sobre a caixa verticalmente para cima.

A propósito, o peso da caixa se deve à atração gravitacional da Terra.

Experimento 3

Continuamos com a caixa apoiada no chão. Na direção vertical as forças são equilibradas, ou seja, a força vertical líquida é zero. Certamente seria muito surpreendente se a caixa se movesse para cima. Mas na direção horizontal existe força de atrito.

Agora, para que a premissa da primeira lei de Newton seja cumprida, precisamos reduzir o atrito à sua expressão mínima. Isso pode ser alcançado de forma bastante aproximada se procurarmos uma superfície muito lisa para a qual borrifamos óleo de silicone.

Já que o óleo de silicone reduz o atrito a quase zero, quando esta caixa é jogada horizontalmente, ela manterá sua velocidade e direção por um longo tempo.

É o mesmo fenômeno que ocorre com um patinador em uma pista de gelo, ou com o disco de hóquei no gelo, quando são impulsionados e soltos por conta própria.

Nas situações descritas, em que o atrito é reduzido a quase zero, a força resultante é praticamente zero e o objeto mantém sua velocidade, conforme a primeira lei de Newton.

Na visão aristotélica, isso não poderia acontecer, porque de acordo com essa teoria ingênua, o movimento só ocorre quando há uma força resultante no objeto em movimento.

Explicação da Primeira Lei de Newton

Inércia e massa

Massa é uma quantidade física que indica a quantidade de matéria que um corpo ou objeto contém.

A massa então é uma propriedade intrínseca da matéria. Mas a matéria é composta de átomos, que têm massa. A massa do átomo está concentrada no núcleo. São os prótons e nêutrons no núcleo que praticamente definem a massa do átomo e da matéria.

A massa é geralmente medida em quilogramas (kg), é a unidade básica do Sistema Internacional de Unidades (SI).

O protótipo ou referência de kg é um cilindro de platina e irídio que é mantido no Escritório Internacional de Pesos e Medidas de Sèvres na França, embora em 2018 estivesse vinculado à constante de Planck e a nova definição entra em vigor a partir de 20 de maio de 2019.

Bem, acontece que a inércia e a massa estão relacionadas. Quanto maior a massa, maior a inércia de um objeto. É muito mais difícil ou caro em termos de energia alterar o estado de movimento de um objeto mais massivo do que menos massivo.

Exemplo

Por exemplo, é preciso muito mais força e muito mais trabalho para levantar uma caixa de uma tonelada (1000 kg) do repouso do que uma caixa de um quilograma (1 kg). É por isso que se costuma dizer que o primeiro tem mais inércia do que o segundo.

Devido à relação entre inércia e massa, Newton percebeu que a velocidade por si só não é representativa do estado de movimento. É por isso que ele definiu uma quantidade conhecida como quantidade de movimento ou impulso que é denotado pela letra p y é o produto da massa m para velocidade v:

p = m v

O negrito no p E no v indicam que são grandezas físicas vetoriais, ou seja, são grandezas com magnitude, direção e sentido.

Em vez da missa m é uma quantidade escalar, à qual é atribuído um número que pode ser maior ou igual a zero, mas nunca negativo. Até agora, nenhum objeto de massa negativa foi encontrado no universo conhecido.

Newton levou sua imaginação e abstração ao extremo, definindo a chamada partícula livre. Uma partícula é um ponto material. Ou seja, é como um ponto matemático mas com massa:

Uma partícula livre é aquela que está tão isolada, tão distante de outro objeto no universo que nada pode exercer qualquer interação ou força sobre ela.

Mais tarde, Newton passou a definir os sistemas de referência inerciais, que serão aqueles aos quais suas três leis do movimento se aplicam. Aqui estão as definições de acordo com esses conceitos:

Sistema de referência inercial

Qualquer sistema de coordenadas ligado a uma partícula livre, ou que se mova em velocidade constante em relação à partícula livre, será um sistema de referência inercial.

Primeira lei de Newton (lei da inércia)

Se uma partícula está livre, então ela tem um momento constante em relação a um referencial inercial.

Exercícios resolvidos

Exercício 1

Um disco de hóquei de 160 gramas vai para a pista de gelo a 3 km / h. Encontre seu impulso.

Solução

A massa do disco em quilogramas é: m = 0,160 kg.

Velocidade em metros por segundo: v = (3 / 3,6) m / s = 0,8333 m / s

A quantidade de movimento ou momento p é calculado da seguinte forma: p = m * v = 0,1333 kg * m / s,

Exercício 2

A fricção no disco anterior é considerada nula, então o momento é preservado, desde que nada altere o curso reto do disco. Porém, sabe-se que duas forças atuam sobre o disco: o peso do disco e o contato ou força normal que o piso exerce sobre ele.

Calcule o valor da força normal em newtons e sua direção.

Solução

Como o momentum é conservado, a força resultante no disco de hóquei deve ser zero. O peso aponta verticalmente para baixo e é igual a: P = m * g = 0,16 kg * 9,81 m / s²

A força normal deve necessariamente contrariar o peso, por isso deve apontar verticalmente para cima e sua magnitude será 1,57 N.

Artigos de interesse

Exemplos da lei de Newton na vida real.

Referências

Alonso M., Finn E. Physics volume I: Mechanics. 1970. Fondo Educativo Interamericano S.A.
Hewitt, P. Ciência Física Conceitual. Quinta edição. Pearson. 67-74.
Jovem, Hugh. Física Universitária com Física Moderna. 14ª Ed. Pearson. 105-107.