Primeira lei de Newton: fórmulas, experimentos e exercícios

A primeira lei de Newton , também conhecida como a lei da inércia, foi primeiramente proposto por Isaac Newton, físico, matemático, filósofo, teólogo, Inglês inventor e alquimista. Eta ley declara o seguinte: ” Se um objeto não estiver sujeito a nenhuma força, ou se as forças que atuam sobre ele se anulam, ele continuará a se mover com velocidade constante em linha reta”.

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

Primeira lei de Newton: fórmulas, experimentos e exercícios 1

Explicação da primeira lei de Newton. Fonte: elaboração própria.

Isso significa que, se o objeto estiver em repouso, ele continuará em repouso, exceto se uma força o retirar desse estado.Isso também significa que, se um objeto estiver se movendo com uma velocidade fixa em uma direção reta, ele continuará se movendo dessa maneira. Ele só muda quando um agente externo exerce uma força sobre ele e muda 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.

Ele não é conhecido com certeza a data exata em que Sir Isaac Newton descobriu as três leis do din Amica, incluindo a primeira lei. Mas sabe-se que demorou muito para a publicação do famoso livro ” Princípios Matemáticos da Filosofia Natural “, em 5 de julho de 1687.

O dicionário da Real Academia Espanhola define a palavra inércia assim:

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

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

A visão pré-newtoniana

Antes de Newton, as idéias predominantes eram as do grande filósofo grego Aristóteles, que afirmava que, para um objeto permanecer em movimento, é necessário que uma força aja sobre ele. Quando a força cessa, o movimento também o fará. Não é assim, mas até hoje muitos pensam assim.

Galileu 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 a de que um corpo que desliza sobre uma superfície lisa e polida com algum momento inicial leva mais tempo para parar e tem mais viagens em linha reta, desde que o atrito entre o corpo e a superfície seja menor.

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

A seguir, propomos algumas experiências simples, que o leitor pode realizar e corroborar os resultados. As observações também serão analisadas de acordo com a visão aristotélica do movimento e a visão newtoniana.

Experiências sobre inércia

Experiência 1

Uma caixa é empurrada no chão e a força motriz é suspensa. Observamos que a caixa percorre um pequeno caminho até parar.

Vamos interpretar o experimento anterior e seu resultado , dentro da estrutura das teorias anteriores a Newton e depois de acordo com a primeira lei.

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

Na visão newtoniana, a caixa no piso / piso não pode continuar se movendo com a velocidade que tinha no momento em que a força foi suspensa, porque entre o piso e a caixa há uma força desequilibrada, que faz com que a velocidade diminua até a caixa para. É a força de atrito.

Neste experimento, as premissas da primeira lei de Newton não são cumpridas, e é por isso que a caixa parou.

Experiência 2

Novamente, é a caixa no chão / chão. Desta vez, a força é mantida na caixa, para compensar ou equilibrar a força de atrito. Isso acontece quando conseguimos que a caixa continue com velocidade constante e em uma direção reta.

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

Nem contradiz a abordagem de Newton, porque todas as forças que atuam na caixa são equilibradas. Vamos ver:

  • Na direção horizontal, a força exercida na caixa é igual e na direção oposta à força de atrito entre a caixa e o piso.
  • Portanto, a força resultante na direção horizontal é zero, por isso a caixa mantém sua velocidade e direção.

Também no equilíbrio das forças de direção vertical, porque o peso da caixa é uma força apontando verticalmente mente para baixo é exatamente compensada pela força de contato (ou normal) para o chão exerce sobre a caixa verticalmente para cima.

A propósito, o peso da caixa é devido à atração gravitacional da Terra.

Experiência 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 que a caixa subisse.Mas na direção horizontal, há força de atrito.

Agora, para que a primeira premissa da lei de Newton seja cumprida, precisamos reduzir o atrito à sua expressão mínima. Podemos alcançar muito aproximados se buscarmos a superfície muito lis on para o que nós spray de óleo de silicone.

Como o óleo de silicone reduz o atrito quase a zero, quando esta caixa é lançada horizontalmente, mantém sua velocidade e direção por um longo período.

É o mesmo fenômeno que acontece com um skatista em uma pista de gelo ou com o disco de hóquei no gelo quando eles são dirigidos e soltos por conta própria.

Nas situações descritas, nas quais o atrito é reduzido a quase zero, a força resultante é praticamente zero e o objeto mantém sua velocidade, de acordo com a primeira lei de Newton.

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

Primeira lei de Newton: fórmulas, experimentos e exercícios 2

A superfície gelada pode ser considerada com muito pouco atrito. Fonte: Pixabay

A primeira explicação da 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 é então 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 do 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 armazenado no Escritório Internacional de Pesos e Medidas em Sèvres, na França, embora em 2018 tenha sido vinculado à constante de Planck e a nova definição entre em vigor no 20 de maio de 2019.

Bem, acontece que inércia e 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 outro menos massivo.

Exemplo

Por exemplo, é preciso muito mais força e muito mais trabalho para descansar uma caixa de uma tonelada (1000 kg) do que outra de 1 kg (1 kg). É por isso que se diz que o primeiro tem mais inércia que o segundo.

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

p = m v

Os negritos em p e v indicam que são quantidades físicas de vetores, ou seja, são grandezas com magnitude, direção e significado.

Por outro lado, a massa m é uma quantidade escalar, à qual um número que pode ser maior ou igual a zero é atribuído, 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 partícula que é tão isolada, tão longe de outro objeto no universo que nada pode exercer nenhuma interação ou força sobre ele.

Mais tarde, Newton definiu os sistemas de referência inercial, que serão aqueles nos quais suas três leis do movimento serão aplicadas. Aqui estão as definições de acordo com estes conceitos:

Sistema de referência inercial

Todo sistema de coordenadas vinculado a uma partícula livre ou que se move a uma velocidade constante em relação à partícula livre será um sistema de referência inercial.

Primeira lei de Newton (lei da inércia)

Se uma partícula é livre, ela tem uma quantidade constante de movimento em relação a um sistema de referência inercial.

Primeira lei de Newton: fórmulas, experimentos e exercícios 3

Primeira lei de Newton e a quantidade de movimento. Fonte: elaboração própria.

Exercícios resolvidos

Exercício 1

Um disco de hóquei é de 160 gramas vai na pista de gelo a 3 Km / h. Encontre a sua quantidade de movimento.

Solução

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

A velocidade em metros durante um segundo: v = (3 / 3,6) m / s = 0,8333 m / s

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

Exercício 2

O atrito no disco anterior é considerado nulo, de modo que o momento é preservado desde que nada altere o curso reto do disco. No entanto, sabe-se que duas forças atuam no 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 momento é preservado, a força resultante no disco de hóquei deve ser zero. O peso aponta verticalmente para baixo e vale a pena: P = m * g = 0,16 kg * 9,81 m / s²

A força normal deve necessariamente neutralizar o peso, de modo que deve apontar verticalmente para cima e sua magnitude será de 1,57 N.

Artigos de interesse

Exemplos da lei de Newton na vida real .

Referências

  1. Alonso M., Finn E. Física volume I: Mecânica. 1970. Fondo Educativo Interamericano SA
  2. Hewitt, P. Ciência Física Conceitual . Quinta edição . Pearson 67-74.
  3. Jovem, Hugh. Física Universitária com Física Moderna. 14th Ed. Pearson. 105-107.

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