Dinâmica: Primeira e terceira leis de Newton

QUEM TOMA LEVA. Quando um jogador chuta a bola, a bola exerce sobre a perna dele uma força de mesma intensidade e sentido contrário.

Força, inércia, ação e reação

A cinemática, você viu no capítulo 2, preocupa-se apenas em descrever os movimentos dos corpos, sem se prender a suas causas e consequências. Já a dinâmica, de que trata este capítulo, é o campo da física que estuda as causas dos movimentos.

O que coloca um corpo em movimento? O que é preciso para manter um corpo se movendo? O que provoca as variações de direção, sentido e intensidade num movimento? Essas são algumas das questões explicadas pela dinâmica.

A dinâmica deve muito a um dos maiores gênios da ciência, o físico e matemático inglês Isaac Newton. No fim do século XVII, Newton publicou um dos maiores livros científicos de todos os tempos – o Princípios Matemáticos da Filosofa Natural. Nele, Newton formulou três princípios essenciais para a compreensão dos movimentos. Esses princípios foram chamados de primeira, segunda e terceira leis de Newton. São ideias simples, diretas e precisas, que explicam o movimento dos mais diversos corpos. Graças a essas leis, os engenheiros constroem estradas com curvas mais seguras, em que os veículos têm menos probabilidade de derrapar, os astrônomos sabem prever a órbita de um planeta ao redor do Sol ou qualquer corpo que gire em torno de uma estrela distante.

Desde a Antiguidade, grandes pensadores formularam hipóteses para explicar as causas dos movimentos. Aristóteles acreditava que o movimento de um corpo se mantém apenas se houver uma força atuando sobre ele, de maneira contínua. Pouco antes de Newton, no século XVI, o italiano Galileu Galilei já havia desmentido essa ideia. Galileu percebeu que, mesmo que a força que tenha colocado o corpo em movimento seja interrompida, o corpo pode continuar a se mover indefinidamente. Descobriu, também, que esse movimento tem velocidade constante e segue uma linha reta, ou seja, o movimento é retilíneo uniforme. Um corpo lançado com determinada velocidade inicial, em uma pista perfeitamente lisa, isto é, sem atrito, continuaria indefinidamente em MRU.

Isaac Newton (1642-1727)

Matemático, físico, filósofo natural, alquimista e teólogo inglês. Na matemática, criou o cálculo diferencial e integral. Na óptica, estudou a decomposição da luz branca em outras cores e aplicou os princípios dos espelhos para aperfeiçoar os telescópios. Mas foram suas leis sobre forças e movimentos que mais revolucionaram seu tempo.

Massa e Inércia

Massa é a medida da inércia de um corpo. Quanto maior a massa, maior a inércia. Por isso, é mais fácil alterar o movimento de um corpo de menor massa (menor inércia) que o estado de um de maior massa (maior inércia).

O que é força?

Na física, a força é uma grandeza vetorial: um corpo está sob ação de uma força quando seu vetor velocidade se altera em módulo (sua intensidade expressa em número) e/ou quando há qualquer mudança em sua direção ou seu  sentido. Um automóvel em velocidade constante que faz uma curva altera a direção do movimento graças à ação de uma força. Força resultante é o vetor dado pela soma dos vetores de todas as forças que atuam sobre um corpo.
O símbolo de força é  e sua unidade no S.I. é newton (N). Outra unidade usada para força é o quilograma-força (kgf): 1 kgf = 9,8 N.

Primeira Lei

Newton baseou-se nas conclusões de Galileu para afirmar que os corpos podem estar, na natureza, em dois estados: em repouso ou em MRU. Na ausência de forças, ou no caso em que a força resultante é nula, a tendência é que o corpo se mantenha em seu estado natural.

Corpos em estado natural são aqueles que estão em equilíbrio. Esse equilíbrio pode ser estático (o corpo está em repouso) ou dinâmico (o corpo está em MRU). E só é alterado pela intervenção de uma força qualquer. Foi assim que Newton formulou sua primeira lei, também chamada princípio da inércia:

“Todo corpo persiste em seu estado de repouso, ou de movimento retilíneo uniforme, a menos que seja obrigado a mudar de estado pela ação de forças aplicadas sobre ele”.

A primeira lei de Newton explica por que, quando um ônibus freia bruscamente, os passageiros são projetados para a frente. Na frenagem, a velocidade do ônibus diminui graças à força dos freios sobre as rodas. Mas os passageiros não são desacelerados. E, por inércia, tendem a se manter em MRU.

Terceira Lei

Veja a cena: bola parada (em repouso) na marca do pênalti. Rogério Ceni, o goleiro-artilheiro do São Paulo, aproxima-se para fazer a cobrança. É claro que Ceni não está pensando nisso a cada vez que cobra um pênalti ou uma falta. Mas, assim que ele chuta a bola, surge um par de forças. Uma delas vem do pé do jogador e atua sobre a bola – é uma força de ação. Ao mesmo tempo, a bola exerce outra força de igual intensidade sobre o pé do jogador. É a força de reação. Veja:

Sempre que alguém caminha ou corre, é impulsionado para a frente graças à força que os pés aplicam no solo, “empurrando-o” para trás. Foguetes sobem graças à força exercida pelos gases que eles expelem para trás.

A ideia das forças de ação e de reação é a terceira lei de Newton. Também chamada de princípio da ação e reação, a lei diz:

“Toda ação ( força) exercida sobre um corpo como resultado da interação com outro corpo provoca neste uma força, chamada reação, de mesma intensidade e de mesma direção, mas de sentido oposto”.

Isso significa que a interação entre dois corpos quaisquer gera um par de forças de mesmo módulo, de mesma direção, mas de sentidos opostos. A força gerada por um corpo sempre atua sobre outro. Forças de ação e de reação nunca atuam no mesmo corpo. Então, uma força desse par jamais pode anular a outra.