Textos

Rapidez

Antes da época de Galileu, as pessoas descreviam os objetos em movimento simplesmente como "lento" ou "rápido". Tratava-se de descrições vagas. Cabe a Ga­lileu o credito por ter sido o primeiro a medir velocidades levando em conta a distân­cia percorrida e o tempo decorrido. Ele definiu rapidez como a distancia percorrida por unidade de tempo. Curiosamente, Galileu podia medir a distância facilmente, mas, naquela época, medir curtos intervalos de tempo era algo muito difícil. Algu­mas vezes ele usou sua própria pulsação, e outras vezes, o pingar de gotas de um relógio d'agua (ou clepsidra) que ele mesmo construíra.

RAPIDEZ = DISTÂNCIA PERCORRIDA/TEMPO

Um ciclista que percorre 16 metros em um tempo de 2 segundos, por exemplo. tem uma rapidez de 8 metros por segundo.

Qualquer combinação de unidades de distância e de tempo é válida para medir rapidez: para veículos motorizados (ou distancias grandes), as unidades de quilômetros por hora (km/h) ou milhas por hora (mi/h ou mph) são usadas frequentemente. Para distancias mais curtas, metros por segundo (m/s) são unidades geralmente mais adequadas. O símbolo da barra (/) e lido como por e significa "dividido por".

Rapidez Instantânea

Objetos cm movimento frequentemente sofrem variações em sua rapidez. Um carro pode se deslocar numa rua a 50 km/h, diminuir para 0 km/h num sinal vermelho, e aumentar sua rapidez Para 30 km/h apenas, devido ao tráfego. Você pode verificar a rapidez do carro em cada instante olhando o velocímetro. A rapidez em cada instante é a rapidez instantânea. Um carro viajando a 50 km/h geralmente se mantém com esta rapidez por menos de 1 hora. Se ele se mantivesse com essa rapidez por uma hora inteira, cobriria 50 km. Se continuasse com a mesma rapidez por meia hora, cobriria a metade daquela distancia: 25 km. Se continuasse por apenas 1 minuto, cobriria menos de 1 km.

Força

Podemos abordar força em seu sentido mais simples como um empurrão ou um puxão. Entretanto, ne­nhum empurrão ou puxão jamais ocorre sozinho. Cada força é parte de uma interaçãoentre alguma coisa e outra. Se você empurra uma parede com seus dedos, mais coisas estão ocorrendo além de seu empurrão. Você interage com a parede, que também o empurra de volta. Isso se revela pela curvatura de seus dedos, como ilustrado na Figura abaixo. Existe um par de forças envolvidas: seu empurrão sobre a parede e o da parede sobre você, em sentido contrário. Es­tas forças possuem módulos iguais (são de mesma intensi­dade) e orientações opostas, e ambas constituem uma única interação. De fato, você não pode empurrar a parede, a menos que ela o empurre de volta.

Considere o punho de um boxeador atingindo um saco de treinamento de grande massa. O punho golpeia o saco (e produz uma cavidade nele), enquanto o saco golpeia o punho de volta (e interrompe seu movimento). Ao atingir o saco, há uma interação com o saco que envolve um par de forças. O par de forças pode ser muito grande. Mas, e quanto ao golpe contra um lenço de papel? O punho do boxeador pode apenas exercer tanta força sobre o lenço de papel quanto este é capaz de exercer sobre o punho. Além disso, o punho não pode exercer qualquer força, a menos que esteja sendo atingido por uma quantidade igual de força oposta. Uma interação requer um par de forças atuantes sobre dois objetos separados.

O boxeador pode golpear um saco que tem muita massa com uma força considerável. Mas com o mesmo golpe, ele pode exercer apenas uma minúscula força sobre um lenço de papel no ar como na figura acima.

Outros exemplos: você puxa um carrinho e ele acelera. Mas ao fazer isso, o carri­nho o puxa no sentido oposto, como fica evidenciado talvez pelo aperto do barbante enrolado em volta de sua mão. Um martelo bate numa estaca e a crava no chão. Ao fazê-lo, a estaca exerce uma quantidade igual de força sobre o martelo, o que faz com que o martelo pare subitamente. Uma coisa interage com outra; você com o carri­nho, ou o martelo com a estaca.

Quem exerce a força c quem sofre a ação da força? A resposta de Isaac Newton para isso foi que nenhuma força pode ser identificada como "ação" ou "reação; ele concluiu que ambos os objetos devem ser tratados igualmente. Por exemplo, quando você puxa o carrinho, este simultaneamente puxa você. Esse par de forças, seu puxão sobre o carrinho e o puxão do carrinho sobre você, constituem uma única interação entre você e ele. Na interação entre o martelo e a estaca, o martelo exerce uma força sobre a estaca, mas ele mesmo sofre uma parada nesse processo. Tais observações conduziram Newton a sua terceira lei do movimento.

Logo, a terceira lei de Newton estabelece: sempre que um objeto exerce uma força sobre outro objeto, este exerce uma força igual e oposta sobre o primeiro. Não importa qual das forças chamamos de ação, igual de reação. O fato importante é que elas são partes conjugadas de uma única interação, e que nenhuma das duas existe sem a outra.

Trabalho

Vimos que as mudanças no movimento de um objeto depende tanto da força como de quão longa é a sua atuação. "Quão longa" aqui significa tempo. Chamamos a grandeza "força x tempo" de impulso. Mas "quão longo" não precisa sempre significar tempo. Pode ser distância também. Quando consideramos o conceito força x distância, estamos falando de um conceito inteiramente diferente - o trabalho. Trabalho é o esforço exercido sobre algo que fará a sua energia variar.

Quando erguermos uma carga contra gravidade da Terra, estamos realizando trabalho. Quanto mais pesada fora cargo mais alta ela for erguida, maior é o trabalho realizado. Dois ingredientes entrou em cena sempre que é realizado trabalho: (1) aplicação de uma força e (2) o movimento de alguma coisa pela força aplicada. No caso mais simples, em que a força é constante e o movimento é retilíneo e na mesma direção e sentido da força, definimos o trabalho que a força aplicada realiza sobre objeto como produto do valor da força pela distância ao longo da qual objeto foi movimentado. Em forma sintética,

TRABALHO = FORÇA x DESLOCAMENTO ou W = F*D

Vemos que a definição de trabalho envolve tanta força como distância. Um halterofilista que sustenta um altere pesando 1000 N acima de sua cabeça não está realizando um trabalho algum sobre o haltere. Fazendo isso, ele pode realmente ficar muito cansado, mas se o haltere não se mover pela força que o halterofilista exerce, este não estará realizando um trabalho algum sobre o haltere. O trabalho está sendo feito sobre os músculos, esticando-os e contraindo-os, o que é força vezes distância numa escala biológica, mas esse trabalho não é realizado sobre o haltere. Erguer o haltere, no entanto, é uma outra história. O halterofilista está realizando um trabalho sobre o alterem quanto é a partir do solo.

O trabalho geralmente se divide em duas categorias. Uma delas é o trabalho realizado contra outra força. Quando um arqueiro estica corda de seu arco, ele realiza trabalho contra as forças elásticas do arco. Analogamente, quando o aríete de um bate-estaca é erguido, é necessário realizar um trabalho para elevado contra a força da gravidade. Quando você faz apoios, realiza trabalho contra seu próprio peso. Realizando seu trabalho sobre um corpo quando ele é forçado a mover-se sob a influência de uma força oposta, frequentemente o atrito.

Outro tipo de trabalho é aquele realizado para alterar a velocidade de um objeto. Esse tipo de trabalho é feito ao acelerar ou desacelerar um carro. Outro exemplo ocorre quando um golfista taca uma bola estacionária e fazer ela se mover. Em ambas as categorias (trabalho contra uma força ou para alterar a velocidade), o trabalho envolve transferência de energia.

A unidade de medida para trabalho combina uma unidade de força (N) com uma unidade de distância (m); a unidade de trabalho, então, é o newton-metro (N.m), também chamada de joule (J). Um joule de trabalho é realizado quando uma força de 1 newton é exercida ao longo de uma distância de 1 metro, como ao erguer uma maçã sobre sua cabeça. Para valores maiores, falamos em quilojoules (kJ, milhares de joules) ou megajoules (MJ, milhões de joules).

Energia

Mais importante do que ser capaz de enunciar o que é a energia é compreender como ela se comporta - Como ela se transforma. Podemos entender melhor os processos e transformações que ocorrem na natureza se os analisamos em termos de transformações de energia de uma forma para outra ou de transferências de um lugar para outro. A energia é a maneira que a natureza dispõe para prosseguir o jogo.

Considere as mudanças que ocorrem na energia durante a operação do bate-estacas da Figura abaixo. O trabalho realizado para elevar o martelo do bate-estacas, fornecendo-lhe energia potencial, transforma-se em energia cinética quando o martelo é solto. Esta energia é transferida para a estaca logo abaixo. A distância que esta penetra no chão, multiplicada pela força média do impacto, é quase igual a energia potencial inicial do martelo. Dizemos quase, porque alguma energia vai para o aque­cimento do solo e da estaca durante o estaqueamento. Levando em conta a energia térmica, constatamos que a energia transforma-se sem que haja ganho ou perda líquida da mesma. Absolutamente notável!

O estudo das diversas formas de energia e suas transformações de uma forma em outra levaram a uma das maiores generalizações da física - a lei de conservação da energia:

A energia não pode ser criada ou destruída; pode apenas ser transforma­da de uma forma para outra, com sua quantidade total permanecendo constante.

Quando consideramos um sistema qualquer em sua totalidade, seja ele tão sim­ples como um pêndulo balançando ou tão complexo quanto uma supernova explodindo, há uma quantidade que não é criada ou destruída: a energia. Ela pode mudar de forma ou simplesmente ser transferida de um lugar para outro, mas, como os cientistas aprenderam, a quantidade total de energia permanece inalterada. Essa quantidade de energia leva em conta o fato de que os átomos que formam a matéria são eles mesmos cápsulas concentradas de energia. Quando os núcleos (os caroços) dos átomos se redistribuem, quantidades enormes de energia são liberadas. O Sol brilha porque parte de sua energia nuclear e transformada em energia radiante.

A enorme compressão provocada pela gravidade e temperaturas extremamente altas no interior profundo do Sol fundem núcleos de átomos de hidrogênio para formar núcleos de hélio. Isso é a fusão termonuclear, um processo que libera energia radiante, pequena parte do que atinge a Terra. Parte dessa energia que alcança a Terra incide sobre as plantas, (e outros organismos capazes de realizar a fotossíntese), e parte e estocada na forma de carvão mineral. Outra parte sustenta a vida na cadeia alimentar que começa com as plantas (e outros fotos sintetizadores), e parte dessa energia é mais tarde armazenada na forma de petróleo. Parte da energia originada pelo Sol serve para evaporar a água nos oceanos, e parte desta retorna a Terra na forma de chuva, que pode ser acumulada numa represa. Em virtude de sua posição elevada, a água por trás da represa tem energia que pode ser usada para alimentar uma usina elétrica logo abaixo, onde é transformada em energia elétrica. A energia viaja pelos cabos elétricos ate as casas, onde é utilizada para iluminar, aquecer, cozinhar e fazer funcionar aparelhos elétricos. É formidável como a energia se transforma de uma forma para outra!

Fricção

A palavra atrito é proveniente etimologicamente do termo em latim atrictio, além disso, deriva do termo fricção, atrito. Este verbo refere-se a esfregar, encostar em algo. É conhecida como força de atrito que faz oposição ao movimento de uma superfície sobre a outra, ou em frente ao início de um movimento.

O atrito, como força é causada por imperfeições entre os objetos que estão em contato, que pode ser sensível, e gerar ângulo de atrito. É possível fazer a distinção entre o atrito estático, que é uma resistência que tem de ser superada para mobilizar uma coisa sobre a outra com o qual se tem contato, e o atrito dinâmico, o qual é a magnitude constante que gera oposição ao deslocamento quando já se iniciou. Em suma, o primeiro tipo ocorre quando os corpos estão em repouso relativo, enquanto a segunda, uma vez que estão em movimento aí sim ocorrem. Um exemplo de atrito estático ocorre quando o motor é parado por um longo período. Além disso, o atrito dinâmico pode ser visto a partir da ação das rodas dos veículos durante a travagem. Apesar de não ser completamente compreendido todas as diferenças entre os dois tipos de atrito, a ideia geral é que a estática é ligeiramente maior do que a dinâmica; como as superfícies onde o atrito vai estar em repouso, este por sua vez pode gerar microssolda iônica ou que se agarra umas às outras, o que não ocorre uma vez quando se está em movimento.

Por outro lado, o coeficiente de atrito, muitas vezes é simbolizado pela letra grega μ (pronunciado "Mu") que é um valor escalar adimensional que descreve a relação entre a força do atrito entre dois corpos e a placa. Isto pode ser apenas acima de zero ou ser maior do que um e depende dos materiais envolvidos; por exemplo, o gelo sobre o aço tem um baixo coeficiente de atrito, enquanto que a borracha no pavimento é mais alto.