A figura ilustra situações em que o conceito de força é importante: a tração em uma corda, a força gravitacional e a força magnética.
Força é um dos conceitos fundamentais damecânica clássica. Relacionado com as trêsleis de Newton, é uma grandeza que tem a capacidade de vencer ainércia de um corpo, modificando-lhe a velocidade (seja na suamagnitude oudireção, já que se trata de umvetor). Como corolário, chega-se aoconstructo de que a força pode causar deformação em um objeto flexível.
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Força: qualquer agente externo que modifica o movimento de um corpo livre ou causa deformação num corpo fixo.[1]
”
A força, por ser também um vetor, tem dois elementos: a magnitude e adireção. Asegunda lei de Newton,, foi originalmente formulada em termos ligeiramente diferentes, mas equivalentes: a versão original afirma que a força que age sobre um objeto é igual àderivada temporal domomento linear deste objeto.[2]
torque, força que produz mudanças na velocidade de rotação de um objeto.
A força aplicada num corpo fixo é chamada tensãomecânica ou estresse mecânico, um termo técnico para as influências que causam deformação da matéria. Enquanto o estresse mecânico pode permanecer incorporado em um objeto sólido e, gradualmente, deformá-lo, o estresse mecânico em um fluido determina mudanças em sua pressão evolume.[3][4][5]
Aristóteles, filósofo grego, entendia que a força da gravidade era a tendência dos objetos a buscar seu lugar natural.
Os filósofos naAntiguidade Clássica usavam os conceitos de força no estudo de objetos estáticos e dinâmicos e emmáquinas simples, porém os pensadores comoAristóteles eArquimedes incorreram em erros de entendimento. Em parte, isto deveu-se a uma compreensão incompleta de força, por vezes não óbvia, mais precisamente em relação aoatrito, e, consequentemente, uma visão inadequada da natureza do movimento natural.[6]
Desde a antiguidade o conceito da força vinha sendo utilizado na construção das máquinas da época. A vantagem atingida com o uso de uma máquina simples, como é o caso daalavanca, era descrita como "o uso de menos força para se chegar a uma certa quantidade detrabalho".
Aristóteles entendia o conceito filosófico de força como uma parte integrante dacosmologia aristotélica. Na visão de Aristóteles, que ainda hoje é muito conhecida, a natureza tinhaquatro elementos,água,terra,fogo ear. Ele ligava a matéria ao elemento terra e a gravidade como a tendência dos objetos a buscar seu lugar natural. Assim, o movimento natural se distinguia do movimento forçado, o que dava origem ao conceito de força.[7]
Esta teoria, baseada nas experiências objetos em movimento, comocarroças, não explicava o comportamento deprojéteis, como o voo deflechas. O paradoxo era que a força era aplicada no projétil apenas no início do voo e entretanto o projétil navegava pelo ar posteriormente ao impulso inicial. Aristóteles estava ciente do problema e propôs que o ar deslocado pelo percurso do projétil forneceria a força necessária para continuar o seu movimento.
Problemas adicionais no modelo aristotélico eram causados pela ausência do devido tratamento àresistência do ar do movimento dos projéteis.[8]
A física aristotélica enfrentou críticas na ciência medieval, inicialmente por João Filopono, no século XI.Galileu Galilei, posteriormente, já no século XVII, construiu um experimento no qual as pedras e balas de canhão inclinavam, refutando a teoria aristotélica do movimento. Ele mostrou que os corpos são acelerados pela gravidade de uma forma independente da sua massa e argumentou que os objetos retêm sua velocidade, sendo também influenciados pelas forças de atrito.
Um dos equívocos destes pioneiros foi a crença de que uma força é necessária para manter o movimento, mesmo a uma velocidade constante.[9] Considera-se que a maioria das contradições conceituais foi corrigida porIsaac Newton. Com a sua intuição matemática, ele formulou asleis de Newton que não foram aperfeiçoadas por 300 anos sendo, ainda hoje, um dos modelos conceituais válidos no estudo da física.
No início do século XX,Albert Einstein desenvolveu ateoria da relatividade, que trata de um modelo mais preciso, diferenciando-se do anterior sobretudo no caso em que objetos se movimentam a umavelocidade próxima davelocidade da luz. Este novo modelo também previu novas visões sobre as forças produzidas pelagravitação e sobre ainércia.
Isaac Newton, uma das figuras mais notórias na história da física
Newton tentou descrever o movimento de todos os objetos usando os conceitos de inércia e força e, ao fazê-lo, descobriu que eles obedecem as determinadas leis. Em 1687, Newton publicou sua tese no tratado chamadoPhilosophiae Naturalis Principia Mathematica. Neste trabalho, ele enunciou as três principais leis da dinâmica, que até hoje são a maneira como as forças são descritas na física, chamadas deLeis de Newton.[10]
A primeira lei de Newton afirma que os objetos continuam a mover-se em um estado de velocidade constante a menos que haja uma força externa. Esta lei é uma extensão da visão de Galileu na qual a velocidade constante foi associada a uma falta de força. Newton propõe que todos os objetos têm uma propriedade chamada inércia, que consiste nesta tendência a se manter no movimento. Esta noção substituiu a ideia aristotélica de "lugar natural de repouso".[10]
sendo omomento linear do sistema, e a força resultante. Ambos são grandezas vetoriais.
Por definição do momento linear de uma partícula:sendo uma massa e suavelocidade.
Em um sistema de massa constante, o uso daregra da constante na diferenciação permite que a variável massa seja recolocada fora do operador diferencial; assim, chega-se a:
Por substituição da definição daaceleração, chega-se, finalmente, à versão algébrica da segunda lei de Newton:
Algumas fontes chamam esta lei de "segunda fórmula mais famosa da física", perdendo apenas para a de Einstein.[12] Newton jamais enunciou explicitamente a lei nesta forma reduzida.
A segunda lei de Newton afirma a proporcionalidade direta de aceleração à força (no caso da massa constante) e a proporcionalidade inversa da aceleração à massa (no caso de força constante). A aceleração pode ser definida em dinâmica como a derivada da velocidade em relação aotempo. No entanto, em física avançada, ainda há questões profundas que permanecem, como em relação à definição adequada da massa.
O conceito derelatividade geral oferece uma equivalência entreespaço-tempo e massa, mas algumas fontes citam a segunda lei de Newton como definição de massa.[13] De outro modo, fontes citam esta mesma lei como definição de força, o que é negado por autores mais rigorosos.[3][14]
A terceira lei de Newton trata da aplicação simétrica de forças em diferentes objetos. A terceira lei explica que todas estas forças são interações entre diferentes corpos[15][16] e que entre estes não há uma força unidirecional atuando um único corpo. Sempre que um primeiro exerce uma força em um segundo corpo, o segundo corpo exerce uma força no primeiro corpo, igual em magnitude e contrária em sentido. Esta lei é também referida comolei de ação e reação, sendo que uma força é chamada de ação e a outra de reação. A ação e a reação são simultâneas:
Se o objeto 1 e o objeto 2 são considerados como partes de um sistema, a soma das forças entre objetos do sistema é nula:No caso de um sistema fechado de partículas, em que não há uma força externa, os objetos constituintes podem acelerar-se um em relação ao outro, mas o sistema completo permanece não acelerado, tendo como base de localização ocentro de gravidade. Alternativamente, se uma força externa atua sobre o sistema, então o centro de gravidade experimentará uma aceleração proporcional à magnitude da força externa dividida pela massa do sistema.[3]
Combinando a segunda e a terceira lei de newton, chega-se ao resultado da conservação demomento linear de um sistema:
e, aplicando aintegral em relação ao tempo, a igualdade:
é obtida. Num sistema que contém os objetos 1 e 2,
Partindo-se da lei e aplicando as deduções, chega-se a uma generalização para um sistema com vários objetos. Neste caso, ainda, a troca de forças entre objetos constituintes não afeta o impulso do sistema como um todo.[3]
Aforça eletromagnética é responsável por todas as interações observadas no dia-a-dia, excetuando-se as interações gravitacionais.[18]
A força dagravidade constitui-se na quarta espécie de força, queIsaac Newton estudou, questionando motivo dos objectos caírem no solo (fábula da maçã caindo junto ao nascer da lua no horizonte).
As forças degravidade eelectromagnetismo são forças familiares na vida diária. As interações fortes e fracas são forças novas introduzidas quando se discutem fenômenos nucleares. Quando dois protões se encontram, eles experimentam, simultaneamente, todas as quatro interações fundamentais. Aforça fraca determinadecaimento beta e interações de neutrino com núcleos. Aforça forte, a qual geralmente nós chamamos de força nuclear, é na verdade na força responsável para a ligação de nucleões.[19]
Galileu Galilei já tinha descoberto que os objetos aceleravam à medida que caíam, (ou seja, que sofriam alterações no seu movimento), e que os corpos próximos à superfície terrestre caem (em queda livre) com a mesma aceleração: a aceleração da gravidade. Newton justificou este fato "definindo" e descrevendo o comportamento de uma força que um corpo massivo exerce sobre outro corpo massivo: a força da gravidade. Os objetos próximos à Terra caem devido à força de atração gravitacional entre a Terra (com sua enorme massa) e o objeto (com massa diminuta). Pelo mesmo motivo, os objetos celestes são mantidos em suas órbitas uns ao redor dos outros, como a Terra ao redor do Sol, e a Lua ao redor da Terra.
A lei da gravidade de Newton é conhecida comoLei da Gravitação Universal e com ela Newton descreveu a atração gravitacional e mostrou que, ao contrário dos pensamentos herdados da sociedade grega antiga, a física celeste não era necessariamente diferente da física domundo sublunar e que em ambos os casos valia a Lei da Gravitação Universal e as demais leis.
Considerando que aaceleração da gravidade terrestre próxima à superfície é de cerca de 9,8 m/s², o peso de um corpo de 1 kg é aproximadamente igual a 9,8 N, ou seja, 1 kgf (quilograma-força) = 9,8 N.[20]
↑Ver páginas 9-1 e 9-2 de Feynman, Leighton and Sands (1963)
↑abcdee.g.Feynman, R. P., Leighton, R. B., Sands, M. (1963).Lectures on Physics.1. [S.l.]: Addison-Wesley !CS1 manut: Nomes múltiplos: lista de autores (link)
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↑Lang, HelenThe Order of Nature in Aristotle's Physics: Place and the Elements (1998)
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