Por que você cambaleia para a frente num ônibus que para subitamente por que você cambaleia para trás quando ele se torna mais rápido?

LEIS DE NEWTON — 1a
Lei
(Leitura: Livro Física Conceitual - Cap. 2)
“Se eu vi mais longe, foi por estar sobre ombros de gigantes.”
Isaac Newton
1. CONTEXTO HISTÓRICO
A compreensão das leis que governam o movimento dos corpos é uma
questão bastante antiga. Já na Grécia Antiga, o grande sábio Aristóteles
(384-322 a.C.) dedicou parte de sua extensa obra a tratar do tema.
Aristóteles acreditava que a Terra estaria
no centro do universo e que os demais
corpos celestes (inclusive o Sol)
descreveriam trajetórias circulares em
torno dela (geocentrismo). No que diz
respeito à queda livre dos corpos,
Aristóteles acreditava que quanto mais
pesado um objeto, mais rapidamente ele
cairia em direção ao solo. Aristóteles
também não acreditava na inércia, isto é,
para ele, o movimento só poderia ser
mantido se uma força continuasse a agir
sobre um objeto.
Embora Aristóteles não considerasse suas ideias como uma verdade final,
com o passar do tempo, a influência de seu pensamento tornou-se tão
grande, que elas se tornaram praticamente dogma.
No entanto, essas ideias começam ser seriamente questionadas no século 16
quando Nicolau Copérnico (1473-1543) publica seu famoso livro Sobre as
revoluções das esferas celestes. Nele, Copérnico propõe o modelo
heliocêntrico (Sol ao centro e os demais astros girando ao seu redor) como
mais adequado à descrição do movimento dos corpos celestes.
Tal controvérsia motivou a coleta de dados astronômicos mais precisos,
tarefa que coube ao famoso astrônomo dinamarquês Tycho Brahe (1546-
1601). De posse desses dados e fazendo uso do modelo heliocêntrico e da
matemática, o astrônomo e matemático alemão Johannes Kepler (1571-
1630) foi capaz de descrever com precisão o movimento dos planetas do
sistema solar.
Vivendo na mesma época que Kepler, o italiano Galileu Galilei (1564-1642)
dedicou-se a estudar o movimento lançando mão da matemática e da
experimentação. Como veremos mais adiante, por meio de seus
experimentos, Galileu chegou à conclusão de que, ao contrário do que
acreditava Aristóteles, o movimento é um estado tão natural aos corpos
quanto o repouso, ou seja, eles possuem uma propriedade denominada de
inércia.
Os experimentos de galileu derrubaram ainda a ideia aristotélica de que
quanto mais pesado um corpo mais rapidamente ele cai em direção ao solo.
Galileu mostrou que, a não ser pela resistência do ar, os corpos caem de
forma idêntica e chegam ao solo simultaneamente, independentemente de
sua massa (o que pode ser observado no vácuo). Por trazer a matemática e a
método experimental para o estudo da natureza, Galileu é considerado um
dos fundadores da ciência moderna.
No ano da morte de Galileu, nasce o inglês Isaac Newton (1642-1727),
considerado um dos grandes gênios da humanidade. Em seu famoso livro
Princípios matemáticos da Filosofia Natural, Newton expande as ideias de
Galileu e de seus antecessores, finalmente enunciando as três leis que
explicam e preveem o movimento dos corpos, agora conhecidas como Leis
de Newton. No mesmo livro, Newton ainda enuncia a Lei da Gravitação
Universal, sendo capaz de explicar os porquês daquilo que Kepler apenas
conseguiu descrever.
Desde então, as Leis de Newton têm sido exaustivamente usadas com
sucesso no estudo de uma ampla gama de fenômenos. Elas só perdem sua
aplicabilidade em duas situações:
• Ao estudar o movimento de objetos muito pequenos (do tamanho de
um átomo ou menor): nesse caso, precisam ser substituídas pela
mecânica quântica.
• Ao estudar o movimento envolvendo velocidades muito altas
(próximas à velocidade da luz): nesse caso, precisam ser substituídas
pela teoria da relatividade restrita.
Com as Leis de Newton, entramos na dinâmica, a parte da física em que as
causas do movimento são também investigadas.
2. OS EXPERIMENTOS DE GALILEU
Ler seção 2.2 do livro-texto: Física Conceitual.
3. PRIMEIRA LEI DE NEWTON
Ler seção 2.3 do livro-texto: Física Conceitual.
LINKS:
Bola de boliche e penas caindo numa câmara de vácuo
https://www.youtube.com/watch?v=frZ9dN_ATew
A maior câmara de vácuo do mundo (em inglês, use legendas em português)
https://www.youtube.com/watch?v=E43-CfukEgs&t=5s
A importância do encosto de cabeça nos veículos
https://www.portaldotransito.com.br/noticias/a-importancia-do-encosto-de-
cabeca-nos-veiculos-2/
Colisão traseira e efeito chicote | Física do cotidiano
https://www.youtube.com/watch?v=QNnt55gKXj0
Inércia: Desafio do ovo
https://www.youtube.com/watch?v=hREhgeNXc_s
Inércia: Puxão na toalha de mesa
https://www.youtube.com/watch?v=f3FDidsjJnA
Inércia de uma bigorna
https://www.youtube.com/watch?v=OhCIvlkwh8U
4. FORÇA RESULTANTE
Ler seção 2.4 do livro-texto: Física Conceitual.
5. A CONDIÇÃO DE EQUILÍBRIO
Ler seção 2.5 do livro-texto: Física Conceitual.
6. FORÇA DE APOIO
Ler seção 2.6 do livro-texto: Física Conceitual.
7. EQUILÍBRIO DE CORPOS EM MOVIMENTO
Ler seção 2.7 do livro-texto: Física Conceitual.
EXERCÍCIOS
1. Em seus experimentos com planos inclinados, o que Galileu descobriu
acerca do movimento dos corpos e das forças?
2. Que ideia Aristotélica foi desacreditada por Galileu em sua fabulosa
demonstração na Torre Inclinada?
3. Que ideia Aristotélica Galileu demoliu com seus experimentos com
planos inclinados?
4. Como a primeira lei de Newton do movimento se relaciona com o
conceito de inércia de Galileu?
5. Na ausência de uma força, que tipo de trajetória segue um objeto em
movimento?
6. Os asteroides estão se movendo pelo espaço há bilhões de anos. O que os
mantém em movimento?
7. Uma bola que rola ao longo de um piso não se mantém assim
indefinidamente. Isso ocorre por que ela sempre busca um lugar de repouso
ou por que alguma força está sendo exercida sobre ela? No segundo caso,
identifique a força.
8. Se você se encontra em um carro em repouso que é abalroado por trás,
sofrerá uma lesão séria no pescoço, conhecida como “lesão de chicote”
(whiplash). O que esse tipo de lesão tem a ver com a primeira lei de
Newton?
9. Por que você cambaleia para a frente num ônibus que para subitamente?
Por que você cambaleia para trás quando ele se torna mais rápido? Que lei
se aplica aqui?
10. Se você atira uma moeda diretamente para cima,
enquanto está andando de trem, onde ela cai, se o
movimento do trem é uniforme sobre trilhos retos? Sem
olhar pela janela, é possível você saber se o trem está
parado ou em MRU lançando a moeda?
11. (UNIFESP-SP - Modificado) Na divulgação de um novo modelo, uma
fábrica de automóveis destaca duas inovações em relação à prevenção de
acidentes decorrentes de colisões traseiras: protetores móveis de cabeça e
luzes intermitentes de freio.
Em caso de colisão traseira, “os protetores de cabeça, controlados por
sensores, são movidos para a frente para proporcionar proteção para a
cabeça do motorista e do passageiro dianteiro dentro de milisegundos. Os
protetores […] previnem que a coluna vertebral se dobre, em caso de
acidente, reduzindo o risco de ferimentos devido ao efeito chicote [a cabeça
é forçada para trás e, em seguida, volta rápido para a frente]”.
Qual lei da física explica a razão de a cabeça do motorista ser forçada para
trás quando o seu carro sofre uma colisão traseira, dando origem ao “efeito
chicote”? Justifique.
12. (Uepa) Na parte final de seu livro, Discursos e demonstrações
concernentes a duas novas ciências, publicado em 1638, Galileu Galilei
trata do movimento de um projétil da seguinte maneira:
“Suponhamos um corpo qualquer, lançado ao longo de um plano horizontal,
sem atrito; sabemos que esse corpo se moverá indefinidamente ao longo
desse mesmo plano, com um movimento uniforme e perpétuo, se tal plano
for ilimitado”.
O princípio físico com o qual se pode relacionar o trecho destacado acima é:
a) o Princípio da Inércia ou 1a
Lei de Newton.
b) o Princípio Fundamental da Dinâmica ou 2a
Lei de Newton.
c) o Princípio da Ação e Reação ou 3a
Lei de Newton.
d) a Lei da Gravitação Universal.
e) o Teorema da Energia Cinética.
13. Por que se diz que força é uma quantidade vetorial?
14. Qual é a força resultante sobre um carrinho de mão empurrado por duas
forças, uma de 100 newtons para a direita e outra de 30 newtons para a
esquerda?
15. Ordene a força resultante sobre o bloco em ordem decrescente quanto ao
módulo nas quatro situações A, B, C e D.
16. Imagine um par de forças, uma com valor de 20 N e outra com 12 N.
Qual a maior força resultante possível para essas duas forças? Qual é a
mínima força resultante possível?
17. Qual é a tensão numa corda puxada com 80 newtons para a direita e 80
newtons para a esquerda?
18. Qual é a força resultante sobre uma sacola atraída pela gravidade com
18 newtons e puxada por uma corda, para cima, com 18 newtons?
19. O que significa dizer que alguma coisa se encontra em equilíbrio
mecânico?
20. O esboço ao lado mostra um andaime de
pintura em equilíbrio mecânico. Uma pessoa
que pesa 500 N está parada no meio do
andaime, e a tensão em cada corda é de 400
N. Qual é o peso do andaime?
21. Um andaime que pesa 400 N, sustenta
dois pintores, um de 500 N e outro de 400
N. A leitura na escala da esquerda é 800 N.
Qual é a leitura na escala da direita?
22. Um macaco está pendurado em repouso na extremidade de um cipó na
posição vertical. Quais são as duas forças exercidas sobre o macaco? Se for
o caso, qual delas é a maior?
23. Seu colega está sentado em repouso sobre uma cadeira. Pode-se afirmar
que nenhuma força atua sobre ele? Ou é correto dizer que nenhuma força
resultante é exercida sobre ele? Justifique sua resposta.
24. Quando uma bola é atirada direto para cima, ela para por um breve
momento no topo de sua trajetória. Ela está em equilíbrio durante este breve
momento? Explique por quê.
25. Considere um livro que pesa 15 N em repouso sobre uma mesa plana.
Quantos newtons de força de apoio a mesa fornece? Qual é a força
resultante sobre o livro neste caso?
26. Quando você fica em repouso sobre uma balança de banheiro, como seu
peso se compara com a força de apoio da balança?
27. A força da gravidade puxa para baixo um livro sobre uma mesa. Que
força impede o livro de acelerar para baixo?
28. Uma bola de boliche em repouso se encontra em equilíbrio. A mesma
bola está em equilíbrio quando rola com velocidade constante numa
trajetória retilínea?
29. Se você empurra um caixote com uma força de 100 N e ele escorrega
com velocidade constante, quanto vale o atrito sobre o caixote?
30. A fim de fazer um pesado fichário deslizar sobre o piso com velocidade
constante, você exerce uma força horizontal de 600 N. A força de atrito
entre o fichário e o piso é maior, igual ou menor do que 600 N? Justifique
sua resposta.
31. Três discos idênticos de hóquei no gelo, A, B e C, são ilustrados
enquanto deslizam sobre o gelo com as
velocidades assinaladas. As forças de
atrito com o gelo e a força de arraste do ar
são desprezíveis.
a) Ordene-os em ordem decrescente quanto à força necessária para mantê-
los em movimento.
b) Ordene-os em ordem decrescente quanto à força necessária para pará-los
durante o mesmo intervalo de tempo.

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