DINÂMICA: HISTÓRIA, O QUE ESTUDA, LEIS E TEORIAS - FISICA - 2025

A dinâmica é a área da mecânica que estuda as interações entre os corpos e seus efeitos. Trata-se de descrevê-los qualitativa e quantitativamente, bem como prever como eles irão evoluir ao longo do tempo.

Aplicando seus princípios, sabe-se como o movimento de um corpo se modifica ao interagir com os outros, e também se essas interações o deformam, pois é perfeitamente possível que os dois efeitos ocorram ao mesmo tempo.

Figura 1. Interações no ciclista modificam seu movimento. Fonte: Pixabay.

As crenças do grande filósofo grego Aristóteles (384-322 aC) prevaleceram como a base da dinâmica no Ocidente por séculos. Ele pensava que os objetos se moviam por causa de algum tipo de energia que os empurrava em uma direção ou outra.

Ele também observou que enquanto um objeto está sendo empurrado, ele se move a uma velocidade constante, mas quando o empurrão é interrompido, ele se move cada vez mais lentamente até parar.

Segundo Aristóteles, a ação de uma força constante era necessária para fazer algo se mover a uma velocidade constante, mas o que acontece é que esse filósofo não tinha os efeitos do atrito.

Outra ideia dele era que objetos mais pesados ​​caíam mais rápido do que os mais leves. Foi o grande Galileo Galilei (1564-1642) quem demonstrou por meio de experimentos que todos os corpos caem com a mesma aceleração independente de sua massa, desprezando os efeitos viscosos.

Mas é Isaac Newton (1642-1727), o cientista mais notável que já existiu, que é considerado o pai da dinâmica moderna e do cálculo matemático, junto com Gottfried Leibniz.

Figura 2. Isaac Newton em 1682 por Godfrey Kneller. Fonte: Wikimedia Commons.

Suas famosas leis, formuladas durante o século 17, permanecem tão válidas e frescas hoje. Eles são a base da mecânica clássica, que vemos e nos afetam todos os dias. Essas leis serão discutidas em breve.

O que a dinâmica estuda?

Dynamics estuda a interação entre objetos. Quando os objetos interagem, ocorrem mudanças em seus movimentos e deformações. Uma área particular denominada estática é dedicada aos sistemas em equilíbrio, aqueles que estão em repouso ou com movimento retilíneo uniforme.

Aplicando os princípios da dinâmica é possível prever, por meio de equações, quais serão as mudanças e a evolução dos objetos no tempo. Para isso, algumas premissas são estabelecidas dependendo do tipo de sistema a ser estudado.

Partículas, sólidos rígidos e meios contínuos

O modelo de partículas é o mais simples para começar a aplicar os princípios da dinâmica. Nele é assumido que o objeto a ser estudado tem massa, mas não tem dimensões. Portanto, uma partícula pode ser tão pequena quanto um elétron ou tão grande quanto a Terra ou o Sol.

Quando você deseja observar o efeito do tamanho na dinâmica, é necessário considerar o tamanho e a forma dos objetos. Um modelo que leva isso em consideração é o do sólido rígido, um corpo com dimensões mensuráveis ​​composto de muitíssimas partículas, mas que não se deforma sob o efeito das forças.

Por fim, a mecânica dos meios contínuos leva em consideração não apenas as dimensões do objeto, mas também suas características particulares, incluindo a capacidade de deformar. Os meios contínuos abrangem sólidos rígidos e não rígidos, bem como fluidos.

Leis de Newton

A chave para entender como a dinâmica funciona é um entendimento completo das leis de Newton, que conectam quantitativamente as forças que atuam em um corpo com mudanças em seu estado de movimento ou repouso.

Primeira Lei de Newton

Explicação da primeira lei de Newton. Fonte: self made.

Diz assim:

A primeira parte da afirmação parece bastante óbvia, visto que é evidente que um objeto em repouso permanecerá assim, a menos que seja perturbado. E para isso é necessária uma força.

Por outro lado, o fato de um objeto continuar em movimento mesmo quando a força resultante sobre ele é zero é um pouco mais difícil de aceitar, uma vez que parece que um objeto poderia permanecer em movimento indefinidamente. E a experiência cotidiana nos diz que mais cedo ou mais tarde as coisas ficam mais lentas.

A resposta a essa aparente contradição está na fricção. Na verdade, se um objeto se movesse em uma superfície perfeitamente lisa, poderia fazê-lo indefinidamente, supondo que nenhuma outra força fizesse o movimento variar.

Como é impossível eliminar totalmente o atrito, a situação em que um corpo se move indefinidamente a uma velocidade constante é uma idealização.

Finalmente, é importante notar que embora a força resultante seja zero, isso não representa necessariamente uma ausência total de forças no objeto.

Objetos na superfície da Terra sempre experimentam atração gravitacional. Um livro apoiado em uma mesa permanece assim, porque a superfície da mesa exerce uma força que neutraliza o peso.

Segunda lei de newton

Explicação da segunda lei de Newton. Fonte: self made.

A primeira lei de Newton estabelece o que acontece a um objeto no qual a rede ou força resultante é zero. Agora, a lei fundamental da dinâmica ou segunda lei de Newton indica o que acontecerá quando a força resultante não cancelar:

Com efeito, quanto maior for uma força aplicada, maior será a mudança na velocidade de um objeto. E se a mesma força for aplicada a objetos de massas diferentes, as maiores mudanças serão experimentadas por objetos que são mais leves e fáceis de mover. A experiência cotidiana concorda com essas afirmações.

Terceira lei de newton

Um foguete espacial recebe a propulsão necessária graças aos gases expelidos. Fonte: Pixabay.

As duas primeiras leis de Newton referem-se a um único objeto. Mas a terceira lei se refere a dois objetos. Vamos chamá-los de objeto 1 e objeto 2:

F ₁₂ = - F ₂₁

Na verdade, sempre que um corpo é afetado por uma força, é porque outro é responsável por causá-la. Assim, os objetos da Terra têm peso, porque os atrai para o seu centro. Uma carga elétrica é repelida por outra carga do mesmo sinal, pois exerce uma força repulsiva sobre a primeira e assim por diante.

Figura 3. Resumo das leis de Newton. Fonte: Wikimedia Commons. Hugo4914.

Princípios de conservação

Na dinâmica existem várias quantidades que se conservam durante o movimento e cujo estudo é essencial. Eles são como uma coluna sólida à qual é possível anexar para resolver problemas em que as forças variam de maneiras muito complexas.

Um exemplo: apenas quando dois veículos colidem, a interação entre eles é muito intensa, mas breve. Tão intenso que nenhuma outra força precisa ser considerada, portanto os veículos podem ser considerados como um sistema isolado.

Mas descrever essa intensa interação não é uma tarefa fácil, pois envolve forças que variam no tempo e também no espaço. No entanto, ao assumir que os veículos constituem um sistema isolado, as forças entre eles são internas e o momento é conservado.

Ao conservar o momento, é possível prever como os veículos se moverão logo após a colisão.

Aqui estão dois dos princípios de conservação mais importantes no Dynamics:

Conservação de energia

Na natureza, existem dois tipos de forças: conservadoras e não conservadoras. O peso é um bom exemplo do primeiro, enquanto o atrito é um bom exemplo do último.

Pois bem, as forças conservativas se caracterizam por oferecerem a possibilidade de armazenar energia na configuração do sistema. É a chamada energia potencial.

Quando um corpo possui energia potencial graças à ação de uma força conservadora como o peso e entra em movimento, essa energia potencial é convertida em energia cinética. A soma das duas energias é chamada de energia mecânica do sistema e é aquela que se conserva, ou seja, permanece constante.

Seja U a energia potencial, K a energia cinética e E _m a energia mecânica. Se apenas forças conservadoras atuam sobre um objeto, é verdade que:

Portanto:

Conservação de momento

Este princípio é aplicável não apenas quando dois veículos colidem. É uma lei da física com alcance que vai além do mundo macroscópico.

O momento é conservado ao nível dos sistemas solares, estelares e de galáxias. E também o faz na escala do átomo e do núcleo atômico, embora a mecânica newtoniana deixe de ser válida aí.

Seja P o vetor momentum dado por:

P = m. v

Derivando P em relação ao tempo:

Se a massa permanecer constante:

Portanto, podemos escrever a segunda lei de Newton assim:

_Net F = d P / dt

Se dois corpos m ₁ e m ₂ constituem um sistema isolado, as forças entre eles são internas e de acordo com a terceira lei de Newton, são iguais e opostas a F ₁ = - F ₂, cumprindo-se que:

Se a derivada em relação ao tempo de uma magnitude for zero, significa que a magnitude permanece constante. Portanto, em um sistema isolado, pode-se afirmar que a dinâmica do sistema é conservada:

P ₁ + P ₂ = constante

Mesmo assim, P ₁ e P ₂ podem variar individualmente. O momentum de um sistema pode ser redistribuído, mas o que importa é que sua soma permaneça inalterada.

Conceitos apresentados na dinâmica

Existem muitos conceitos importantes em dinâmica, mas dois deles se destacam: massa e força. Sobre a força já comentada anteriormente e abaixo está uma lista com os conceitos mais proeminentes que aparecem ao lado dela no estudo da dinâmica:

Inércia

É a propriedade de os objetos resistirem a mudanças em seu estado de repouso ou movimento. Todos os objetos com massa têm inércia e ela é vivenciada com muita frequência, por exemplo, ao se deslocar em um carro em aceleração, os passageiros tendem a permanecer em repouso, o que é percebido como uma sensação de aderência no encosto do assento.

E se o carro parar abruptamente, os passageiros tendem a capotar, seguindo o movimento para frente que faziam anteriormente, por isso é importante usar sempre o cinto de segurança.

Figura 4. Ao viajar de carro, a inércia faz com que batamos quando o carro freia bruscamente. Fonte: Pixabay.

Massa

A massa é a medida da inércia, pois quanto maior a massa de um corpo, mais difícil é movê-lo ou fazer com que mude seu movimento. A massa é uma quantidade escalar, o que significa que para especificar a massa de um corpo é necessário fornecer o valor numérico mais a unidade selecionada, que pode ser quilos, libras, gramas e mais.

Peso

Peso é a força com a qual a Terra puxa objetos perto de sua superfície em direção ao seu centro.

Por ser uma força, o peso tem caráter vetorial, portanto é completamente especificado quando se indica sua magnitude ou valor numérico, sua direção e seu sentido, que já sabemos é verticalmente para baixo.

Assim, embora relacionados, peso e massa não são iguais, nem mesmo equivalentes, já que o primeiro é um vetor e o segundo, um escalar.

Sistemas de referência

A descrição de um movimento pode variar dependendo da referência escolhida. Quem sobe de elevador está em repouso segundo um referencial a ele fixado, mas visto por um observador em solo, os passageiros estão se movendo.

Se um corpo experimenta movimento em torno de um referencial, mas está em repouso em outro, as leis de Newton não se aplicam a ambos. Na verdade, as leis de Newton são aplicáveis ​​a certos quadros de referência: aqueles que são inerciais.

Em referenciais inerciais, os corpos não aceleram a menos que sejam perturbados de alguma forma - pela aplicação de uma força.

Forças fictícias

As forças fictícias ou pseudo-forças aparecem quando se analisa o movimento de um corpo em um referencial acelerado. Uma força fictícia se distingue porque não é possível identificar o agente responsável por seu surgimento.

A força centrífuga é um bom exemplo de força fictícia. No entanto, o fato de ser não o torna menos real para aqueles que o experimentam quando viram seus carros e sentem que uma mão invisível os empurra para fora da curva.

Aceleração

Este importante vetor já foi mencionado antes. Um objeto experimenta aceleração enquanto houver uma força que muda sua velocidade.

Trabalho e energia

Quando uma força atua sobre um objeto e muda sua posição, a força fez o seu trabalho. E esse trabalho pode ser armazenado na forma de energia. Portanto, o trabalho é realizado no objeto, graças ao qual ele adquire energia.

O exemplo a seguir esclarece o ponto: Suponha que uma pessoa erga um pote a uma certa altura acima do nível do solo.

Para isso, deve-se aplicar uma força e vencer a gravidade, pois funciona na panela e esse trabalho é armazenado na forma de energia potencial gravitacional na panela, proporcional à sua massa e à altura que atingiu acima do chão.:

Onde m é a massa, g é a gravidade e h é a altura. O que a panela pode fazer quando estiver na altura h? Bem, ele pode cair e conforme ele cai, a energia potencial gravitacional que ele tem diminui, enquanto a energia cinética ou de movimento aumenta.

Para que uma força funcione, ela deve produzir um deslocamento que deve ser paralelo à força. Se isso não acontecer, a força ainda age sobre o objeto, mas não funciona sobre ele.

tópicos relacionados

Primeira lei de Newton.

Segunda lei de Newton.

Terceira lei de Newton.

Lei da conservação da matéria.

Referências

1. Bauer, W. 2011. Physics for Engineering and Sciences. Volume 1. Mc Graw Hill.
2. Figueroa, D. 2005. Série: Física para Ciências e Engenharia. Volume 2. Dynamics. Editado por Douglas Figueroa (USB).
3. Giancoli, D. 2006. Física: Princípios com Aplicações. 6º.. Ed Prentice Hall.
4. Hewitt, Paul. 2012. Ciência Física Conceitual. 5 ª. Ed. Pearson.
5. Kirkpatrick, L. 2007. Physics: A Look at the World. 6ª edição resumida. Cengage Learning.
6. Knight, R. 2017. Physics for Scientists and Engineering: a Strategy Approach. Pearson.
7. Wikipedia. Dinâmico. Recuperado de: es.wikipedia.org.