Atividade 5.2 DINÂMICA

LEIS DE NEWTON

Atividade 1 – Introdução às causas dos movimentos

Habilidades: Reconhecer causas da variação de movimentos associadas a forças e ao tempo de duração das interações

SAEB Língua Portuguesa: D1 – Localizar informações explícitas em um texto

Estudo do movimento e suas causas

A Dinâmica é parte da mecânica responsável por analisar as causas do movimento e os seus possíveis efeitos. Ela estuda o comportamento dos corpos e a ação das forças que produzem ou modificam os movimentos. Essa parte da divisão da mecânica clássica nasceu com as teorias de Isaac Newton. Baseado nas contribuições de estudos dos cientistas Galileu Galilei e Johannes Kepler, Newton propôs as três leis da física. As teorias de Newton são os pilares fundamentais da Dinâmica. Através delas é possível compreender as relações entre a massa do corpo e o seu movimento, bem como analisar como ocorrem as interações entre os corpos e qual a origem dos movimentos.

Princípios da dinâmica

Os princípios da Dinâmica tal qual se conhece hoje foram desenvolvidos por Isaac Newton.

No entanto, nasceram com as teorias de Aristóteles sobre o movimento, que diziam que a velocidade estava diretamente relacionada à força que agia de modo contínuo sobre um corpo.

Galileu Galilei também deixou sua contribuição para a Dinâmica ao desenvolver a teoria da inércia. Essa teoria mostrava que a velocidade podia ser mantida mesmo sem a aplicação de uma força. A teoria da inércia foi desenvolvida por Isaac Newton anos depois. E, para além da lei da inércia, Newton criou mais dois princípios fundamentais para explicar a Dinâmica. Esses princípios, denominados Leis de Newton, permitiram a compreensão das interações entre os corpos e a origem dos movimentos. Portanto, para entender a Dinâmica, faz-se necessário compreender cada uma das leis da física propostas por Isaac Newton.

Quem foi Isaac Newton?

Habilidades: Buscar, interpretar e identificar informações relevantes, por meio da internet, de materiais audiovisuais ou de outras fontes de consulta bibliográfica

Primeira Lei de Newton

Você já tropeçou em uma pedra? Já esteve num carro (ou ônibus, ou van) que deu uma freada brusca? O que ocorreu?

O que você vivenciou nada mais foi do que a inércia agindo sobre você.

A Primeira Lei de Newton diz:

A Primeira Lei de Newton é chamada princípio da inércia.

Ela diz que um corpo em repouso tende a permanecer em repouso e um corpo em movimento tende a permanecer em movimento, desde que nenhuma força atue sobre ele. Portanto, conclui-se que um corpo apenas muda o seu estado de inércia se houver a aplicação de uma força sobre ele. Compreender o princípio da inércia implica entender que a massa é algo intrínseco do corpo e que através dela determina-se o seu valor numérico.

1. Analise as seguintes situações:

1. Um motorista de ônibus dirigindo a uma velocidade de 50km/h, vê um pedestre atravessando a rua e pisa no freio bruscamente, fazendo o veículo parar. Quando o ônibus freia, o que acontece com os passageiros? Justifique sua resposta com argumentos físicos.

• Você acha que o uso do cinto de segurança é necessário em todas as ocasiões, tanto nas cidades quanto nas rodovias? O uso correto é uma forma de garantir a vida? Justifique sua resposta com argumentos físicos.

Segunda lei de Newton

Princípio Fundamental da Dinâmica

Habilidades: Reconhecer causas da variação de movimentos associadas a forças e ao tempo de duração das interações / Identificar as interações nas formas de controle das alterações do movimento / Reconhecer a conservação da quantidade de movimento, a partir da observação, análise e experimentação de situações concretas, como quedas, colisões, jogos ou movimentos de automóveis / Comparar modelos explicativos das variações no movimento pelas leis de Newton / Reconhecer que tanto as leis de conservação das quantidades de movimento como as leis de Newton determinam valores e características dos movimentos em sistemas físicos

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Imagine a seguinte situação: sua mãe pede para você trocar o guarda-roupa de lugar. Você prontamente vai ajudar, mas o guarda-roupa é bastante pesado.

Qual a primeira atitude que você tem? Se não deu certo, o que você faz?

Acreditando que sua primeira atitude foi esvaziar o guarda-roupa, vemos que você já sabe que quanto menor a massa, menos força você vai fazer.

Se, ainda assim, estava difícil, você deve ter chamado um amigo para auxiliar, certo? Isso porque, juntando a sua força e a dele, vocês teriam uma soma de forças (força resultante) e, assim, maior possibilidade de mover o guarda roupa.

Pois bem, Newton estudou isso e transformou na Lei do Princípio Fundamental da Dinâmica, ou na 2º Lei de Newton:

Esse princípio diz que a força é sempre diretamente proporcional ao produto de sua massa pela aceleração adquirida. 

A fórmula matemática para calcular a força é a seguinte:
F = m.a

F = resultado de todas as forças que agem sobre o corpo

m = massa do corpo que as forças atuam 

a = aceleração adquirida 

Sugestão de atividade:

Observando o simulador “Cabo de Guerra” do site Phet Colorado no

https://phet.colorado.edu/pt_BR/simulation/forces-and-motion-basics.

Acesso 08 nov 19, responda às questões: Atividade sugerida pelo professor Wiverson Moura Silva

1. No simulador “Cabo de  guerra” verificamos como funciona a força resultante, em newtons da disputa dos dummys (bonecos de teste). Cada um deles é capaz de aplicar uma força de acordo com o seu tamanho. Qual a relação que se pode fazer entre o tamanho do dummy e a força que ele é capaz de aplicar no cabo de guerra?

Ao utilizar o simulador os estudantes devem perceber que quanto maior o dummy maior a força que ele é capaz de aplicar ao cabo de guerra e consequentemente maior a sua massa.

• Podemos perceber que, quando alteramos a força de forma proporcional, para ambos os lados a soma das forças permanece 0. Por que isso acontece? Como podemos representar isso matematicamente utilizando uma situação do simulador?

Isso acontece porque ao aplicarmos forças de mesmo valor em direções opostas no mesmo sistema as forças se anulam tendo como resultante a soma das forças igual a 0. Utilizando uma das possibilidades de combinação: dummy vermelho grande contra dummy azul grande de temos:

• Sabendo-se que para calcular a resultante das forças atuantes no Cabo de Guerra podemos utilizar a equação qual seria a Força resultante se:

1. dois dummys azuis pequenos disputassem contra um dummy vermelho grande?

FT = 150 + (-50) + (-50) = 50N (à direita).

• um dummy grande vermelho disputasse contra dummys azuis: dois pequenos e um médio?

FT = 150 + (-100) + (-50) + (-50) = -50N (à esquerda)

• um dummy vermelho grande e um dummy vermelho pequeno disputassem contra dois dummys

azuis pequenos e um dummy azul médio?

FT  = 150 + 50 + (-50) + (-50) + (-100) = 0N     (o conjunto permanece em repouso)

• Como podemos demonstrar a variação da velocidade em uma disputa no simulador Cabo de Guerra? Que tipo de combinações de disputa seria necessária para conseguirmos a maior variação da velocidade?

Quando há grandes discrepâncias entre as forças empregadas nos lados do cabo de guerra a maior variação da velocidade, ou seja, quanto maior a força empregada em um dos lados do cabo de guerra maior a velocidade do deslocamento na sua direção. Se utilizarmos todos os dummys em um dos lados e apenas um dos pequenos do outro teremos a maior

Terceira lei de Newton

Ação e Reação

Habilidades: Reconhecer causas da variação de movimentos associadas a forças e ao tempo de duração das interações / Identificar as interações nas formas de controle das alterações do movimento / Reconhecer a conservação da quantidade de movimento, a partir da observação, análise e experimentação de situações concretas, como quedas, colisões, jogos ou movimentos de automóveis / Comparar modelos explicativos das variações no movimento pelas leis de Newton / Reconhecer que tanto as leis de conservação das quantidades de movimento como as leis de Newton determinam valores e características dos movimentos em sistemas físicos

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A Terceira Lei de Newton é princípio da ação e reação.

Para a contextualização da 3º Lei de Newton, foi usada a relação com o futebol. a “Física no Futebol: Mecânica”,

Final de campeonato paulista. O time da casa, que está perdendo, cava um pênalti e o VAR (Video Assistant Referee) confirma. Bola parada (em repouso), o artilheiro aproxima-se para fazer a cobrança e, quando ele chuta a bola, surge um par de forças. Uma delas vem do pé do jogador e atua sobre a bola, esta é a força de ação. Ao mesmo tempo, a bola exerce outra força de igual intensidade sobre o pé do jogador, esta é a força de reação.

É claro que o jogador não está pensando nisso durante o jogo, mas o futebol tem muita física. Veja:

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

Essa ideia de ação e reação é a Terceira Lei de Newton, que diz:

Segundo esse princípio, toda vez que um corpo exerce uma força sobre outro, o segundo reage exercendo no primeiro uma mesma força de mesma intensidade e direção, porém em sentido contrário.

Força

Forças

Habilidades: Reconhecer causas da variação de movimentos associadas a forças e ao tempo de duração das interações / Identificar as interações nas formas de controle das alterações do movimento / Reconhecer a conservação da quantidade de movimento, a partir da observação, análise e experimentação de situações concretas, como quedas, colisões, jogos ou movimentos de automóveis / Comparar modelos explicativos das variações no movimento pelas leis de Newton / Reconhecer que tanto as leis de conservação das quantidades de movimento como as leis de Newton determinam valores e características dos movimentos em sistemas físicos

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A força é um dos conceitos fundamentais da mecânica clássica. Ela tem a função de modificar os efeitos estáticos e os efeitos dinâmicos dos corpos nos quais atua. Sendo assim, a força é uma grandeza vetorial que possui módulo, direção e sentido.

Força é um dos conceitos fundamentais da mecânica clássica.(Foto: Wikipedia)
Força é a interação entre dois corpos que pode causar aceleração – quando muda a sua velocidade –; ou deformação – quando altera o seu formato. A força é fundamental para manter o corpo em movimento. É a partir do estudo das forças atuantes sobre um corpo que é possível fazer uma análise dinâmica. 
À medida em que se aplica mais de uma força sobre um corpo surge a força resultante, que é a soma de todas as forças aplicadas. As forças se classificam em força de contato – aquelas que agem sobre os corpos apenas quando ocorre um contato entres eles – e força de campo –aquelas que atuam sobre os corpos sem que haja contato, através do campo magnético.

Tipos de Força

Força peso – esse tipo de força é exercida através do campo gravitacional da Terra sobre todos os corpos.

Força elástica – é aquela força exercida sobre um corpo que possui elasticidade, provocando a deformação do mesmo.

Força gravitacional – trata-se de uma força de atração exercida a partir da interação entre dois corpos. Esse tipo de força depende da massa dos corpos envolvidos, pois quanto maior for a massa, maior será a atração e vice-versa.

Força de atrito – é a força que atua entre duas superfícies que estão em contato, trata-se de uma força oposta à tendência do movimento. Nesse sentido, quanto maior for a asperidade dos corpos, maior será a força de atrito. 
Força centrípeta – essa é a força exercida por um corpo em um movimento circular, no qual o corpo é puxado para o centro da trajetória em um movimento circular ou curvilíneo.
Força magnética – esse tipo de força atua mesmo que os corpos não estejam em contato. Trata-se da força de atração e repulsão que existe entre os objetos magnéticos.

Força normal – a força normal também é denominada de força de apoio. Essa força é exercida entre duas superfícies em contato, quando uma superfície precisa sustentar um objeto depositado sobre ela.

Postado por Fabiana Dias em 04/12/2018 e atualizado pela última vez em 17/07/2020

Dinâmica é a área de conhecimento da Física que estuda a causa dos movimentos, analisando-os e descrevendo-os de acordo com as forças que são responsáveis por produzi-los. A dinâmica é, portanto, uma das áreas da mecânica, juntamente com a cinemática e a estática.

Veja também: Forças – tipos, fórmulas e como calcular

Atividade Complementar – Exercitando

Habilidades: Reconhecer causas da variação de movimentos associadas a forças e ao tempo de duração das interações / Identificar as interações nas formas de controle das alterações do movimento / Reconhecer a conservação da quantidade de movimento, a partir da observação, análise e experimentação de situações concretas, como quedas, colisões, jogos ou movimentos de automóveis / Comparar modelos explicativos das variações no movimento pelas leis de Newton / Reconhecer que tanto as leis de conservação das quantidades de movimento como as leis de Newton determinam valores e características dos movimentos em sistemas físicos

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Esta atividade é complementar e não se encontra no caderno do aluno.

1. Sobre a inércia, podemos afirmar corretamente que:

a) Inércia é uma força que mantém os objetos em repouso ou em movimento com velocidade constante.

b)Inércia é uma força que leva todos os objetos ao repouso.

c) Um objeto de grande massa tem mais inércia que um de pequena massa.

d) Objetos que se movem rapidamente têm mais inércia que os que se movem lentamente.

• 2 Considere as seguintes afirmações:
• Segundo a 1º Lei de Newton, é necessária uma força resultante para manter com velocidade constante o movimento de um corpo se deslocando numa superfície horizontal sem atrito.
• De acordo com a 2º Lei de Newton, a aceleração adquirida por um corpo é a razão entre a força resultante que age sobre o corpo e sua massa.
• Conforme a 3º Lei de Newton, a força peso e a força normal constituem um par ação-reação. Determine a alternativa que contém as informações corretas:
• I e II
• I e III
• II e III
• Somente II
• Todas estão corretas

• Duas pessoas empurram um bloco de 50 kg sobre uma superfície com atrito desprezível na mesma direção, mas em sentidos opostos, o que está à direita atua com uma força de 35 N, e o da esquerda, com uma força de 25 N:
• qual será a aceleração adquirida pelo bloco?

Quando as forças têm sentido contrário, a força resultante sobre o bloco será de 35 -25 = 10 N, para a esquerda, já que a pessoa da direita está aplicando mais força. Portanto de acordo com a 2ª Lei de Newton, tem -se:

Fr = m. a    10 = 50 . a a =

a = 0,2 m/s2

• Porém, se os dois empurrarem na mesma direção e sentido com as mesmas forças, mudaria a aceleração?

Se os dois empurrarem na mesma direção e sentido, com as mesmas forças citadas anteriormente, a resultante será 35 + 25 = 120 N, então:

Fr = m. a    60 = 50 . a

a =                 a = 1,2 m/s2

• Um veículo de massa 80 kg, movimenta-se a uma velocidade de 100 km/h e para subitamente num tempo de 0,2 s, quando colidiu contra um muro. Qual a força que atua sobre o condutor desse veículo? Primeiramente é necessário transformar km/h em m/s.

100km/h ÷ 3,6   28 m/s, então: o veículo vai de 28m/s a 0 m/s em 0,2 s, até parar, então sua aceleração será   de:

a = ⇒ = 140 m/s2

Sendo a massa do condutor do veículo de 80 kg, a força aplicada pelo carro nele, durante a colisão, é de: F= m . a ⇒ 80 . 140 = 11 200 N

• (ENEM 2016) Para um salto no Grand Canyon usando motos, dois paraquedistas vão utilizar uma moto cada, sendo que uma delas possui massa três vezes maior. Foram construídas duas pistas idênticas até a beira do precipício de forma que no momento do salto as motos deixem a pista horizontalmente e ao mesmo tempo. No instante em que saltam, os paraquedistas abandonam suas motos e elas caem praticamente sem resistência do ar. As motos atingem o solo simultaneamente porque:
• possuem a mesma inércia
• estão sujeitas à mesma força resultante
• têm a mesma quantidade de movimento inicial
• adquirem a mesma aceleração durante a queda
• são lançadas com a mesma velocidade horizontal

• Retomando aos conceitos da 2ª e 3ª Lei de Newton, explique: por que uma pessoa faz força para baixo ao subir uma escada e, ao realizar a atividade física utilizando uma barra, ela “puxa a barra para baixo” e eleva seu corpo para cima.

De acordo com a 3ª Lei de Newton, ao subir a escada, a pessoa empurra o chão para baixo e o chão reage e a empurra para cima (ação – reação). Sendo a massa da pessoa bem menor que a do chão, o efeito força sobre

ela é muito maior do que o efeito da força feita pelos pés sobre a Terra, nesse caso, o chão. Então o pé sobe, enquanto o chão (solo) praticamente não se movimenta, é o mesmo que ocorre quando pulamos.

No caso da barra, quando é puxada para baixo, ela reage e puxa a pessoa para cima, isso ocorre também nas flexões de braço: enquanto o chão é empurrado para baixo, ele nos empurra para cima.

• Analise e responda qual o equívoco abaixo apresentado:

Você empurra uma mesa aplicando uma determinada força, no entanto ela reage e aplica em você uma força de mesma intensidade, mesma direção e sentido oposto. A resultante dessas duas forças será zero, sendo assim a mesa não sairia do lugar, porém, é possível deslocar a mesa, quando a empurramos.

O equívoco apresentado é que essas forças não se anulam, pois são aplicadas em corpos diferentes (em você e na mesa), por isso a mesa se movimento. Então, não podem ser somadas para determinar a força resultante na mesa. Para a força resultante na mesa, deve-se levar em consideração todas as forças envolvidas: Força manual, Força de atrito e Força Normal.

Quais os principais temas estudados na dinâmica?

Os principais temas de estudo na dinâmica são as leis de Newton, a gravitação universal e o estudo das energias mecânica, cinética e potencial.

• Leis de Newton: descrevem os movimentos dos corpos por meio das forças que atuam sobre eles. Ao todo, existem três leis de Newton: a lei da inércia, o princípio fundamental da dinâmica e a lei da ação e reação. A partir das leis de Newton, também se estuda o comportamento das forças de atrito, empuxo, tração, forças centrípetas etc.
• Gravitação universal: área da dinâmica que estuda o movimento dos corpos celestes. Além da lei da gravitação universal, que é utilizada para calcular a força e atração que um corpo exerce sobre outro, há também as leis de Kepler, usadas para descrever as órbitas planetárias.
• Energia mecânica: o estudo dessa forma de energia relaciona as energias cinética e potencial, entre outras. Aqui também se estuda o princípio da conservação da energia mecânica, além dos cálculos de trabalho mecânico e potência.

Fórmulas da dinâmica

Confira as principais fórmulas da dinâmica e aprenda o que significa cada uma de suas variáveis.

→ Força resultante

A força resultante pode ser obtida por meio do cálculo vetorial. De acordo com a 2ª lei de Newton, ela é igual ao produto entre a massa do corpo e sua aceleração.

→ Fórmula do trabalho de uma força

O trabalho exercido por uma força constante pode ser calculado por meio do produto entre a força aplicada e a distância percorrida pelo corpo.

→ Energia cinética

Energia cinética é a quantidade de energia armazenada em qualquer corpo de massa m que se move com velocidade v, como se vê na fórmula a seguir:

→ Energia potencial gravitacional

Energia potencial gravitacional diz respeito à quantidade de energia que é armazenada em um corpo de massa m, quando elevado a uma altura h a partir do solo, em uma região onde a aceleração da gravidade é igual a g. Observe:

→ Energia mecânica

Energia mecânica diz respeito a toda energia relativa ao movimento de um corpo ou sistema de corpos. A energia mecânica é igual à soma da energia cinética com a energia potencial.

Veja também: Dicas para resolver exercícios de cinemática

Exercícios resolvidos sobre dinâmica

Questão 1 — Determine qual é a aceleração desenvolvida por um corpo de massa igual a 4,5 kg, quando sujeito a uma força de 900 N.

a) 10 m/s²

b) 20 m/s²

c) 0,5 m/s²

d) 9 m/s²

Resolução:

Basta aplicar a 2ª lei de Newton e utilizar os dados fornecidos pelo enunciado.

Com base no resultado obtido, a alternativa correta é a letra B.

Questão 2 — Um corpo de 20 kg encontra-se a 10 m de altura em uma região onde a gravidade tem o valor de 10 m/s². Sabendo que o corpo move-se a uma velocidade constante de 10 m/s, determine o módulo da energia mecânica desse corpo.

a) 1500 J

b) 2500 J

c) 3000 J

d) 4500 J

Resolução:

Para resolver o exercício, é necessário calcular as energias cinética e potencial e, em seguida, somá-las.

Por meio do cálculo, descobrimos que a energia mecânica do corpo é de 3000 J, logo a alternativa correta é a letra C.

Por Rafael Helerbrock
Professor de Física

Gostaria de fazer a referência deste texto em um trabalho escolar ou acadêmico? Veja:

HELERBROCK, Rafael. “Dinâmica”; Brasil Escola. Disponível em: https://brasilescola.uol.com.br/fisica/dinamica.htm. Acesso em 31 de dezembro de 2020.

Lista de Exercícios

Questão 1- Um corpo com massa de 5 kg é submetido a uma força de intensidade 25N. Qual é a aceleração que ele adquire?

Questão 2- (PUC) Quando a resultante das forças que atuam sobre um corpo é 10N, sua aceleração é 4m/s². Se a resultante das forças fosse 12,5N, a aceleração seria de:

a)2,5m/s²
b)5,0m/s²
c) 7,5 m/s²
d) 2 m/s²
e) 12,5 m/s²