Excepcional - Física do movimento

Dentre os tipos de energia que encontramos no Universo, estão os estudados aqui no HC:

→ Energia elétrica;

→ Energia térmica;

→ Energia luminosa;

→ Energia cinética.

A bola da vez é a energia cinética, também chamada de energia do movimento. Talvez o exemplo mais didático que tenhamos até aqui é o motor de combustão interna:

GIF 1 - Como funciona o motor de combustão interna

Esta máquina térmica que usamos em nosso automóveis consegue transformar uma mistura de ar e combustível em luz, calor e movimento (obviamente que não nas mesmas proporções). Mas, para existir movimento é necessário haver força, e para haver força é necessário aceleração e massa.

Poderíamos fazer uma analogia com a eletricidade e dizer que a força é a potência elétrica, a aceleração é a tensão elétrica, a massa é a corrente e a inércia é a resistência elétrica. Desta forma a seguinte abordagem pode ser feita:

→ Aceleração, velocidade e deslocamento;

→ Massa, peso e inércia;

→ Atrito, volume e densidade.

No entanto, isso tudo é muito mais complicado, então decidi fazer assim:

→ Força:

-> Os tipos de força;

-> O que é força?;

-> O que é Peso?;

-> Inércia;

-> Atrito.

→ Quantidade de matéria:

-> Massa;

-> Volume;

-> Densidade.

→ Movimento:

-> Aceleração;

-> Velocidade;

-> Deslocamento.

Passado esta introdução, vamos aos tópicos!

De início, vamos entender as quatro forças fundamentais:

Existem quatro forças fundamentais na natureza: a Força Forte, Força Fraca, Força Eletromagnética, e claro, a conhecida Força Gravitacional.

Para medir estas forças na natureza era utilizado o conceito de ação-a-distância, no entanto, com o tempo, um conceito novo surgiu: o "Campo", uma perturbação que pode ser sentida por outras partículas. Com a Teoria Quântica de Campos (TQC), chegou o conceito de mediadores, isto é, cada uma das quatro forças é mediada pela troca de uma de suas partículas por um mediador, que transmite a força de uma partícula para outra.

-> Para a Força Gravitacional temos o mediador chamado de graviton;

-> Para a Força Eletromagnética temos o mediador chamado de fóton;

-> Para a Força Forte temos o mediador chamado de gluon;

-> Para a Força Fraca, os mediadores W± e Z0.

Tabela 1 - Forças fundamentais

FORÇA GRAVITACIONAL

A gravidade é uma das quatro forças fundamentais da natureza. Ela define o peso de um corpo, a força vertical e para baixo (que mantém todos os corpos 'unidos' ao planeta Terra).

A Terra não é uma esfera perfeita. Está mais para uma elipse. A prova disso é que o raio equatorial é maior do que o raio polar, portanto, o campo gravitacional nos polos é maior do que na linha do equador. O campo gravitacional também varia levemente de acordo com a altitude em relação ao nível do mar. Concorda que, o raio do nosso planeta é um pouquinho menor se for medido do nível do mar até o centro da Terra do que se fosse medido num lugar a 1000 metros acima do nível do mar?!

Criada por Isaac Newton, a Lei da Gravitação Universal teve uma generalização relativística na Teoria da Gravitação, também conhecida como Teoria da Relatividade Geral, de Albert Einstein.

Com a Relatividade Geral, a Força da Gravidade passou a ser explicada de melhor forma. Primeiro que, a Gravidade não "atrai" os objetos, isso é um termo leigo comum no cotidiano. A massa deforma o espaço-tempo, e essa deformação é a Gravidade, fazendo com que objetos sigam a curvatura criada por esta massa e acelerem em muitos casos.

O nosso planeta não atrai a Lua, mas sim a deformação causada pela Terra no espaço-tempo que mantém a Lua (com uma massa muito menor) orbitando ao redor, presa no "campo gravitacional". Assim, a Lua está apenas viajando ao longo da curvatura do espaço-tempo causado pelo massivo Planeta Terra por conta do declive que o nosso planeta cria. Desse modo, a Lua não sente nenhuma força agindo sobre ela. Está apenas seguindo um caminho particular.

A força da Gravidade que eu digo é positiva, pois sempre tende a acelerar os corpos para baixo. Uma força gravitacional negativa iria causar uma curvatura oposta no espaço-tempo.

Para finalizar este tópico e deixar mais pontos em aberto para cutucar sua insaciável curiosidade, a Relatividade Geral de Einstein explica a física por trás do movimento de corpos gigantescos e massivos, como por exemplo planetas e estrelas. Já a Mecânica Quântica explica a física por trás de 'coisas' minúsculas, tais como elétrons, prótons, nêutrons, quarks, glúons e outras partículas. A Teoria da Cordas tenta 'unificar' estas duas grandes áreas da Física!

FORÇA ELETROMAGNÉTICA

Pode ser chamada de eletrodinâmica (área da física que estuda o movimento constante de cargas elétricas), pois descreve os fenômenos elétricos e magnéticos, isto é, a força eletromagnética. James Clerk Maxwell foi quem estudou e formulou esta força fundamental, que "batia" com a Relatividade Especial, criada por Albert Einstein. A utilização destes estudos para a formulação da Eletrodinâmica Quântica foi feita por vários nomes importantes na história da Física, tais como Tomonaga, Feynman e Schwinger, tudo por volta de 1940.

O fluxo de elétrons (carga) é apenas o meio de propagação do eletromagnetismo, da ENERGIA ELÉTRICA em si. A energia não flui pelo fio, a energia flui paralela ao fio, como explica o Vetor de Pointing. O fio transporta apenas cargas e os elétrons circulam em velocidade insignificante. No centro do fio, a energia é zero, algo que pode ser facilmente evidenciado pelo Efeito de Pele, como é explicado nos artigos-piloto sobre indutores, que podem ser acessados CLICANDO AQUI e AQUI.

Quando acendemos a lâmpada na sala de casa, ao apertarmos o interruptor, a energia flui via campo elétrico-magnético paralelo ao fio. O campo eletromagnético flui na velocidade da luz, portanto há o acendimento instantâneo da lâmpada.

CURIOSIDADE: A velocidade em que os elétrons se movem é chamada de "velocidade de deriva" ou "velocidade de arraste", sendo um valor demasiadamente pequeno, pra ser mais exato é na ordem de alguns milímetros por segundo (mm/s).

Essa velocidade é diretamente proporcional à corrente elétrica formada no fio e inversamente proporcional à densidade de elétrons livres (aqueles que podem ser conduzidos), bem como à secção transversal do fio e à carga dos elétrons.

Uma bateria não é recarregada, pois as cargas já estão ali. Você não bota um celular pra "carregar", mas sim pra acumular energia, isto é, organizar as cargas presentes (para haver tensão, corrente - e consequentemente energia -, no polo Negativo deve haver excesso de elétrons e no Positivo ausência).

Caso queira se aprofundar mais no assunto, comece lendo o Capítulo 1 sobre condutores e isolantes. Para acessar, CLIQUE AQUI!

FORÇA FRACA

Decaimento beta nuclear, decaimento de pion, decaimento de muon, enfim, vários processos de decaimento radioativo de várias partículas consideradas "estranhas" são explicadas através da Força Fraca. Sua formulação, sua teoria, vem da Física Quântica e não da Física Clássica. O primeiro estudo sobre Força Fraca foi apresentada por Enrico Fermi, em 1933 e, posteriormente, aperfeiçoada por Yang, Lee, Feynman, Gell-Mann e outros físicos nos anos 1950.

Uma das propriedades intrínsecas das partículas elementares, a Flavordinâmica, é o nome dado ao modelo atual, também chamado de Teoria de Glashow-Weinberg-Salam, criado pelos físicos Sheldon Lee Glashow, Steven Weinberg e Abdus Salam. Na teoria da Flavordinâmica, a Força Fraca e Força Eletromagnética são apresentadas como manifestações da Força Eletrofraca, reduzindo assim, o número de forças elementares para três.

FORÇA FORTE

São forças de curta distância que ocorrem no núcleo dos átomos, as pequenas "pecinhas" que constituem a matéria. É a Força Forte que mantém o núcleo do átomo unido, sem que haja repulsão por parte dos Prótons e Nêutrons. Sem a força forte não haveria a formação dos átomos e, consequentemente não haveria a formação do Universo como conhecemos!

Um pioneiro no estudo das forças fortes foi o físico Hideki Yukawa, que lançou o primeiro estudo em 1934, mas, somente na década de 1970 que a cromodinâmica Quântica surgiu e os fenômenos nucleares puderam ser entendidos.

---

Vamos focar na mecânica que envolve a força gravitacional...

Vamos defini-la

A força, considerada uma grandeza vetorial que possui módulo (valor numérico), direção (vertical, horizontal, ...) e sentido (para frente, para os lados, para cima, ...) não possui uma definição exata, mas podemos entender o que gera as forças, os tipos de força e quantiza-la.

Existem dois tipos de força:

-> Força de contato: ocorre quando há contato físico entre dois corpos;

-> Força de campo: ocorre quando há uma perturbação, em forma de onda eletromagnética ou, por exemplo, a interação que faz os corpos e inclusive a Lua se manterem fixos neste Planeta.

De maneira geral, todo o esforço exercido possui componentes de tração e ou compressão, e que em algum grau podem gerar cisalhamento, torção e ou flexão.

Há uma relação entre força e movimento: a aplicação de um esforço sobre um corpo resultará em uma aceleração, isto é, a velocidade sofrerá alterações durante a aplicação do movimento, desta forma concluímos que quando um corpo se desloca com um Movimento Retilíneo Uniforme (MRU), não existem forças aplicadas sobre ele, pois a velocidade é constante. Se não há variação da velocidade, não há força resultante.

Um corpo pode ter duas formas de equilíbrio, e em ambas as forças aplicadas devem resultar em zero:

-> Equilíbrio estático: quando está em repouso e as forças atuantes resultam em zero. Um bom exemplo e um viaduto, que para se manter equilibrado há várias forças atuando, mas todas elas resultam em zero.

-> Equilíbrio dinâmico: quando está em movimento, com velocidade constante e as forças atuantes resultam em zero.

De acordo com a 2° Lei de Newton, a força resultante aplicada em um corpo é dada pela multiplicação da massa (kG) pela sua aceleração (m/s³). O resultado é dado em Newtons, unidade padrão do SI (Sistema Internacional de unidades) para força.

1 Newton é a força necessária para acelerar um corpo com massa de 1 kg a 1 m/s³.

CURIOSIDADE: Apesar da Gravidade ser uma das quatro forças fundamentais da natureza, ela pode não ser definida como "força", pois como foi dito trata-se da deformação do espaço-tempo causada por corpos massivos.

Aqui podemos fazer a distinção entre torque e pressão...

Torque

O torque, ou binário de forças, também conhecido como "momento de alavanca" ou "momento de forças", é uma grandeza vetorial da física associada às forças que produzam rotação em um corpo.

A unidade de medida grama (g) é a que nós utilizamos para quantizar a massa, porém, quando se trata de "gf" (grama-força) estamos quantizando a força gerada ou aplicada num sistema, sendo geralmente escrita "gf/m" (grama-força por metro).

Imagem 1 - Comprimento da alavanca x força aplicada

Imagine você apertando um parafuso com uma chave combinada. Você aplicará uma força em uma alavanca que possui um determinado comprimento. Multiplicando a força aplicada pelo comprimento da chave, obtemos o torque. É por isto que quanto mais comprida for a alavanca, menor precisa ser a força aplicada para se gerar o torque.

Observe a imagem abaixo:

Imagem 2 - Fragmento do manual de um FIAT Palio Attractive

No Brasil, o torque dos motores de combustão interna é comumente dado em kgf/m (ou kgm, como vemos no manual do Palio), porém, ele pode ser acompanhado do valor em Newton-metro (Nm). Se tratando do manual acima, temos estranhamente em "daNm" (decaNewton-metro). No entanto, por exemplo, para o motor 1.4 8v abastecido com gasolina temos 12,4 kgf/m, que equivale a 121,6 Nm.

Imagem 3 - Fragmento do manual de um Ford Focus MK1

Para o modelo 2.0 16v são 187 Nm de torque, ou seja, 19,06 Kgf/m.

Pressão

A Pressão nada mais é que uma grandeza escalar definida como o módulo da força aplicada dividida pela unidade de área:

A unidade de medida para pressão definida pelo SI é o Pascal (Pa), que equivale à aplicação de uma força de 1 Newton sobre uma área de 1 m³ (N/m³).

CURIOSIDADE: A definição de pressão é comumente utilizada para descrever a influência sobre o comportamento de fluidos, como gases e líquidos, porém, também é utilizada em testes de materiais, com valores de elasticidade e cisalhamento geralmente dados em Pascal.

Quanto menor for a área de contato entre dois corpos, maior será a pressão exercida, independentemente se aumentarmos ou diminuirmos a força aplicada, gerando mais chances de cisalhamento do material. Aqui também podemos fazer uso do gf/m³, kgf/m³, gf/cm³ e kgf/cm³.

Agora, veremos um apanhado de unidades de medida para força por unidade de área e suas equivalências...

Tabela 2 - As principais unidades de medida para força

De qualquer forma, vamos começar compreendendo a pressão atmosférica (abreviada por "pamb", onde "amb" significa ambiente), a pressão provavelmente mais importante para a vida na Terra. É criada pela massa da atmosfera que circunda a Terra até uma altitude de aproximadamente 500 km. Até esta altitude, na qual a pressão absoluta pabs = zero, sua magnitude diminui continuamente. Além disso, a pressão atmosférica está sujeita a flutuações dependentes do clima (a temperatura 'mais quente' ou 'mais fria' de cada dia), como é muito conhecido pelo relatório meteorológico diário. Ao nível do mar o pamb tem média de 1013,25 hectoPascal (hPa), correspondendo a 1 ATM. Com "ciclones" e "anticiclones", essa pressão varia cerca de 5 %.

O que é pressão absoluta?

A pressão de referência mais clara é a pressão zero (vácuo), que existe no espaço livre de ar do Universo. Uma pressão relacionada a esse valor de referência é conhecida como pressão absoluta. Isso significa que a pressão ambiente e, portanto, influências externas, como o clima ou a altura acima do nível do mar, não afetam a medição. Para fazer a diferenciação necessária de outros tipos de pressão o valor é denotado com o índice "abs", que é derivado do latim "absolutus", que significa "destacado", "independente".

Um bom exemplo é o sensor MAP, utilizado para medir a constante oscilação de pressão dentro do coletor de admissão nos motores de combustão interna modernos:

Imagem 4 - Sensor MAP no coletor de admissão de um motor Ford Duratec 2.0 16v, datado de 2006

O que é pressão de medida (pressão relativa)?

Se trata da diferença de pressão atmosférica, Pe (e = excedens, isto é, excedendo). É a diferença entre uma pressão de um sistema e a pressão atmosférica relevante (pe = pabs - pamb) e é conhecida, em suma, como 'pressão de bitola'. Um bom exemplo é o teste de pressão feito em tanques e vasos de armazenamento de líquidos e gases. O manômetro está em zero Pa na pressão atmosférica, e ao pressurizar o reservatório ele marca a diferença de pressão para o ambiente:

Imagem 5 - Manômetro marcando 30 kPa de pressão de ensaio hidrostático num tanque para transporte de combustíveis

Uma vez que o sensor não mede a diferença para o vácuo, mas sim para a pressão ambiente atual (pressão atmosférica), as medidas mudam devido a influências externas, como clima ou altitude acima do nível do mar. Uma pressão positiva é referida quando a pressão absoluta é maior do que a pressão atmosférica. No caso oposto, fala-se de pressão negativa.

CURIOSIDADE: Pegamos como exemplo a imagem anterior. Pois bem, todo tanque ou vaso precisa de uma válvula para controle de pressão interna. Caso a pressão interna suba num nível muito mais alto que a pressão ambiente, poderá ocorrer uma explosão.

Mas e se a pressão interna ficar negativa? Ocorrerá uma implosão, isto é, o tanque será esmagado pela pressão atmosférica. Um ponto crucial para determinar a pressão positiva e negativa suportada pelo equipamento dependerá da resistência física de sua estrutura, e é aí que entra o estudo de materiais e geometrias. Observe o pequeno vídeo abaixo:

Vídeo 1 - Como é visualmente a implosão de um cilindro

Agora vamos fazer um exercício mental: Imagine um cilindro destes no fundo do oceano e com alguns tripulantes em seu interior. Obviamente a pressão interna será menor e toda a água irá proporcionar dezenas e dezenas e dezenas de toneladas de força sobre a estrutura, ou seja, uma constante e gigantesca força de compressão. O design do submarino e a escolha dos materiais para sua fabricação serão cruciais para que não ocorra uma implosão catastrófica.

A pressão atmosférica, como dita anteriormente, é 1 ATM em nível do mar, e isso equivale a 101,325 kPA. Já o sistema pneumático de um caminhão (para freios, suspensão e alguns mecânismos de carga e descarga) opera entre 8 e 10 bar, isto é, na faixa dos 8,16 ~ 10,19 kgf/cm³, ou seja, entre 8 e 10 MPa acima da pressão atmosférica:

Imagem 6 - A pressão so sistema pneumático dos caminhões

Observe a próxima figura:

Imagem 7 - Fragmento do manual de um FIAT Palio Attractive

Em geral os pneus dos carros de passeiro precisam ser calibrados com cerca de 30 'libras' (PSI) acima da pressão atmosférica. Como vemos na imagem, com carga média é necessário 28 PSI, o que dá 193,05 kPa, ou então 1,968 kGf/cm³.

---

Mas e o Peso?

O peso, em termos leigos pode ser chamado de "força invisível que atrai os corpos para a Terra".

O peso varia de acordo com a gravidade do planeta, já a massa não! A quantidade de matéria presente em um corpo é a mesma em qualquer lugar!

Mas como faz para calcular o peso? Simples: multiplica-se a massa pela gravidade! O resultado é dado em Newtons. Perceba que que utilizamos apenas a 2° Lei de Newton.

Quando subimos na balança para nos 'pesar', não estamos medindo o peso do corpo, mas sim a massa dele. Você pesa menos na linha do Equador devido ao formato não esférico do nosso planeta. Em outros planetas, você poderia pesar mais ou até mesmo menos do que o seu peso na Terra, isto porque a gravidade em cada Planeta é diferente. Até mesmo em nosso satélite natural, a Lua, o campo gravitacional é diferente.

Veja a tabela abaixo, com o valor de gravidade de cada planeta:

Tabela 3 - Lembrando que os valores para gravidade são dados em m/s³.

Força Peso e Força Normal

A 3° lei de Newton é conhecida como lei da ação e reação e deixa explicito que para haver uma força (reação) deve haver outra (ação), pois nenhuma força consegue agir sozinha, isto é, as forças sempre atuam em pares. Mas o que isso tem a ver com a força peso e a força normal? Nada!

Imagem 8 - A força peso simbolizamos com a letra "P", e a força normal simbolizamos com a letra "N"

A força é um vetor, e por isso possui módulo (isto é, intensidade da força), direção (ou seja, reta ao longo da qual a força atua) e sentido (lado da reta em que a força foi exercida). Adicione uma seta em cima da letra "P" e "N" para indicar que são vetores.

É bom que fique claro que P é a força de atração entre um corpo e a superfície, e N é a força que a superfície faz para sustentar o objeto. A força normal e a força peso atuam sobre o mesmo objeto e não se encaixam na 3° lei de Newton, pois a ação e reação devem ocorrer em corpos diferentes, além do mais, quando um objeto está sobre uma superfície, P e N se anulam.

Imagem 9 - O comportamento de P e N

A força normal é sempre perpendicular (em Geometria, a palavra normal é sinônimo de perpendicular) à superfície onde o corpo foi colocado. Observe que, no desenho acima, a força normal (N) está representada no eixo y.

Para calcular N em um plano inclinado, utilize a seguinte fórmula:

Para calcular a força normal em uma superfície horizontal você pode usar a 2° lei de Newton.

Para que haja a força normal, um corpo precisa estar em contato com uma superfície. A superfície faz uma força "para cima" que impede que o corpo depositado sobre ela a atravesse pela força peso.

"Mas como que a superfície sabe a força necessária?"

A resistência do material utilizado na superfície é que definirá sua resistência à força normal. Por exemplo, uma mesa de plástico pode envergar (devido ao material em quastão ter uma certa elasticidade) e até quebrar caso um corpo com uma massa muito grande, acima do limite suportado pelo plástico for depositado sobre ela. Em algum momento um excesso de N fará o plástico se romper.

Imagem 10

A tal força normal nada mais é que as tensões de tração e compressão, que por sua vez geram esforços de flexão, torção e de corte, isto é, três diferentes tipos de cisalhamento.

Aqui entramos no estudo das propriedades dos materiais!

Por exemplo, uma bucha de borracha da suspensão de um veículo aguenta sucessivos esforços de tração e compressão, absorvendo impactos e vibração...

Imagem 11 - Coxim da cabine de um Volvo VM

A cabine dos caminhões possui quatro pontos de apoio no chassi, e no caso da imagem acima, os dois pontos de trás possuem apenas coxins de borracha natural (>NR<). O balanço da cabine pra cima e para baixo ao passar por irregularidades na estrada fará com que as borrachas sofram constantes esforços de compressão e tração, e como são elásticas, dissiparão a trepidação. Como a cabine não se desloca para os lados, não há preenchimento com elastômero na linha horizontal das buchas.

Agora aprecie a próxima imagem:

Imagem 12 - Perceba a leve curvatura do chassi, já repleto de "costuras" de solda

Na imagem acima vemos parte do chassi de um semi-reboque dianteiro de um bitrem de sete eixos. Perceba que esforços de compressão sobre ele o flexionaram, geraram fissuras e até uma leve deformação plástica da longarina, feita de aço-liga. Sobre este chassi há um tanque para transporte de líquidos, ou seja, uma carga dinâmica (que se movimenta constantemente no reservatório) devido às acelerações e frenagens, subidas e descidas e irregularidades da estrada.

Agora que trouxemos esta pequena introdução e ligação entre mecânica e materiais, você pode continuar a leitura deste tópico no artigo "Excepcional - Propriedades Mecânicas dos materiais". Para isso, basta CLICAR AQUI!

Baricentro

O baricentro, ou centro de gravidade, é o ponto de encontro das medianas. Pode ser dito como o ponto de distribuição homogêneo de massa ao redor de si, ponto onde se situa a força peso que sozinho substitui o peso distribuído em cada porção da matéria. O centro de gravidade é o local onde pode ser aplicado a força da gravidade equivalente em todo o corpo. No caso do baricentro resultar de um campo gravítico uniforme, o centro de gravidade é coincidente com o centro de massa.

---

Inércia

Um corpo parado em algum lugar tende a ficar parado caso nenhuma força externa seja aplicada a ele. Já um corpo em movimento tende a permanecer em movimento após uma força tira-lo do lugar. A inércia é a tendência de um corpo em manter seu estado inicial, de repouso, ou seu estado final, de movimento.

O estado inicial, isto é, um corpo parado, imóvel, só pode ser alterado se uma força for aplicada à ele (uma força externa), já o estado final de movimento é quando a força já foi aplicada e o objeto tende a se mover e manter o estado de movimento, parando apenas por questões de atrito ou por uma outra força externa maior.

A Terra mantém seu movimento sobre si (um movimento de rotação), que é inercial. Se a Terra parasse seu movimento de rotação neste exato momento, todos os corpos presentes no planeta tenderiam a continuar o movimento e seriam ejetados para o espaço! Sim, a força de ejeção seria várias e várias vezes maior que a força da gravidade que nos segura aqui na superfície!

Um automóvel, ao colidir numa parede, por exemplo, é parado instantaneamente, enquanto que os passageiros tendem a manter o movimento e serem ejetados para fora. Por este motivo que o cinto de segurança é uma ótima invenção!

---

Atrito

Quando duas superfícies entram em contato, ocorre o atrito. O atrito pode ser dito como a resistência encontrada por um corpo ao se mover sobre outro.

Imagem 13 - Perceba que mesmo havendo graxa no prato da quinta-roda, há desgaste pelo longo tempo de contato com a mesa do semi-reboque

Este atrito gera energia! No caso da imagem acima, o atrito pode gerar eletricidade estática.

Para saber mais sobre eletrostática e as formas de eletrização, CLIQUE AQUI!

Quando esfregamos as mãos uma na outra podemos sentir a mão esquentar, e isto é energia térmica sendo gerada através do atrito!

Observe que o atrito não é uma propriedade dos corpos, mas sim uma resposta do sistema!

Complemento 1

Existem dois tipos de atrito:

→ Atrito seco: também conhecido como "Atrito de Coulomb", este tipo descreve a componente tangencial da força de contato entre duas superfícies de corpos que se movem um em direção oposta ao outro, isto é, quando dois corpos "se esfregam".

→ Atrito fluído: quando entre duas superfícies há um fluído lubrificante, que as separam. Esta película de fluído formada entre as superfícies se movimenta através de um regime chamado de "laminar", sem turbulência. Em sistemas mecânicos, é comum a aplicação de fluídos lubrificantes para evitar que a fricção entre os componentes cause um desgaste repentino.

A força de atrito (Fat) deve ser calculada levando-se em conta a força normal, dada em Newtons (N) e o coeficiente de fricção (μ) da superfície em questão. Este coeficiente é um valor adimensional (não possui unidade de medida) e quanto maior fôr, maior será a resistência gerada pela determinada superfície. A fórmula para se calcular a força de atrito é simples: basta multiplicar a força normal pelo coeficiente.

Lembrando que, para se calcular a força normal, que é dada em Newtons (N), nem sempre utilizamos a fórmula "massa x aceleração", pois podem haver forças adicionais!

Quando se aplica uma força para mover um objeto e ele não sai do lugar, é porque a força externa aplicada é mais baixa que a de atrito, então não se consegue vence-la. A força necessária para iniciar o movimento é chamada de atrito estático.

Quando aplicamos uma força maior e vencemos o atrito estático conseguimos mover o objeto, mas devemos manter esta força aplicada constantemente para que o objeto continue se movendo. A fricção não deixa de existir após isso, apenas a força externa aplicada a supera. O esforço necessário para manter o movimento relativo é chamado de atrito dinâmico.

A fricção estática pode ser maior ou igual a força de atrito dinâmico. Observe o gráfico abaixo:

Gráfico 1

Em algumas aplicações, convém medir o dito coeficiente através do teste do plano inclinado.

Imagem 14

Ao medir o atrito, chegamos ao consenso de que seu coeficiente (µ) é igual ao ângulo θ.

OBSERVAÇÃO: o símbolo que representa a Força normal é o "W". A Força normal tem como unidade de medida o Newton (N).

A força de atrito pode ser dada por uma alteração na fórmula acima:

Onde:

> μ: Coeficiente de atrito ou magnitude da força tangencial;

> Fat: Força de atrito;

> W: Força normal (dada em Newtons);

O coeficiente pode ser um valor entre 0,001 e 10, e para materiais mais comuns deslizando ao ar o μ representa uma faixa estreita entre 0,1 e 1.

Quando caminhamos, empurramos o chão para trás e o atrito entre o calçado (ou os pés, caso esteja de pés descalços) é o que nos empurra para frente. Se o chão é bastante liso, a falta de atrito provoca os deslizes, escorregões.

Em muitos automóveis, as rodas da frente movimentam o carro (pois estão ligadas ao conjunto mecânico motriz), portanto, elas "empurram o chão para trás" e as rodas traseiras são "empurradas pelo chão". Em veículos com tração nas rodas traseiras, ocorre o contrário, e em veículos com tração nas 4 rodas, todas "empurram o chão para trás". Observe a imagem abaixo:

Imagem 15

O coeficiente de atrito 'cai lá embaixo' quando a pista está molhada, pois se forma uma lâmina d'água na superfície do asfalto causando aquaplanagem.

Para obter alguns exemplos práticos de situações onde o atrito é benéfico e não benéfico, CLIQUE AQUI!

Massa

Massa é a quantidade de matéria que constitui um corpo. A inércia de um corpo depende da massa.

Um determinado caminhão possui uma massa em torno 50 Toneladas. Concorda comigo que será muito mais difícil colocar este veículo em movimento e também será muito mais difícil para-lo, se comparado com um carro de passeio, por exemplo?

Isso é decorrente da massa deste veículo de carga ser muuuito mais elevada que a de um veículo de passeio, fazendo com que seja mais difícil de tira-lo do lugar (inércia) e coloca-lo em movimento e, consequentemente, sendo mais difícil para-lo, isto é, finalizar a inércia do movimento. Grave isso: quanto maior a massa de um corpo maior é a inércia!

Por este motivo que a massa é a medida quantitativa da inércia!

OBSERVAÇÃO: Lembrando que a massa é quantizada em kg (kilograma) e não tem nada a ver com o peso.

Para calcular a massa utilizamos a fórmula:

Onde:

> M : Massa, em gramas;

> V : Volume do corpo a ser calculado;

> d : Densidade do corpo a ser calculado.

Os conceitos de densidade e volume você verá nos próximos tópicos.

Outra fórmula que pode ser utilizada é a exibida abaixo:

Onde:

> M : Massa, em kiloGramas;

> F : Força, dada em Newtons;

> a ; Aceleração, em m/s³.

Note que esta fórmula está relacionada com a 2° Lei de Newton.

Centro de massa

O centro de massa se refere a distribuição das massas em um corpo ou em um sistema de corpos, isto pois ele não precisa estar necessariamente em um corpo, já que depende de seu formato, podendo se situar também fora dele (assim como o baricentro). O centro de massa nada mais é que o ponto que se comporta como se toda a massa do objeto estivesse concentrado sobre ele. Quando um objeto é homogêneo, o centro de massa coincide com o seu centro geométrico.

Geralmente veículos elétricos possuem o pack de baterias debaixo do piso do habitáculo, pois é uma peça massuda e acaba por baixar o centro de massa e de gravidade do veículo, melhorando sua estabilidade. Veículos altos e não tão largos tem, comumente, o centro de massa um tanto elevado e uma estabilidade ruim, como é o caso do famigerado Effa M100 ou das picapes Mahindra vendidas no Brasil.

Imagem 16 - A apenas 55 km/h, as rodas “descolam” do chão e o carro torna-se quase incontrolável (Christian Castanho/Quatro Rodas)

Artimanhas mecânicas, como por exemplo barras estabilizadoras melhoram (porém, não fazem milagres) a estabilidade de nossos automóveis modernos.

---

Volume

O volume é considerado o espaço ocupado por um corpo sólido geométrico. Medimos o volume em metros cúbicos (m²) ou centímetros cúbicos (cm²). Líquidos também possuem volume, que é medido em litros.

-> 1 m² = 1000 litros;

-> 1 cm² = 1 mililitro (ml)

-> 1 litro = 1000 cm².

O aumento de temperatura provoca a dilatação de matéria, gerando um aumento de volume. Essa dilatação depende muito do material em questão e da temperatura atingida. Se levarmos em conta, por exemplo, o sistema de arrefecimento dos motores de combustão interna modernos, todos eles precisam de um vaso de expansão, pois na temperatura normal de trabalho o líquido de arrefecimento ocupa mais espaço do que quando o motor está frio...

Imagem 17 - Note que há as incrições "MAX" e "MIN" na superfície da parede do vaso

E a composição química do vaso de expansão também precisa de um coeficinete de dilatação apropriado para a aplicação.

Imagem 18 - Os motores possuem centenas de peças confeccionadas com os mais diversos materiais, então a dilatação deve ser rigorosamente levada em conta no projeto

CURIOSIDADE: Para saber mais sobre a composição química de muitas peças automotivas, CLIQUE AQUI! e CLIQUE AQUI!

Imagine duas peças aparafusadas uma na outra, isto é, pressionadas uma contra a outra. Tanto o torque aplicado nos parafusos quanto o coeficiente de dilatação dos componentes devem ser levados em conta, pois a exposição ao calor provocará um aumento no volume nos materiais, e se eles não tiverem para onde expandir poderão se deformar ou até mesmo trincar.

Centroide

Centroide é o centro geométrico de um determinado corpo. O centro de massa se refere a distribuição das massas, já a centroide se refere ao centro de distribuição de volume. Se a forma geométrica de um corpo for homogênea, a centroide coincidirá com o centro de massa.

---

Densidade

A densidade é a relação entre a massa de um corpo e o volume ocupado por ele. É a quantidade de matéria que está presente em uma unidade de volume. Tanto para sólidos quanto para líquidos a densidade é expressa pela unidade g/cm² (gramas por centímetro cúbico).

Para calcular a densidade utilizamos a seguinte fórmula matemática:

Onde:

> d : Densidade do corpo, em g/cm²;

> M : Massa do corpo, em gramas;

> V : Volume do corpo, em cm².

A diferença entre densidade absoluta e relativa é que, na densidade absoluta calculamos a real densidade de um corpo, já a densidade relativa comparamos a densidade absoluta de um corpo com a de densidade absoluta de outro. A fórmula para calcular a densidade relativa é dada abaixo:

Onde:

> dr : Densidade relativa;

> d1 : Densidade do primeiro corpo;

> d2 : Densidade do segundo corpo.

A densidade varia de acordo coma temperatura e, no caso de uma mistura, varia de acordo com as quantidades das substâncias envolvidas.

Por exemplo, a densidade da água em condições normais (ambientais) é de 1,00 g/cm², ou seja, em 1 mL ou 1 cm² há 1 g de água.

O gelo flutua na água pois ele é menos denso! Ao se formar gelo (abaixo de 0° C) a água assume uma densidade menor (0,92 g/cm²) do que no estado líquido.

A densidade do álcool em condições normais é de 0,79 g/cm², o que faria um cubo de gelo afundar.

Quando se trata do óleo diesel, a densidade é de 850 g/L, enquanto a da gasolina é de 720 g/L (a temperatura costuma ser de 16 ºC). Já o Etanol possuii densidade de 789 g/cm² (puro e em torno de 25 °C).

CURIOSIDADE: Saber qual é a densidade do óleo diesel se faz necessária, porque o valor indica qual é o atraso que existe entre o período em que o combustível é injetado até que a combustão aconteça e a energia que é gerada por unidade de massa. Sendo assim, quanto maior for a densidade do óleo, maior será a "presença da energia".

Abaixo, uma lista com a densidade de alguns materiais:

Tabela 4

Aceleração

Aceleração é a taxa de variação da velocidade em relação ao tempo, isto é, a rapidez com que a velocidade de um corpo está variando. Assim como a força, a aceleração também é uma grandeza vetorial, ou seja, possui módulo, direção e sentido.

A aceleração é medida em metros por segundo ao quadrado, abreviado por m/s³. Por exemplo, se um objeto tem uma aceleração de 22 m/s³, significa que ele vai ter sua taxa de deslocamento aumentada em 22 metros a cada segundo.

Quando o valor da aceleração é positivo, significa um aumento da velocidade com o passar do tempo, já quando a aceleração é um valor negativo, significa que houve uma diminuição da velocidade em relação ao tempo, fazendo com que o deslocamento seja reconhecido como Movimento Retardado.

No Movimento Retilíneo Uniforme (MRU), a aceleração é igual a zero, pois a velocidade é sempre constante.

Já no Movimento Retilíneo Uniformemente Variado (MRUV), há aceleração constante. Ela é determinada pela seguinte fórmula:

Onde:

> Am = Aceleração média, em m/s³;

> ΔV = variação da velocidade dada pela velocidade final (V2) menos a velocidade inicial (V1);

> Δt = intervalo de tempo em que ocorre a variação da velocidade, dado por T2 - T1.

Lembra da Força da Gravidade, explicada anteriormente? Em cada planeta há uma taxa diferente. No planeta Terra, a aceleração da gravidade é aproximadamente 9,8 m/s³. Este valor é calculado com base na massa do planeta e no quadrado da distância entre o corpo e superfície da Terra.

---

Velocidade

Velocidade é a grandeza que serve para medir o quão rápido um corpo se desloca. Também é considerada uma grandeza vetorial, todavia, deve ser utilizado apenas o valor numérico (grandeza escalar) caso a velocidade seja unidimensional (em apenas uma direção).

A unidade de medida padrão para velocidade é m/s, só que também é utilizada unidade kM/h (kiloMetros por hora). As fórmulas para conversão de valores nestas unidades são dadas abaixo.

Para converter m/s em Km/h:

Para converter Km/h em m/s:

Mas, porque é utilizada a constante 3,6?

Porque 1 hora é igual a 3,600 segundos e 1 Km é igual a 1000 metros. Veja o exemplo abaixo: será convertido 22 Km/h para m/s:

É interessante lembrar que a velocidade também pode existir no âmbito rotacional, e neste caso podemos utilizar o RPM, que indica a quantidade de revoluções a cada minuto.

CURIOSIDADE: Na física, revolução é o movimento circular em torno de um eixo fixo, sendo que o objeto em questão volta ou passa pela sua posição inicial. Em outras palavras, se trata da rotação!

Observe este painel:

Imagem 19 - Painel de instrumentos de um Scania 113H

Note os dois manômetros maiores:

→ O que marca o RPM possui a graduação "0, 5, 10, 15, 20, 25 e 30" (que devem ser multiplicados por 100 para se obter o valor de rotação);

→ O que marca a velocidade do veículo é aquele com a graduação "0, 20, 40, 60, 80, 100 e 120".

---

Deslocamento

Deslocamento é a mudança de posição de um corpo, a movimentação de um corpo. Para isso, levamos em conta um referencial. O deslocamento também é considerado uma grandeza vetorial e é representado por uma linha com uma seta que aponta da posição inicial para a final.

Utilizamos o plano cartesiano para definir o deslocamento, portanto definimos a variável "x" para a horizontal e a variável "y" para a vertical, então o valor de deslocamento pode ser positivo ou negativo dependendo da direção do deslocamento. A variável "z" é utilizada apenas em casos específicos pois, não é tãaaao necessário o plano cartesiano 3D para se verificar o deslocamento.

O deslocamento é dado pela equação abaixo:

Onde:

> Xf: posição final;

> x0: posição inicial;

> Δx: deslocamento.

Se a posição inicial de um corpo em relação a determinado referencial é de 2,5 metros e a posição final deste mesmo corpo em relação ao mesmo referencial é 5 metros, então o deslocamento será 5,0 - 2,5 = 2,5 metros, ou seja, este corpo se deslocou 2,5 metros.

É bom não confundir a distância com a distância percorrida por um corpo:

→ Distância: pode ser chamada de magnitude ou tamanho do deslocamento. No exemplo acima, o tamanho do deslocamento entre o ponto inicial, 2,5 m, e o ponto final, 5 m, é de 2,5 m.

→ Distância percorrida: não é um vetor, portanto não tem sinal negativo. Veja o diagrama abaixo:

Gráfico 2

Qual a distância percorrida na linha "b"?

Perceba que a linha "b" tem uma posição inicial em 2, uma dobra em 12, uma dobra em 8 e a posição final em 12. O deslocamento é do valor 2 ao 12, ou seja:

12 - 2 = 10

O deslocamento entre a posição inicial e a posição final é 10;

A distância entre a posição inicial e a posição final é 10;

A distancia percorrida entre 2 e 12 foi de:

10 + 2 + 2 = 14

Qual a distância percorrida pela linha "a"?

Perceba que a linha "a" tem uma posição inicial em 6 e a posição final em 14. O deslocamento é do valor 6 ao 14, ou seja:

14 - 6 = 8

O deslocamento entre a posição inicial e a posição final é 8;

A distância entre a posição inicial e a posição final é 8;

A distancia percorrida entre 6 e 14 foi 8 também.

Um último exemplo para finalizar: se você se deslocar de um lado para o outro de um ambiente com 5 metros de comprimento por 4 vezes, você terá percorrido uma distância de 20 metros. Resumindo: a distância percorrida é quanto um corpo foi movimentado dentro de um espaço.

Gostou do artigo? Achou algum problema? Ficou com dúvidas? Entre em contato com Hardware Central pelo Facebook ou pelo e-mail hardwarecentrallr@gmail.com.

Quer saber mais sobre atrito? Veja este PDF do departamento de engenharia mecânica da Universidade do Estado de Santa Catarina!

Quer ver mais alguns coeficientes de atrito? Veja este PDF com o μ para vários materiais!

Não se esqueça de curtir e compartilhar nas redes sociais!

---

FONTES e CRÉDITOS

Texto, tabelas e imagens: Leonardo Ritter

Fontes: WikiHow; Info Escola; Mundo Educação; Universidade Federal do Rio Grande do Sul; Brasil Escola; Guia do Estudante; Toda Matéria; Engenharia Livre, GizModo.

Última atualização: 06 de Julho de 2023.