A PRIMEIRA LEI DE NEWTON

Introdução

Os princípios básicos da dinâmica foram formulados por Galileu e por Newton. Sabemos todos por experiência que o movimento é afetado pela ação do que costumamos chamar de “forças”. Nossa idéia de força está diretamente ligada ao esforço muscular, e sabemos que exercendo “forças” deste tipo, somos capazes de colocar objetos em movimento ou, mais geralmente, alterar seu estado de movimento. A relação que existe entre uma força e a aceleração produzida por ela foi descoberta por Isaac Newton. O estudo dessa relação, da forma como foi apresentada por Newton, é chamado de “mecânica newtoniana”. Essa mecânica não pode ser aplicada em todas as situações. Se as velocidades dos corpos forem muito altas, comparáveis com a velocidade da luz, a mecânica newtoniana deve ser substituída pela teoria da relatividade restrita de Einstein, que é valida para qualquer velocidade. Se as dimensões dos corpos envolvidos são muito pequenas, da ordem das dimensões atômicas, a mecânica newtoniana deve ser substituída pela mecânica quântica. Mesmo assim, a mecânica de Newton pode ser aplicada ao estudo desde corpos muito pequenos até o movimento de galáxias. Isaac Newton nasceu em 04/ de janeiro de /1643 na cidade de Londres e foi um cientista inglês, mais reconhecido como físico e matemático, embora tenha sido também astrônomo, alquimista, filósofo natural e teólogo. Sua obra, Philosophiae Naturalis Principia Mathematica, é considerada uma das mais influentes em História da ciência. Publicada em 1687, esta obra descreve a lei da gravitação universal e as três leis de Newton, que fundamentaram a mecânica clássica. Ao demonstrar a consistência que havia entre o sistema por si idealizado e as leis de Kepler do movimento dos planetas, foi o primeiro a demonstrar que o movimento de objetos, tanto na Terra como em outros corpos celestes, são governados pelo mesmo conjunto de leis naturais. O poder unificador e profético de suas leis era centrado na revolução científica, no avanço do heliocentrismo e na difundida noção de que a investigação racional pode revelar o funcionamento mais intrínseco da natureza. Em uma pesquisa promovida pela instituição Royal Society, Newton foi considerado o cientista que causou maior impacto na história da ciência.

PRIMEIRA LEI DE NEWTON

Segundo Aristóteles, tanto para colocar um corpo em movimento, quanto para mantê-lo em movimento, é necessário a ação de uma força. Isto parece concordar com nossa experiência imediata de que um objeto deslizando sobre o solo, por exemplo, tende a parar se pararmos de empurrá-lo. Entretanto, um projétil como uma pedra ou uma flecha, continua em movimento depois de ter sido lançado. Aristóteles explicava isto afirmando que é o ar, “empurrado para os lados” pelo projétil, que se desloca para trás e produz a força que impulsiona. Logo, segundo ele, se a força que atua sobre um corpo é nula, o corpo permanecerá sempre em repouso. Em seus estudos, Galileu tentou imaginar uma situação em que uma esfera deslizasse em uma superfície totalmente plana e tão polida a ponto de praticamente tornar nulo o atrito entre a esfera e o plano e desprezando a resistência do ar. O movimento não seria nem acelerado e nem desacelerado: não havendo forças na direção horizontal, teríamos um movimento retilíneo uniforme. Ao contrario do que dizia Aristóteles, não há necessidade de forças para manter um movimento retilíneo uniforme: pelo contrario, uma aceleração nula está necessariamente associada à ausência de força resultante sobre a partícula. A situação imaginada por Galileu é muito difícil de realizar na pratica, na escala do laboratório. Podemos pensar nela como um caso limite. Em circunstancias em que procuramos minimizar o atrito, como na patinação no gelo, um impulso adquirido tende a persistir durante muito tempo. Em demonstrações de laboratório, costumam-se empregar discos de base bem polida, deslizando sobre uma camada de ar ou de gás carbônico (proveniente da evaporação do gelo seco) que escapa através dos orifícios, produzindo um “colchão de gás” sobre o qual o disco flutua, como um aero barco, tornando muito pequeno o efeito do atrito. Nessas condições, podemos verificar aproximadamente a Lei da Inércia. Se nenhuma força atua sobre um corpo, sua velocidade não pode mudar, ou seja, o corpo não pode sofrer uma aceleração. Em outras palavras, se o corpo está em movimento, continua com a mesma velocidade. É importante lembrar que a primeira lei não é válida para qualquer tipo de referencial, apenas quando tratamos de referenciais chamados de inerciais.

REFERENCIAIS INERCIAIS

São referenciais para os quais são válidas as Leis de Newton. A Terra não é um referencial inercial. Entretanto, o movimento de rotação da Terra em torno do eixo afeta muito pouco os movimentos usuais, na escala do laboratório, e na pratica empregamos o laboratório como sendo um referencial inercial, com boa aproximação. Por outro lado, um referencial ligado às estrelas fixas, é, com excelente aproximação, um referencial inercial. Decorre que um referencial em movimento retilíneo uniforme em relação um referencial inercial também é inercial (porque um corpo em repouso ou em movimento retilíneo uniforme em relação a um deles também estará em repouso ou em movimento retilíneo uniforme em relação ao outro). Pela primeira lei de Newton, a lei da inércia, se nenhuma força resultante sobre um corpo sua velocidade não pode mudar, ou seja, o corpo não pode sofrer uma aceleração. Sabemos que o corpo deve estar submetido a várias forças, mas se a uma força pode causar a aceleração de um corpo. Assim, definimos a unidade de força em termos da aceleração que uma força imprime a um corpo de referência que foi tomado como o quilograma-padrão. Uma força é medida pela aceleração que produz. Entretanto, a aceleração é uma grandeza vetorial, pois possui um módulo e uma orientação. Podemos facilmente atribuir uma orientação a uma força (basta atribuir-lhe a orientação da aceleração). Quando duas ou mais forças atuam sobre um mesmo corpo podemos calcular a força total, ou força resultante, somando vetorial mente as forças. Uma única força com módulo e a orientação da força resultante tem o mesmo efeito sobre um corpo que todas as forças agindo simultaneamente. Esse fato é chamado de principio da superposição para forças. Assim como acontece com outros vetores, uma força ou uma força resultante pode ter componentes em relação a um sistema de coordenadas. Quando as forças atuam apenas em uma orientação, possuem apenas uma componente. A massa é uma característica intrínseca de um