As primeiras fórmulas, experimentos e exercícios de Newton

O Primeira Lei de Newton, também conhecido como Lei de Intecia, Foi proposto pela primeira vez por Isaac Newton, físico, matemático, filósofo, teólogo, inventor e alquimista. Esta lei estabelece o seguinte: "Se um objeto não for submetido a nenhuma força, ou se as forças que agem nele forem canceladas uma para a outra, continuará se movendo com rapidez constante em uma linha reta."

Nesta declaração, a palavra -chave é continua. Se as premissas da lei forem cumpridas, o objeto continuará com seu movimento como tivesse. A menos que uma força desequilibrada apareça e mude o estado de movimento.

Explicação da primeira lei de Newton. Fonte: Self feito.

Isso significa que, se o objeto estiver em repouso, continuará em repouso, exceto se uma força o retirar desse estado. Isso também significa que, se um objeto estiver se movendo com uma velocidade fixa em uma direção reta, continuará a se mover dessa maneira. Só mudará quando um agente externo exercer uma força sobre ele e mudar sua velocidade.

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Antecedentes da lei

Isaac Newton nasceu em Woolshorpe Manor (Reino Unido) em 4 de janeiro de 1643 e morreu em Londres em 1727.

A data exata em que Sir Isaac Newton descobriu que suas três leis da dinâmica não são conhecidas com certeza, incluindo a primeira lei. Mas sabe -se que demorou muito antes da publicação do famoso livro Princípios matemáticos da filosofia natural, 5 de julho de 1687.

O dicionário da Academia Real Espanhola define a palavra inércia da seguinte forma:

"De propriedade dos corpos de manter seu status ou movimento de repouso, se não for para a ação de uma força".

Esse termo também é usado para afirmar que qualquer situação permanece inalterada porque nenhum esforço foi feito para alcançá -lo; portanto, às vezes a palavra inércia tem conotação ou negligência de rotina.

A visão pré -newtoniana

Antes de Newton, as idéias predominantes eram as do grande filósofo grego Aristóteles, que alegaram que, para um objeto permanecer em movimento, é necessário que uma força age nele. Quando a força cessar, o movimento também o fará. Não é assim, mas ainda hoje muitos pensam.

Galileu Galilei, um brilhante astrônomo e físico italiano que viveu entre 1564 e 1642, experimentou e analisou o movimento dos corpos.

Uma das observações de Galileu era que um corpo que desliza em uma superfície suave e polida com um certo impulso inicial leva mais tempo para parar e tem uma rota maior em uma linha reta, na medida em que o atrito entre o corpo e a superfície é menor.

É evidente que Galileu conseguiu a idéia de inércia, mas não formulou uma declaração tão precisa quanto Newton.

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Aqui estão alguns experimentos simples, que o leitor pode realizar e corroborar os resultados. As observações também serão analisadas de acordo com a visão aristotélica do movimento e visão newtonianos.

Experiências sobre inércia

Experiência 1

Uma caixa é promovida no chão e depois a força motriz é suspensa. Observamos que a caixa viaja uma pequena viagem até parar.

Vamos interpretar o experimento anterior e seu resultado, dentro da estrutura das teorias anteriores a Newton e depois de acordo com a primeira lei.

Na visão aristotélica, a explicação era muito clara: a caixa parou porque a força que se moveu foi suspensa.

Na visão newtoniana, a caixa no chão/piso não pode continuar se movendo com a velocidade que tinha no momento em que a força foi suspensa, porque entre o piso e a caixa existe uma força não balanced, o que faz com que a velocidade diminua até que o Paradas de caixa. Esta é a força de atrito.

Neste experimento, as instalações da primeira lei de Newton não são cumpridas, então a caixa parou.

Experiência 2 

Novamente é a caixa no chão/piso. Nesta ocasião, a força é mantida na caixa, para que a força de atrito compense ou equilibrada. Isso acontece quando temos a caixa para continuar constantemente e em uma direção direta.

Este experimento não contradiz a visão aristotélica do movimento: a caixa se move constantemente porque uma força é exercida nela.

Tampouco contradiz a abordagem de Newton, porque todas as forças que atuam na caixa são equilibradas. Vamos ver:

• Na direção horizontal, a força exercida na caixa é a mesma e de direção contrária à força de atrito entre a caixa e o piso.
• Então a força líquida na direção horizontal é zero, é por isso que a caixa mantém sua velocidade e direção.

Também na direção vertical, as forças são equilibradas, porque o peso da caixa que é uma força que aponta verticalmente para baixo é exatamente compensada pela força de contato (ou normal) que o solo exerce na caixa verticalmente para cima para cima.

A propósito, o peso da caixa se deve à atração gravitacional da terra.

Experiência 3

Continuamos com a caixa suportada no chão. Na direção vertical, as forças são equilibradas, isto é, que a força vertical líquida é zero. Certamente seria muito surpreendente se a caixa subisse.  Mas na direção horizontal, há força de atrito.

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Agora, para a premissa da primeira lei de Newton a ser cumprida, precisamos reduzir o atrito à sua expressão mínima. Isso pode ser alcançado bastante aproximadamente se procurarmos uma superfície muito lisa para a qual pulverizamos o óleo de silicone.

Como o óleo de silicone reduz o atrito quase zero; portanto, quando esta caixa é horizontalmente, ele manterá sua velocidade e direção em uma seção longa.

É o mesmo fenômeno que ocorre com um skatista em uma pista de gelo ou com o disco de hóquei no gelo quando eles são conduzidos e soltados por conta própria.

Nas situações descritas, nas quais o lixo.

Na visão aristotélica, isso não poderia acontecer, porque, de acordo com essa teoria ingênua, o movimento só ocorre quando há uma força líquida no objeto em movimento.

A superfície do gelo pode ser considerada com muito pouco atrito. Fonte: Pixabay.

Explicação da primeira lei de Newton

Inércia e massa

A massa é uma quantidade física que indica a quantidade de matéria que contém um corpo ou objeto.

A massa é então uma propriedade intrínseca da matéria. Mas a matéria é composta de átomos, que têm uma massa. A massa do átomo está concentrada no núcleo. São os prótons e nêutrons do núcleo que praticamente definem a massa do átomo e da matéria.

A massa é geralmente medida em quilogramas (kg), é a unidade básica do Sistema Internacional de Unidades (SI).

O protótipo ou referência de kg é um cilindro de platina e irídio que é armazenado no Escritório Internacional de Pesos e Medidas em Sèvres na França, embora em 2018 estivesse ligado à constante de Planck e a nova definição entra em vigor de 20 de maio de 2019.

Bem, acontece que a inércia e a massa estão relacionadas. Uma massa maior, maior inércia tem um objeto. É muito mais difícil ou caro em termos de energia mudar o estado de movimento de um mais maciço do que outro menos massivo.

Exemplo

Por exemplo, é necessário muito mais força e muito mais trabalho para levar uma caixa de uma tonelada (1000 kg) do resto do que outro um quilograma (1 kg). É por isso que geralmente é dito que o primeiro tem mais inércia do que o segundo.

Devido à relação entre inércia e massa, Newton percebeu que a velocidade não é representativa do estado de movimento. É por isso que ele definiu uma quantidade conhecida como quantidade de movimento qualquer momento que é indicado com a letra p E é o produto da massa m Para velocidade v:

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 p = m v

O ousado no p E no v Eles indicam que essas são quantidades físicas vetoriais, ou seja, são quantidades com magnitude, direção e significado.

Em vez disso, a massa m É uma quantidade escalar, que é atribuída um número que pode ser maior ou igual a zero, mas nunca negativo. Até o presente, um objeto de massa negativa não foi encontrado no universo conhecido.

Newton trouxe sua imaginação e abstração ao extremo, definindo a chamada Partícula livre. Uma partícula é um ponto de material. Isto é, é como um ponto matemático, mas com massa:

Uma partícula livre é aquela partícula que é tão isolada, tão longe de outro objeto no universo que nada pode exercer alguma interação ou força sobre ele.

Mais tarde, Newton passou a definir os sistemas de referência inerciais, que serão aqueles em que suas três leis são aplicadas. Aqui estão as definições de acordo com esses conceitos:

Sistema de referência inercial

Todo sistema de coordenadas ligado a uma partícula livre, ou que é transferido em velocidade constante em relação à partícula livre será um sistema de referência inercial.

Primeira lei de Newton (lei de inércia)

Se uma partícula for livre, ela terá uma quantidade constante de movimento em relação a um sistema de referência inercial.

A primeira lei de Newton e a quantidade de movimento. Fonte: Self feito.

Exercícios resolvidos

Exercício 1

Um álbum de hóquei é de 160 gramas na pista de gelo a 3 km/h. Encontre sua quantidade de movimento.

Solução

A massa do álbum em quilogramas é: M = 0.160 kg.

A velocidade em metros acima do segundo: v = (3/3.6) m/s = 0.8333 m/s

A quantidade de movimento ou momento p é calculada da seguinte forma: p = m*v = 0.1333 kg* m/s,

Exercício 2

O atrito no álbum anterior é considerado vazio, então o momento é preservado enquanto nada altera o curso reto do álbum. No entanto, sabe -se que duas forças agem no álbum: o peso do disco e a força de contato ou o normal que o piso exerce.

Calcule o valor da força normal em Newtons e sua direção.

Solução

À medida que o momento é preservado, a força resultante no álbum de hóquei deve ser zero. O peso aponta verticalmente para baixo e ok: p = m *g = 0.16 kg * 9.81 m/s²

A força normal deve necessariamente neutralizar o peso, para que deve se inscrever verticalmente para cima e sua magnitude será 1.57 n.

Artigos de interesse

Exemplos de direito de Newton na vida real.

Referências

1. Alonso m., Finn e. Volume da física I: mecânica. 1970. Fundo Educacional Inter -Americano.PARA.
2. Hewitt, p. Ciência física conceitual. QUINTA EDIÇÃO. Pearson. 67-74.
3. Jovem, Hugh. Física da Universidade com Física Moderna. 14ª ed. Pearson. 105 - 107.