DEFINIÇÃO DE FORÇA

Uma força é uma acção física de carácter vectorial responsável pelas mudanças do estado de movimento dos corpos. Aristóteles foi o primeiro a utilizar este termo, embora na sua opinião as forças não provocassem o movimento, pois considerava que os corpos tendiam para o repouso. Isaac Newton deu, no século XVII, uma explicação teórica do movimento. Segundo a sua teoria, os corpos em movimento tendem a permanecer nesse estado, sendo este alterado pela acção de forças.

Newton postulou nas suas leis que as forças são proporcionais às acelerações, com uma constante de proporcionalidade que é a massa (Lei de Newton). Na física moderna, as leis de Newton mantêm-se perfeitamente válidas para o estudo dos movimentos dos corpos macroscópicos, pelo que o conceito de força é um dos conceitos fundamentais sobre os quais repousa a Física actual. As forças são grandezas vectoriais, isto é, além de possuírem um dado valor numérico (intensidade), têm também uma direcção, um sentido e um ponto de aplicação, pelo que se várias forças actuam simultaneamente sobre um corpo é necessário aplicar as regras da soma de vectores para determinar a resultante total que actua no sistema.

Se esta resultante for nula, diz-se que as forças estão equilibradas e, em consequência, o corpo permanecerá em repouso ou manterá o seu anterior estado de movimento. Se a resultante for não nula, o movimento do corpo ver-se-á acelerado na mesma direcção e sentido da força resultante.Se os corpos não puderem ser considerados pontuais, quando a força resultante não se aplicar no centro de massa do corpo, dará também lugar ao aparecimento de um movimento de rotação.

A medição das forças realiza-se por medição das deformações que produzem num corpo elástico ou por medição directa das acelerações que provocam num corpo. Este último método terá sempre uma probabilidade de erro maior devido aos atritos que travam os corpos e que estão sempre presentes em todas as experiências. As unidades em que classicamente se medem as forças são: no sistema internacional (SI), o newton (N); no sistema CGS o dyne (dyn) = 10-5 N; e no terrestre o kilopôndio (Kp) = 9,80655 N.Como exemplo de forças salientam-se, entre muitas outras: força de impulsão, força central, força centrífuga, força centrípeta, força conservativa, força de Coriolis, força de inércia e força de atrito.

PARTÍCULA MATERIAL SUJEITA A FORÇAS DE LIGAÇÃO

Além de forças aplicadas como a muscular, a gravítica e a eléctrica, podem actuar, numa partícula material, forças de ligação que lhe restringem o movimento (tensões de fios, reacções de superfícies). As forças de ligação caracterizam-se por tomarem valores sempre dependentes das forças aplicadas, enquanto estas as­sumem valores que não dependem da acção das outras. Os valores das forças de ligação, que a priori são desconhecidos, podem ser determinados com base nos valores da forças aplicadas e no conhecimento do estado cinético da partícula.

Para aplicar as Leis de Newton, devemos aten­der aos seguintes procedimentos:

1.° Identificar a partícula cujo movimento se pretende estudar.

2.° Verificar quais os corpos que, nas proximidades, exercem forças aplicadas e forças de ligação sobre a partícula em estudo.

3.° Escolher um referencial com dois eixos, um tangente e outro nor­mal à trajectória.

4.° Construir o diagrama de corpo livre da partícula em estudo, mos­trando o referencial e todas as forças que actuam. Se intervier mais do que uma partícula, faz-se um diagrama independente para cada uma delas.

5.° Projectar, nos eixos do referencial escolhido, todas as forças que não tenham as direcções desses eixos.

6.° Utilizar a equação vectorial , na forma:

Para isso é necessário calcular a resultante das forças segundo a tangente à trajectória, Ft, e aplicar . Se Ft = 0, também at, = 0 (movimento uniforme); se  (movimento variado).

Quanto à resultante segundo a normal à trajectória, Fc, aplica-se . Se Fc, = 0, também ac = 0 (trajectória rectilínea); se , também  (trajectória curvilínea).

MOVIMENTO DE UMA PARTÍCULA MATERIAL SUJEITA A FORÇAS DE ATRITO

As forças de atrito são muito importantes na vida diária. Por um lado, provocam desgaste nas peças móveis das máquinas e são responsáveis pelo aumento de energia interna (as peças aquecem). Por outro lado, sem atrito não haveria transmissão do movimento por correias, não poderíamos caminhar, nem segurar uma caneta, nem escrever; até uma agitação do ar poria, em nossas casas, as mobílias em movimento.

Consideremos um bloco assente numa superfície horizontal. Apliquemos uma força horizontal  (figura)que não seja suficiente para o bloco deslizar (figura) . Se o bloco não desliza, é porque nele actua uma força  de sentido contrário a  e com a mesma intensidade, a que se chama força de atrito, . Aumentando a intensidade de , verifica-se que, para um determinado valor, o bloco começa a deslizar (figura). Mantendo a força , o bloco acelera (figura) mas, se ela for diminuída, é possível manter o bloco com movimento uniforme (figura).

Portanto, mesmo quando não há movimento do bloco em relação à superfície horizontal, existe força de atrito,  chamado força de atrito estático, esta força atinge o valor máximo no instante do arranque do bloco e chama-se força máxima de atrito estático ou força de atrito de arranque, . No arranque, . Depois de iniciado o movimento, a força de atrito em geral diminui e designa-se por força de atrito cinético.

 Em resumo, força de atrito:

·         Existe sempre que um corpo se move ou tende a mover-se sobre outro,

·         É paralela à superfície de contacto, tratando-se portanto de uma reacção tangencial (figura),

·         Tem, em cada um dos corpos, sentido oposto ao do seu movimento em relação ao outro corpo.

LEIS DO ATRITO

O atrito que temos vindo a estudar, atrito de escorregamento, obedece a leis impíricas, descobertas experimentalmente por Leonardo de Vinci. Mais tarde, Coulomb (1736-1806), após trabalhos experimentais sobre atrito, estabeleceu a diferença entre atrito estático e atrito cinético.

Assim, entre duas superfícies (não lubrificadas), verifica-se:

Primeira Lei: a força de atrito não depende da área de contacto das superfícies;

Segunda Lei: (a) quando as duas superfícies estão em repouso relativo, intensidade da

          força máxima de atrito estático é directamente proporcional à intensidade

          da reacção normal;

(b) quando há movimento relativo das duas superfícies, a intensidade da

                      força de atrito cinético é directamente proporcional à intensidade da

          reacção normal e é independente da velocidade relativa das duas

          superfícies, se esta não for muito elevada.

Estas leis podem traduzir-se  pelas expressões:

As constantes de proporcionalidade, características de cada par de materiais, designam-se por coeficiente de atrito estático ( ) e coeficiente de atrito cinético ( ). Em geral, . (figura)

CÁLCULO DO COEFICIENTE DE ATRITO ESTÁTICO

Através da compreensão das forças que actuam nos corpos (figura) no momento em que estes se encontram na iminência de escorregar, podemos deduzir uma expressão que nos permite calcular o coeficiente de atrito estático dos corpos, em função do angulo de inclinação da placa de madeira. 

Como se pode verificar pela figura , as forças que actuam nos corpos são: a força gravítica (Fg), a força de atrito máxima (Famáx) e a reacção normal da superfície (Rn).