Na física, uma força é uma magnitude vetorial que expressa uma ação impressa em um objeto em estado de movimento ou repouso. Esta ação envolve uma mudança de velocidade, direção ou forma. Seu nome vem do latim fortia.
Pela definição de força, ela atua sobre um objeto que é capaz de modificar sua aceleração, ou seja, variar sua velocidade e trajetória. Uma força também pode causar a deformação de um objeto e uma mudança na pressão.
Além de sua magnitude e direção, uma força é determinada pelo ponto de aplicação onde atua sobre um corpo.
Se a soma de todas as forças que atuam em um corpo for zero, então o centro de massa não sofre aceleração. O corpo pode deformar-se sob a influência dessas forças. Por exemplo, o corpo pode esticar devido a duas forças opostas.
Unidades de medida
A força é medida em diferentes unidades de medida, sendo o newton (N) a principal unidade utilizada no Sistema Internacional de Unidades (SI). O newton é definido como a força necessária para fornecer uma aceleração de 1 metro por segundo ao quadrado a um objeto de massa de 1 quilograma.
Além do newton, existem outras unidades de medida de força que são utilizadas em diferentes contextos, algumas das quais incluem:
- Libra-força (lbf): É uma unidade de força comumente usada nos Estados Unidos e em países que seguem o sistema de unidades imperiais. É definida como a força necessária para acelerar uma massa de meio quilo a 32.174 pés por segundo quadrado.
- Quilograma-força (kgf) ou quilopond (kp): É uma unidade utilizada em alguns países, principalmente na Ásia. É definida como a força exercida pela gravidade sobre um objeto com massa de um quilograma.
- Dyne (dyn): É uma unidade de força do sistema CGS (centímetro-grama-segundo). Um dine é a força necessária para acelerar um grama a um centímetro por segundo quadrado.
Leis de Newton: a relação entre força, massa e aceleração
As leis de Newton são três leis fundamentais da mecânica clássica que descrevem como as forças afetam o movimento dos objetos.
Através das leis de Newton os conceitos de força, massa e aceleração estão relacionados.
-
Primeira lei de Newton (Lei da inércia): Esta lei afirma que um objeto em repouso tende a permanecer em repouso, e um objeto em movimento tende a manter seu movimento retilíneo uniforme, a menos que seja influenciado por uma força externa. Em outras palavras, um objeto não mudará seu estado de movimento a menos que uma força resultante atue sobre ele.
-
Segunda Lei de Newton (Lei da Força e Aceleração): Esta lei afirma que a aceleração de um objeto é diretamente proporcional à força resultante que atua sobre ele e inversamente proporcional à sua massa.
-
Terceira lei de Newton (Lei da ação e reação): Esta lei afirma que para cada ação, há uma reação de igual magnitude, mas na direção oposta. Ou seja, quando o objeto A exerce uma força sobre o objeto B, o objeto B exerce uma força de igual magnitude, mas na direção oposta, sobre o objeto A.
Tipos de forças
Existem vários tipos de forças na física. Abaixo estão alguns dos principais tipos considerados em física:
- Força gravitacional : É a força de atração mútua que existe entre dois objetos com massa. A força da gravidade é responsável pela queda dos objetos em direção à Terra e pela órbita dos planetas ao redor do Sol.
- Força centrípeta : É a força que atua sobre um objeto em movimento circular, direcionando-o para o centro da trajetória. Sua presença é essencial para manter os objetos em constante movimento circular.
- Força eletromagnética: É a força que atua entre partículas eletricamente carregadas. Essa força é responsável pela interação entre elétrons e prótons nos átomos, bem como por fenômenos eletromagnéticos como magnetismo e eletricidade.
- Força nuclear forte : É uma força extremamente poderosa que atua dentro do núcleo atômico. Esta força é responsável por manter os prótons e nêutrons juntos no núcleo, neutralizando a força eletromagnética de repulsão entre os prótons carregados positivamente.
- Força nuclear fraca: É uma força responsável por certos tipos de decaimentos radioativos. Está associado a interações entre partículas subatômicas e está envolvido em processos como o decaimento beta.
- Força de atrito: É a força que se opõe ao movimento relativo de duas superfícies em contato. O atrito pode ser estático (quando os objetos não estão em movimento), cinético (quando os objetos estão em movimento) ou fluido (quando um objeto está se movendo através de um fluido, como ar ou água).
- Força elástica: ocorre quando um objeto elástico, como uma mola, é esticado ou comprimido. Esta força é proporcional à deformação e tem direção oposta ao deslocamento e é definida pela lei de Hooke.
- Força de tração : É uma força interna que atua dentro de um objeto quando ele está sendo esticado ou puxado. Esta força se propaga por todo o objeto, mantendo sua integridade estrutural e resistindo à mudança de forma devido a forças externas que o esticam.
Relação com o trabalho
A aplicação de uma força pode envolver a realização de trabalho: trabalho é definido como a transferência de energia causada pela aplicação de uma força à distância.
Matematicamente, o trabalho (W) é calculado multiplicando a magnitude da força (F) pela distância percorrida na direção da força (d) e depois multiplicando-o pelo cosseno do ângulo (θ) entre a força e o direção da força.deslocamento. Isso é expresso como:
W = F * d * cos(θ)
O trabalho pode ser positivo, negativo ou zero, dependendo da relação entre força e deslocamento.
Diagramas de corpo livre
Diagramas de corpo livre são ferramentas usadas em física para analisar e visualizar as forças que atuam sobre um determinado objeto. Esses diagramas representam um objeto isolado, mostrando todas as forças que atuam sobre ele e sua direção relativa.
Este diagrama permite visualizar claramente as forças e analisar sua influência no movimento ou equilíbrio do objeto. Além disso, são úteis em diversos ramos da física, como a mecânica, para analisar o movimento de objetos, o equilíbrio de sistemas e a resolução de problemas de forças.