Imagine que você está sentado calmamente em uma cadeira ou em pé no chão. Mesmo que você não pense nisso, uma força está sendo produzida para que você não caia ou passe pelo chão ou pela cadeira.
Você já se perguntou por que, quando você deixa um objeto sobre uma mesa, ele não passa por ela e cai no chão? É aqui que uma força “especial” entra em ação na nossa vida diária: a força normal .
Na física, esta é uma das forças mais comuns e essenciais, mas muitas vezes passa despercebida. Não tem um nome muito cativante, mas sem ele nossas experiências diárias seriam muito diferentes.
A seguir explicarei o que é exatamente essa força, como funciona e por que é tão importante que as coisas, inclusive nós, permaneçam no lugar.
O que é força normal?
Definição
A força normal é a força de contato que uma superfície exerce sobre um objeto quando está apoiada nele. Essa força é gerada como reação a outras forças que atuam sobre o objeto, como seu peso devido à gravidade, e é responsável por o objeto não passar pela superfície ou afundar nela.
Em suma, esta força é a resposta da superfície que neutraliza as forças aplicadas ao objeto, mantendo-o em equilíbrio.
Explicação gráfica
Imagine que você está no chão ou sentado em uma cadeira. Em ambos os casos, você está apoiado em uma superfície, certo?
Bem, essa superfície está fazendo algo que não percebemos a olho nu: está empurrando-nos para cima para nos manter em equilíbrio. Esse impulso para cima é o que chamamos de força normal .
É uma força que atua perpendicularmente (em ângulos retos) à superfície sobre a qual um objeto está apoiado. Essa força é como a resposta da superfície ao peso do objeto que está sobre ela. E o mesmo acontece se deixarmos um livro sobre a mesa ou se pousarmos a mão na parede.
Unidades
A força normal , como qualquer outra força, é medida em Newton (N).
Um Newton é a unidade de medida padrão de força no Sistema Internacional de Unidades (SI) e é definido como a força necessária para acelerar uma massa de 1 quilograma a uma velocidade de 1 metro por segundo ao quadrado.
Um exemplo simples
Vou dar um exemplo que lhe parecerá familiar: imagine que você está em um parque, você se senta em um banco e percebe como o banco te apoia sem que você caia no chão. O que está acontecendo?
O banco está exercendo uma força ascendente, que é a força normal , para neutralizar a força descendente que a gravidade exerce sobre você, ou seja, o seu peso.
Então, quando você está sentado, há duas forças principais em jogo:
- Seu peso , que é a força que a gravidade exerce para baixo.
- A força normal , que é a resposta do banco empurrando para cima.
Essas duas forças se compensam e é por isso que você não cai no chão nem atravessa o banco. Então, basicamente, a força normal é responsável por nos impedir de afundar nas coisas!
Por que é chamado de "normal"?
A palavra “normal”, neste caso, não tem nada a ver com o que usamos diariamente (como quando dizemos “isso é normal” ou “isso é estranho”). Aqui, “normal” significa perpendicular .
É um termo matemático que usamos em física para nos referirmos a uma direção específica, que forma um ângulo de 90 graus com uma superfície.
Então, quando dizemos “força normal”, estamos falando de uma força que sempre aponta nessa direção, para fora e perpendicular à superfície .
Como exatamente isso funciona?
Agora que entendemos o básico, vamos nos aprofundar um pouco mais em como funciona a força normal. Esta força não tem um valor fixo . Não é que eu sempre empurre com a mesma intensidade. Seu valor depende de vários fatores, e um dos mais importantes é o peso do objeto .
Imagine que você deixa cair um livro sobre uma mesa. A força que o livro exerce sobre a mesa é o peso do livro, que é a força da gravidade puxando para baixo. Em resposta, a mesa exerce uma força ascendente, de magnitude igual ao peso.
Se o livro pesar 2 kg, a mesa empurrará com uma força para cima igual ao peso do livro. Mas se colocar mais livros em cima, a força exercida pela mesa (normal) terá que aumentar para continuar suportando o peso extra.
Deve-se levar em conta que se houver outras forças além do peso, estas também intervêm na força normal. Por exemplo, se empurrarmos o livro para baixo com a mão, a força normal será a soma do peso mais a força que exercemos para baixo.
Cálculo da força normal com fórmulas
Distinguimos dois casos especiais: quando o objeto está sobre uma superfície horizontal e quando está sobre um plano inclinado.
Cálculo em uma superfície horizontal
A fórmula básica para calcular a força normal, em situações onde o objeto está sobre uma superfície horizontal sem inclinações ou forças extras, é bastante simples:
Fn = m⋅g
Onde:
- m é a massa do objeto em quilogramas (kg).
- g é a aceleração da gravidade, que na Terra é de aproximadamente 9,8 m/s 2 .
Por exemplo, se você tiver um objeto que pesa 10 kg, seu peso seria:
Peso=10 kg⋅9,8 m/s 2 =98N
E a força normal também seria de 98 Newtons (N), porque a superfície tem que exercer uma força igual e oposta para manter o objeto em equilíbrio.
Cálculo em um plano inclinado
Agora vamos ver como é calculado quando um objeto está em um plano inclinado . Isso é um pouco mais complicado do que em uma superfície plana, porque nem toda a força do peso do objeto atua diretamente contra a superfície, pois parte dessa força está “deslizando” ao longo da encosta.
Quando você coloca um objeto em uma superfície inclinada (como uma rampa ou colina), seu peso ainda atua para baixo devido à gravidade, mas se divide em dois componentes:
- Um componente paralelo à superfície inclinada: Esta é a parte do peso que “empurra” o objeto para baixo ao longo da encosta, e é por isso que os objetos podem deslizar em uma rampa.
- Componente perpendicular à superfície inclinada: é a parte do peso que “pressiona” diretamente a rampa, e é isso que gera a força normal .
Vamos ver como é calculado neste caso.
Decomposição do peso em um plano inclinado
Para calcular a força normal num plano inclinado, a primeira coisa que temos que fazer é decompor a força da gravidade nestas duas partes que mencionei antes: uma paralela e outra perpendicular.
Se o ângulo de inclinação da rampa for θ (o ângulo entre a superfície inclinada e o terreno plano), podemos usar a trigonometria para calcular cada um desses componentes.
O peso total do objeto é:
Peso=m⋅g
Onde m é a massa do objeto eg é a aceleração da gravidade (aproximadamente 9,8 m/s 2 ).
- Componente perpendicular (que é o que gera a força normal):
Esta é a parte que nos interessa, pois é aquela que “apoia” na rampa e está relacionada com a força normal. A fórmula para calcular este componente é:
F⊥=m⋅g⋅cos(θ)
Aqui, cos(θ) é o cosseno do ângulo de inclinação. - Componente paralela (que faz o objeto tender a deslizar):
Não afeta diretamente a força normal, mas é útil saber para entender o movimento do objeto na rampa. É calculado assim:
F∥=m⋅g⋅sin(θ)
Cálculo da força normal
Depois de decompor o peso nessas duas partes, podemos agora calcular a força normal (F n ) . O Fn num plano inclinado será igual à componente perpendicular da força da gravidade, pois é esta que a superfície da rampa deve neutralizar.
Portanto, a força normal é:
F n =m⋅g⋅cos(θ)
Exemplo prático
Imagine que você tem um bloco de 5 kg colocado em uma rampa inclinada de 30 graus em relação ao solo. Queremos calcular a força normal que a rampa exerce sobre o bloco.
Primeiro, calculamos o peso do bloco:
Peso=5 kg⋅9,8 m/s2=49 N
Agora usamos a fórmula, com ângulo de inclinação de 30 graus:
Fnormal=49 N⋅cos(30∘)
O cosseno de 30 graus é aproximadamente 0,866, então:
Fnormal=49 N⋅0,866=42,4 N
Portanto, a força normal que a rampa exerce sobre o bloco é de 42,4 Newtons .
Por que é menor do que em uma superfície plana?
Observe que a força normal sobre uma rampa inclinada é menor do que se o mesmo bloco estivesse sobre uma superfície plana. Se o bloco estivesse sobre uma superfície horizontal (onde o ângulo θ é 0 graus), o cosseno de 0 é 1, então a força normal seria igual ao peso total, ou seja, 49 N.
No caso da rampa, como o ângulo de inclinação é de 30 graus, apenas parte do peso está “apoiada” na rampa, e por isso a força normal é menor, 42,4 N em vez dos 49 N que teríamos. tem em uma superfície plana.
A outra componente da força é aquela que causaria uma aceleração descendente do corpo, a menos que houvesse uma força de atrito na direção oposta que a compensasse.
Isto também explica por que é mais fácil para um objeto deslizar numa encosta íngreme: como a força normal é menor, há menos atrito e a parte do peso que atua na encosta (a componente paralela) ajuda o objeto a deslizar. mover.
Situações especiais
Até agora falamos de exemplos muito simples, mas esta força também pode se comportar de maneiras interessantes em situações mais complexas.
Abaixo apresento alguns exemplos especiais que ajudarão você a entender melhor esse conceito:
1. Brincos
Imagine que você está descendo uma colina inclinada. Você notou que é mais fácil escorregar em uma ladeira? Isso tem a ver com a força normal.
Quando um objeto está sobre uma superfície inclinada, a força normal não é tão grande como quando a superfície é plana, porque a inclinação faz com que parte da força gravitacional atue “empurrando” encosta abaixo.
Em uma colina, a força normal não precisa compensar todo o peso do objeto, apenas parte dele. E por ser menor, há menos resistência e é mais fácil escorregar.
2. Empurrar contra uma parede
Agora imagine que você está empurrando uma caixa contra a parede.
Neste caso, a força normal não está relacionada com o peso da caixa, mas sim com a pressão que você está exercendo. Quanto mais você empurrar a caixa contra a parede, maior será a força que a parede exercerá sobre a caixa para evitar que ela passe.
Se você parar de empurrar, a força normal desaparece.
3. Força normal em um elevador
Você já se sentiu mais pesado ou mais leve em um elevador em movimento?
Isso também tem a ver com esse tipo de força. Se o elevador sobe rapidamente, a força normal aumenta (e sentimos como se pesássemos mais), porque o piso do elevador tem de empurrar para cima com mais força para compensar a aceleração.
Se o elevador acelera para baixo, a força normal diminui (e sentimos que pesamos menos), porque a aceleração reduz a necessidade de empurrar para cima com a maior força.
Relação com a terceira lei de Newton: ação e reação
A força normal está diretamente relacionada à terceira lei de Newton , também conhecida como lei da ação e reação .
Esta lei diz que para cada ação há uma reação de igual magnitude e na direção oposta . Ou seja, se um objeto exerce uma força sobre outro, esse outro objeto responde com uma força igual, mas na direção oposta.
No caso da força normal, imagine um patinador deslizando em uma pista de gelo. O peso do patinador, que é a força de ação , empurra para baixo devido à gravidade.
Em reação, o gelo exerce uma força ascendente para neutralizar esse peso e evitar que ele se quebre e que o patinador passe por ele. A magnitude dessa força é igual ao peso da patinadora, mas atua na direção oposta, ou seja, para cima.
Conclusão
Resumindo, a força normal é uma daquelas coisas que está presente o tempo todo, mas geralmente não percebemos que ela existe.
É a força que nos impede de passar pelo solo ou que os objetos afundem nas superfícies. Depende do peso do objeto e atua sempre perpendicularmente à superfície sobre a qual está apoiado. Além disso, está envolvido em todos os tipos de situações cotidianas, desde sentar até descer uma ladeira.