Força

Força é o agente da dinâmica responsável por alterar o estado de repouso ou movimento de um corpo. Quando se aplica uma força sobre um corpo, esse pode desenvolver uma aceleração, como estabelecem as leis de Newton, ou se deformar. Existem diferentes tipos de força na natureza, tais como a força gravitacional, força elétrica, força magnética, força nuclear forte e fraca, força de atrito, força de empuxo etc.

As forças são grandezas vetoriais que, portanto, precisam ser definidas de acordo com seu módulo, direção e sentido. O módulo de uma força diz respeito à sua intensidade; a direção diz respeito às direções nas quais as forças se aplicam (horizontal e vertical, por exemplo); cada direção, por sua vez, apresenta dois sentidos: positivo e negativo, esquerda e direita, para cima e para baixo etc.

Existem diversos tipos de força na natureza.

Tipos de força

De acordo com o Sistema Internacional de Unidades, independentemente de qual seja a sua natureza, a grandeza força é medida na unidade de kg.m/s², entretanto, costumamos utilizar a grandeza newton (N) para designar tal unidade, como uma forma de homenagem a um dos maiores físicos de todos os tempos: Isaac Newton. Os dispositivos utilizados para medir forças são chamados de dinamômetros – molas de constantes elásticas conhecidas que se esticam à medida que alguma força é aplicada sobre elas.

Em alguns livros didáticos, é comum que se definam dois tipos de força: forças a distância, também conhecidas como forças de campo, e forças de contato. No grupo das forças a distância, costuma-se incluir a força peso, a força magnética, a força de atração entre cargas e outras. No grupo de forças de contato, utilizam-se exemplos como empurrar ou puxar algo, aplicar tração, forças de atrito, entre outros.

Apesar da definição proposta, é necessário esclarecer que não existem forças de contato. Todas as forças da natureza surgem mediante a interação de diferentes campos, tais como o campo gravitacional e o campo eletromagnético.

  Na imagem, podemos ver que, microscopicamente, as superfícies são bastante rugosas.

 

Mesmo quando tocamos em algo, não há contato entre nossa mão e o objeto: na escala microscópica, os átomos não se tocam, uma vez que, quando muito próximos, suas eletrosferas são deformadas, repelindo-se mutuamente graças à carga de seus elétrons, que se afastam em razão da interação de seus campos elétricos e magnéticos. Poucos são os casos em que os núcleos atômicos  tocam-se de fato. Essas situações envolvem altíssimas quantidades de energia, como aquelas que são obtidas em experimentos realizados no interior dos aceleradores de partículas.

Vamos conferir quais são os tipos de forças que existem na natureza. A partir das forças descritas a seguir, surgem todos os fenômenos físicos conhecidos. Confira quais são elas e as suas principais características:

• Força gravitacional: também conhecida como força peso, é o tipo de força que faz com que dois corpos que tenham massa atraiam-se mutuamente. A força peso é responsável por nos manter presos à Terra e também pela órbita de todos os planetas em torno do Sol.
• Força elétrica: é responsável pela atração ou repulsão de cargas elétricas. Ligações químicas, por exemplo, só acontecem em virtude da diferença de cargas entre átomos. A força elétrica pode fazer com que os elétrons presentes nos condutores desloquem-se em uma direção específica, dando origem a correntes elétricas, que, por sua vez, podem ser usadas para alimentar circuitos elétricos.
• Força magnética: atua sobre cargas em movimento. Esse tipo de força faz com que os ímãs atraiam-se ou sejam repelidos, de acordo com as polaridades do campo magnético. A força magnética também faz com que pequenas agulhas magnetizadas orientem-se de acordo com o sentido do campo magnético terrestre.
• Força nuclear forte e fraca: são responsáveis por manter a integridade dos núcleos dos átomos. A força nuclear forte mantém os prótons atraídos, apesar de suas cargas se repelirem. A força nuclear fraca, por sua vez, mantém os quarks unidos, dando origem aos prótons e nêutrons, por exemplo.

Forças como tração, atrito, empurrões, puxões, torções, forças elásticas e outras, geralmente descritas como forças mecânicas, são, na verdade, manifestações macroscópicas de interações que são majoritariamente elétricas.

Forças e leis de Newton

O conceito de força pode ser um tanto vago caso não existam expressões capazes de defini-la de maneira coerente. As leis de Newton são o conjunto de leis que define o que são e qual é o comportamento das forças.

De acordo com a 1ª lei de Newton –  a lei da inércia, caso nenhuma força atue sobre um corpo, ou caso as forças que atuam sobre um corpo se anulem, esse corpo tanto pode estar em repouso como em movimento retilíneo e uniforme.

Em complemento à primeira lei de Newton, o princípio fundamental da dinâmica, conhecida como a 2ª lei de Newton, afirma que a força resultante sobre um corpo é igual à massa desse corpo multiplicada pela aceleração produzida pela força resultante. Além disso, a aceleração adquirida deve sempre estar na mesma direção e com sentido igual ao da resultante das forças.

A terceira lei de Newton, conhecida como a lei da ação e reação, afirma que as forças sempre surgem aos pares. Se um corpo A faz uma força sobre um corpo B, o corpo B produz sobre o corpo A uma força de igual magnitude e direção, porém, no sentido oposto. Além de indicar que as forças de ação e reação têm módulo igual, a terceira lei de Newton também estabelece que o par de ação e reação nunca poderá ocorrer em um único corpo.

Confira alguns exemplos em que podemos observar a lei da ação e reação:

• Quando andamos, empurramos o chão para trás. O chão, por sua vez, nos empurra para frente.
• Se quisermos subir em uma corda, devemos puxá-la para baixo, para que possamos ser empurrados para cima.
• Se, quando imersos, empurramos a borda de uma piscina, somos empurrados para trás. Não observamos esse comportamento fora d'água devido à força de atrito que nos mantém ligados ao solo.

Forças fictícias

Forças fictícias estão presentes em referenciais não inerciais. As leis de Newton são definidas exclusivamente para referenciais inerciais, isto é, posições que se encontram em repouso ou em movimento retilíneo, com velocidade constante. Situações que envolvem rotações, por exemplo, induzem o surgimento de forças fictícias, que, na verdade, não são forças.

Quando entramos em alta velocidade em uma curva bastante fechada, podemos sentir nosso corpo  espremendo-se contra as paredes de um carro. Outro exemplo é quando estamos assentados em um avião a decolar, podemos sentir uma “força” nos apertando contra o banco. Essa força, na verdade, é a inércia dos corpos.

Uma vez que um corpo está sujeito a uma aceleração, sua inércia tende a resistir a essa força, desse modo, sentimos uma força fictícia na direção oposta, que, na verdade, trata-se da nossa tendência de permanecer no estado de movimento em que nos encontramos.

Um bom exemplo de força fictícia é a força centrífuga. Quando em movimento circular, os corpos tendem a escapar pela direção tangente à curva, como quando giramos uma pedra em um barbante e a soltamos. Essa força aparente, que faz com que a pedra mantenha o barbante esticado, é, na verdade, a inércia da própria pedra manifestando-se contra a aplicação de uma força real, chamada de força centrípeta.

A força centrípeta, nesse caso, é produzida pela tração que o barbante faz sobre a pedra e trata-se, portanto, de uma força real, que aponta sempre para o centro da trajetória em que a pedra se move. A força centrífuga não é, de fato, uma força, mas a expressão da inércia do corpo que se encontra acelerado.

Fórmulas usadas para o cálculo de forças

Confira as fórmulas que podem ser utilizadas para calcular diferentes tipos de forças:

 Força peso ou força gravitacional

 

G – constante da gravitação universal (6,67.10-11 m³kg^-1s^-2)

r – distância em relação ao centro da Terra (m)

Força gravitacional e peso são sinônimos. Nas fórmulas acima, expressamos as fórmulas utilizadas para calcular a força gravitacional causada por duas massas m e M e também o peso P, que surge devido ao campo gravitacional g de um astro. Desse modo, podemos entender que a força gravitacional surge da interação entre massas e campos gravitacionais.

 Força elétrica

k₀ – constante eletrostática do vácuo (9.10⁹ N.m²C^-2)

E – campo elétrico (N/C)

r – distância entre cargas (m)

A força gravitacional pode ser calculada de maneira muito similar à força gravitacional. Além disso, ela pode ser calculada em relação ao campo elétrico.


 Força magnética

A força magnética surge da interação de uma carga elétrica q, com velocidade v, em relação a um campo magnético B. O ângulo θ presente na fórmula é medido entre a velocidade e o campo magnético.

  O campo magnético do imã interage com as cargas em movimento do pó de ferro, movendo-as.

   

Força de atrito

μ – coeficiente de atrito

N – Força normal

A força de atrito surge em decorrência das atrações moleculares, como as forças de dipolo-induzido, também conhecidas como forças de Van der Waals.

 Força elástica

k – constante elástica (N/m)

x – deformação (m)

A força elástica surge quando algum corpo tende a voltar ao seu formato original quando sujeito à aplicação de uma força externa.

Força de empuxo

d – densidade (kg/m³)

g – gravidade (m/s²)

 V – volume imerso (m³)

A força de empuxo surge quando algum corpo é inserido no interior de um fluido, como o ar atmosférico ou a água.

Apesar de serem diferentes entre si, todas as forças exemplificadas acima são dimensionalmente coerentes, isto é, são todas medidas na mesma unidade, o newton.