Telecurso 2000. Física Completo. - 10fis

Telecurso 2000. Física Completo. - 10fis

10 AULA

Ou vai ou racha!

Sempre que se empurra algum móvel pesado em casa, passa-se por um grande problema: alØm de termos que arrastar o móvel, o chªo fica todo arranhado.

Quando se tem um móvel com muitas coisas dentro, a primeira coisa que se faz Ø esvaziar o móvel, deixando-o totalmente vazio. Todos os copos, pratos e panelas sªo retirados. Mas nem sempre adianta, pois ele pode ser muito pesado, mesmo estando vazio.

O enorme móvel tem que ser deslocado da cozinha para a sala, mas com seu peso, a tarefa se torna quase impossível!

Sªo chamados entªo os familiares, se ainda assim nªo for possível, sªo chamados, tambØm, os amigos e mais os vizinhos, se necessÆrio!

Com essa multidªo, o móvel mal saiu do lugar. Quando todos se cansaram, o tumulto logo virou uma grande festa. Os copos, que foram tirados do armÆrio, rapidamente ficaram cheios de cerveja, num mar de piadas e brincadeiras com os amigos e vizinhos que hÆ muito nªo conversavam. Esse problema foi resolvido com uma grande festa.

Haveria outra maneira de resolver esse problemaHaveria outra maneira de resolver esse problemaHaveria outra maneira de resolver esse problemaHaveria outra maneira de resolver esse problemaHaveria outra maneira de resolver esse problema sem que fosse necessÆrio dar uma festa?sem que fosse necessÆrio dar uma festa?sem que fosse necessÆrio dar uma festa?sem que fosse necessÆrio dar uma festa?sem que fosse necessÆrio dar uma festa?

Em nossa vida diÆria, encontramos alguma forma de resistŒncia sempre que queremos empurrar alguma coisa: um carro quebrado, ou, por exemplo, quando estamos num restaurante e uma pessoa nªo levanta a cadeira para sentar, mas a arrasta fazendo um barulho terrível; quando vemos uma criança brincando com o vento, colocando a mªo para o lado de fora do carro em movimento; quando vamos à beira-mar e nªo conseguimos correr dentro da Ægua com facilidade; ou, ainda, quando esquecemos de colocar óleo no automóvel e o motor trava.

Podemos ver que existe, em quase todo movimento no nosso dia-a-dia, uma força contrÆria, que chamamos de força de atritoforça de atritoforça de atritoforça de atritoforça de atrito!

Figura 1

10 A U L A

AULAEssa força estÆ presente quando tentamos colocar um parafuso na parede e nªo conseguimos girÆ-lo mais. Pode ser encontrada quando um carro estÆ na

estrada e o vento que sentimos na janela Ø o mesmo ar que se choca contra o pÆrabrisa, exercendo uma força de resistŒncia ao movimento do carro.

Podemos ver, tambØm, algumas formas de se tentar driblar o atrito; um exemplo, estÆ na maior aerodinâmica dos carros de Fórmula 1. Temos outro nos nadadores que raspam a cabeça e pernas para que os pŒlos do corpo nªo atrapalhem seu movimento na Ægua; ou, ainda, na criança que pıe a mªozinha para fora da janela do carro e fica mexendo-a atØ encontrar a posiçªo de menor resistŒncia. Sªo inœmeros os exemplos de nossa vida onde surgem as forças de resistŒncia ao movimento.

Mas vamos compreender o que ocorreu com o armÆrio, usando as leis de

Newton. Como vimos, o armÆrio nªo se moveu; ou seja, na linguagem da Física, a soma das forçassoma das forçassoma das forçassoma das forçassoma das forças que estavam agindo sobre o armÆrio era igual a zero.igual a zero.igual a zero.igual a zero.igual a zero.

Podemos usar novamente os trŒs passos que aprendemos nas aulas anteriores e, assim, estudarestudarestudarestudarestudar e propor alguma soluçªopropor alguma soluçªopropor alguma soluçªopropor alguma soluçªopropor alguma soluçªo para o problema do armÆrio.

1” passo - Isolamento No diagrama de forças que estÆ na Figura 3, podemos ver quatro forças aplicadas ao armÆrio: •a força de atraçªo que a Terra exerce sobre todos os corpos que estªo perto da sua superfície, o pesopesopesopesopeso (ρ PA);

•a força (ρ F) que as pessoas estªo fazendoas pessoas estªo fazendoas pessoas estªo fazendoas pessoas estªo fazendoas pessoas estªo fazendo sobre armÆrio;

•a força que o chªo faz para sustentar o armÆrio (ρ N), que chamamos de forçaforçaforçaforçaforça

normalnormalnormalnormalnormal,por ser uma força que estÆ sempre perpendicular em relaçªo à

superfície de contato entre o corpo e o solo;

•a força que o chªo faz para impedir que o armÆrio vÆ para frente (ρ fat), que chamamos de força de atrito.força de atrito.força de atrito.força de atrito.força de atrito.

Vamos entender melhor a força de atrito:

Força de atrito

A força normal e a força de atrito representam a resistŒncia que o chªo faz para impedir o movimento do armÆrio.

Existe uma correspondŒncia entre essas duas forças. A força de resistŒncia exercida pelo chªo Ø uma força só, como podemos ver no diagrama ao lado:

As forças que chamamos de normalnormalnormalnormalnormal e de atritoatritoatritoatritoatrito sªo, na verdade, os componentes da força de resistŒncia (Figura 4). A força normal Ø a parte da força de resistŒncia

resistŒnciaque impede que o corpo se desloque na direçªo da força F.se desloque na direçªo da força F.se desloque na direçªo da força F.se desloque na direçªo da força F.se desloque na direçªo da força F.

que impede que o armÆrio desça,armÆrio desça,armÆrio desça,armÆrio desça,armÆrio desça, enquanto a força de atrito Ø a parte da força de Por isso, existe uma relaçªo entre essas duas forças, ou seja, Ø possível mostrar que seus módulos módulos módulos módulos módulos sªo diretamente proporcionais:diretamente proporcionais:diretamente proporcionais:diretamente proporcionais:diretamente proporcionais:

fffffat = mµ. N = mµ. N = mµ. N = mµ. N = mµ. N ou seja, se N aumenta, fat tambØm aumenta.

Figura 2 fat N F

Figura 3

PA fat

Figura 4

10 AULA fat fat

A constante µ nos informa se o solo exerce muito ou pouco atrito sobre o corpo que estÆ em contato com ele. Ou seja, se µ Ø grande, temos um solo muito Æspero, com muito atrito, enquanto se µ Ø pequeno, o solo Ø mais liso, com pouco atrito.

µ grande -> fat grande e µ pequeno -> fat pequeno. N Ø constante nos dois casos! Mas o que ocorre com a força de atrito quando o corpo estÆ parado?

Atrito estÆtico e atrito dinâmico

Se nªo hÆ alguØm puxando ou empurrando o armÆrio, nªo haverÆ motivo para que o solo impeça seu movimento (Figura 6); mas, se começamos a empurrar o armÆrio com uma força pequena, que nªo Ø suficiente ainda para que ele se mova, (por exemplo, o armÆrio sendo empurrado por uma pessoa), podemos ver que aparece uma força de atrito para impedir que o armÆrio ande, e, à medida que mais pessoas vªo empurrando, a força de atrito vai aumentando, atØ que, finalmente, um nœmero suficiente de pessoas consiga empurrar o armÆrio. Isso significa que a força de atrito parou de crescer.

Podemos fazer um grÆfico do comportamento da força de atrito em relaçªo à força que estÆ sendo aplicada no armÆrio (Figura 7)

Enquanto a força de atrito estÆ aumentando, o armÆrio nªo se move. Chamamos, nessa situaçªo, o atrito de: atrito estÆticoatrito estÆticoatrito estÆticoatrito estÆticoatrito estÆtico.

Figura 5 fat

Figura 6

Figura 7. Gráfico fat X F 0

Est‡tico Din‰mico 45° fat

AULAQuando a força que estÆ sendo feita sobre o armÆrio aumenta o suficiente para movimentÆ-lo, a força de atrito passa a ter seu valor constante, chamamos entªo, nessa situaçªo, o atrito de atrito dinâmico.atrito dinâmico.atrito dinâmico.atrito dinâmico.atrito dinâmico.

Um exemplo muito comum disso acontece quando empurramos um carro: inicialmente começamos a fazer uma certa força e vamos aumentando essa força atØ que o carro comece a andar; nesse momento, a força que fazemos para empurrar o carro Ø menor do que no instante anterior em que o carro ainda estava parado.

É preciso observar que, em cada uma dessas situaçıes, o coeficiente de atrito Ø diferente apesar de estarmos olhando para o mesmo corpo, ou seja, estando ele parado ou em movimento.

Por isso, haverÆ o coeficiente de atrito estÆtico (µ(µ(µ(µ(µeeeee))))) e o coeficiente de atrito cinØtico (µc), que serªo usados, dependendo se o objeto que estÆ sob a açªo da força de atrito estiver parado ou se movendo.

Aspectos positivos da força de atrito

Nem sempre a força de atrito nos atrapalha nas tarefas que temos que cumprir. Ao contrÆrio, muitas vezes ela nos ajuda.

Por exemplo, quando andamos, estamos “empurrando” o chªo para trÆs e este nos empurra para frente, permitindo que andemos. Imagine se caminhÆssemos sobre uma superfície de gelo, ou mesmo por um chªo cheio de cera, teríamos problemas para nos deslocar, pois nªo haveria atrito.

Um automóvel anda para a frente quando seus pneus “empurram” o chªo para trÆs e este os empurra para frente. Quando o carro faz uma curva, isso ocorre porque existe o atrito entre o pneu e o chªo; se nªo houvesse esse atrito o carro sairia reto nas curvas.

Em vÆrias indœstrias, existem esteiras para transporte de material, desde grªos de trigo a limalha de ferro (esta œltima para ser jogada em fornos). Essas esteiras transportam o material porque existe um atrito entre elas e o material. Se nªo houvesse, o material ficaria escorregando na esteira sem conseguir sair do lugar.

VÆrios sªo os exemplos em que o atrito nos ajuda em nosso dia-a-dia. Mas, voltemos ao problema do armÆrio. Como jÆ fizemos o isolamentoisolamentoisolamentoisolamentoisolamento, agora vamos ao segundo passo: construir as equaçıes dinâmicasconstruir as equaçıes dinâmicasconstruir as equaçıes dinâmicasconstruir as equaçıes dinâmicasconstruir as equaçıes dinâmicas, usando a segunda lei de Newton.

2” passo - equaçıes dinâmicas Qual serÆ a força mínima que deve ser feita para que o armÆrio se mova, supondo que o armÆrio tenha um peso de 200 kg e que o coeficiente de atrito estÆtico entre o solo e o armÆrio µe seja igual 0,5?

Figura 8

AULASabendo que ele nªo vai se mover no sentido vertical, por isso, podemos escrever que a soma das forças na vertical Ø igual a zero:

P - N = 0 -> N = P

Supondo a força mÆxima que podemos fazer para que o armÆrio esteja prestes a se mover, mas que ainda nªo tenha se movido:

F - fat = 0 => F = fat Obteremos, entªo, duas equaçıes dinâmicas:

N = P e F = fat

Podemos, assim, passar para o terceiro passo que resolve esse sistema de duas equaçıes e duas incógnitas (F e N):

Soluçªo das equaçıes dinâmicas

Na primeira equaçªo temos que:

N = P = mg = 200 kg · 10 m/s = 2.0 N = 2.0 N

Na segunda equaçªo, precisamos lembrar da relaçªo entre a força de atrito e a força normal:

F = Fat = mµ · N = 0,5 · 2.0 = 1.0 NF = 1.0 N

E essa Ø a força mÆxima que podemos fazer antes que o armÆrio se mova. Essa força Ø equivalente a levantar um peso de 100 kg.

Com isso, pudemos prever a força mínima que devemos fazer para que o armÆrio esteja prestes a se mover. Mas precisamos de alguma forma diminuir a força de atrito para empurrar com mais facilidade o armÆrio. Uma soluçªo jÆ havia sido dada, que Ø simplesmente diminuir o peso do armÆrio, com isso diminuímos a força normal e, conseqüentemente, a força de atrito.

Mas às vezes isso nªo Ø suficiente. Precisamos controlar a força de atrito de outra forma: a œnica forma que nos resta, fora controlar o peso do armÆrio, Ø controlar a força de atrito pelo coeficiente de atrito (µ). No coeficiente de atrito, estÆ a informaçªo se o atrito entre duas superfícies Ø grande ou nªo.

Se o atrito entre o chªo e o armÆrio Ø grande, temos que colocar algum material entre o armÆrio e o chªo que diminua o coeficiente de atrito.

Vamos supor que o chªo Ø de madeira. Uma forma de diminuir o atrito seria colocar um pano entre o armÆrio e o chªo. Alguns móveis poderiam ser rapidamente movimentados com essa soluçªo, principalmente os de fundo muito Æspero.

Uma outra forma seria colocar cera no chªo. Assim como a Ægua provoca a derrapagem de um carro, por se transformar numa pequena camada entre o pneu e o asfalto, fazendo com que o carro perca o contato com o asfalto, a cera faria o mesmo papel, seria uma pequena camada entre o móvel e o chªo de modo que este deslizaria pela madeira. Andar num chªo encerado, Ø uma experiŒncia muito comum e pode provocar grandes quedas e escorregıes!

Essas sªo soluçıes que podem ser aplicadas em vÆrias situaçıes, por exemplo quando queremos pendurar um quadro ou prender uma estante na parede; fazemos um furo e colocamos uma bucha, mas quando posicionamos o parafuso, temos dificuldade para girÆ-lo atØ o fim da bucha. Isso pode ser solucionado colocando-se um pouco de óleo de cozinha, ou mesmo um lubrificante dentro da bucha, que tem a funçªo de diminuir o atrito entre o parafuso e a bucha.

AULAVimos nesta aula:

lO conceito de força de atritoforça de atritoforça de atritoforça de atritoforça de atrito (ρ fat ).

lsua relaçªo com a força normal (ρ N);

que pode ser representada pela equaçªo:

Fat = µ N lvimos tambØm como resolver situaçıes em que o atrito atrapalha nosso serviço, ou seja, podemos planejar para antecipar as conseqüŒncias do movimento de um corpo em situaçıes onde haja atrito; le outras situaçıes em que o atrito nos ajuda a realizar movimentos ou tarefas.

Exercício 1Exercício 1Exercício 1Exercício 1Exercício 1

Para pensar: nas fÆbricas de automóvel, sªo pintados carros de vÆrias cores. O que aconteceria se a lataria do carro fosse muito lisa? A tinta se “prenderia” na lataria?

Exercício 2Exercício 2Exercício 2Exercício 2Exercício 2

Na figura abaixo, vemos um plano, que tem uma inclinaçªo segundo o ângulo q com a horizontal. Qual serÆ a inclinaçªo mÆxima que o plano pode ter sem que a caixa escorregue ladeira abaixo? Suponha que a massa m da caixa seja igual a 100 kg e que o coeficiente de atrito estÆtico µ seja igual a 0,5.

Exercício 3Exercício 3Exercício 3Exercício 3Exercício 3

Um operÆrio deseja empurrar uma caixa de 100 kg, sobre uma superfície de madeira, mas nªo sabe quanta força no mínimo terÆ que fazer para conseguir seu intento. Para descobrir, ele precisa obter o coeficiente de atrito estÆtico entre o fundo da caixa e a superfície. Portanto, realiza a seguinte experiŒncia: coloca a caixa sobre um pedaço de madeira e, com seu macaco hidrÆulico, vai inclinando o conjunto como vemos na figura abaixo. Finalmente, ele mede o ângulo em que a caixa começa a deslizar. Faz isso vÆrias vezes e descobre um valor mØdio de 26,50, para o ângulo. Dadas essas informaçıes, qual Ø o coeficiente de atrito entre a caixa e a madeira?

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