A palavra “dinâmica” tem sua origem no grego antigo, dynamikos, que significa potente, forte. Essa é a palavra que dá nome à sub-área da Mecânica que estuda e descreve a origem do movimento, na forma de forças e energias envolvidas. Como já vimos anteriormente, as causas do movimento foram bastante discutidas desde a Física Aristotélica, mas é a partir de Isaac Newton que temos modelos explicativos da dinâmica que podemos utilizar até hoje.
Leis de Newton
A grande maioria das pessoas já devem ter escutado falar ou lido sobre as ‘’Leis de Newton’’. Essas três leis básicas da Dinâmica, publicadas em 1687 (em latim), continuam sendo extremamente relevantes e são sustentadas por muitos experimentos. As Leis de Newton possuem os seguintes enunciados:
- Lei da Inércia: ‘’Todo corpo continua em seu estado de repouso ou de movimento uniforme em uma linha reta, a menos que seja forçado a mudar aquele estado por forças aplicadas sobre ele.’’ — traduzindo, se a soma das forças aplicadas em um objeto forem nulas (se cancelam), ele tende a manter seu movimento, seja em repouso ou numa linha reta com velocidade constante. Essa lei define o que é um Referencial Inercial e estrutura o cenário para a aplicação das Leis, isto é: os lugares em que essa Lei se verifica são os denominados referenciais inerciais.
- Lei da Dinâmica: “A mudança de movimento é proporcional à força motora imprimida e é produzida na direção de linha reta na qual aquela força é aplicada.” — aqui, Newton chama de movimento uma quantidade que chamamos Momento Linear (ou quantidade de movimento). Para referenciais inerciais sem variação da massa, a aceleração ocorre na direção e sentido da força resultante do objeto, e é diretamente proporcional ao módulo dessa força, assumindo a seguinte relação:
- Lei da Ação e Reação: “A toda ação há sempre uma reação oposta e de igual intensidade: as ações mútuas de dois corpos um sobre o outro são sempre iguais e dirigidas em sentidos opostos.” - ou seja, quando aplicamos uma força a um corpo, ele aplica sobre nós uma força igual e oposta.
Essas Leis estabelecem toda a base da Mecânica Clássica, sobre a qual construímos diversas descrições de movimento. Suas aplicações são vastas e, no mundo macroscópico e no nosso dia a dia, são elas que governam o nosso movimento.
Mas que forças são essas? De onde elas vêm? Isso é um tema bastante complexo. Atualmente, descrevemos a natureza a partir de quatro forças distintas: Gravitacionais, Eletromagnéticas, Nuclear Fraca e Nuclear Forte. Por enquanto, vamos focar apenas na Força Gravitacional.
Lei da Gravitação: da maçã ao Universo
“Depois do jantar, fomos ao jardim e tomamos chá, sob a sombra de algumas macieiras. Ele me contou que estava antes na mesma situação quando a noção de gravidade veio à mente dele. Foi em decorrência da queda de uma maçã, e ele sentou-se contemplativamente. Por que deveria aquela maçã sempre cair perpendicularmente em direção ao solo, pensou ele.”
William Stukeley, Memórias da Vida de Newton — Revista Pesquisa FAPESP
No século XVII já havia diversos trabalhos descrevendo a queda livre de objetos, assim como muitas observações metódicas do movimento de astros. As ideias básicas da gravitação já rondavam a comunidade científica, mas foi Newton, que munido das ferramentas matemáticas necessárias, juntou os conceitos da física para propor a Lei da Gravitação Universal (1687). Newton recém havia desenvolvido o Cálculo Diferencial e com ele mostrou que as forças de atração entre astros e a força que nos puxa de volta para a Terra ao pular têm a mesma origem, e depende da massa dos objetos em questão, assim como da distância entre eles (ao quadrado).
Pode parecer estranho que a força que governa a órbita dos astros, em seus movimentos orbitais, seja a mesma que nos puxa em linha reta, em direção ao chão, mas isso fica mais fácil de visualizar com o exemplo do canhão pensado por Newton.
- imagine um canhão lançando uma bola horizontalmente do ponto mais alto da Terra, como o Everest;
- o canhão atira a bola, que deve descrever um movimento de parábola, como em um lançamento de projéteis;
- imagine que este canhão lança a bola cada vez mais e mais longe;
- para um lançamento absurdamente distante, a bola dá a volta ao mundo e o atinge por trás.
Esse é um movimento de órbita, um objeto constantemente caindo em direção a outro, mas sem nunca atingi-lo, pois para o tanto que ele cai, ele também anda para a frente. Isso significa que os astros, as pedras, os grãos de areia e os nossos corpos estão sujeitos à mesma Lei da Gravitação, derrubando por completo conceitos aristotélicos do lugar natural das coisas.
Estendendo essa ideia aos planetas, Newton foi também capaz de obter, pela via teórica, as regularidades que eram observadas nos demais movimentos celestes, que haviam sido sistematizadas por Johannes Kepler. Isso demonstrou o caráter universal de seu modelo.
Sim, você e seu celular estão se puxando neste momento, mas não é por isso que você não consegue largar dele. Essa força é muito pequena e é difícil medi-la, a não ser que estejamos falando de uma enorme quantidade de massa. É por isso que levou muito tempo para o primeiro teste por essa Lei à prova em laboratório.
O Experimento de Cavendish (1798) foi a primeira prova de fogo realizada em ambiente controlado. Neste, a força de atração entre esferas de chumbo foi medida utilizando uma balança de torção. Com suas medidas, Cavendish determinou a densidade da Terra, em comparação à do chumbo utilizado, encontrando o valor de 5.448 g/cm3, muito próximo da medida moderna de 5.514 g/cm3. Para dar uma noção dos valores envolvidos nesse experimento, a força medida na balança foi equivalente ao peso de 0.017 mg (uma formiga tem 3 mg). Até hoje realizamos o Experimento de Cavendish aqui nos Laboratórios de Ensino de Física!
Gabriel Cury Perrone e Laila Berg da Nobrega / Equipe AMLEF 2022
Referências:
- Leis de Newton — UFSM
- Wikipedia: Força (PT/EN)
- Wikipedia: Dinâmica (PT/EN)