Forças de atrito

Em física, o atrito é a componente horizontal da força de contacto que actua sempre que dois corpos entram em choque e há tendência ao movimento. É gerada pela aspericidade dos corpos (vide figura "ilustrativa"). A força de atrito é sempre paralela às superfícies em interacção e contrária ao movimento relativo entre eles.

Apesar de sempre paralelo às superfícies em interacção, o atrito entre estas superfícies depende da força normal, a componente vertical da força de contato; quanto maior for a Força Normal maior será o atrito. Passar um dedo pelo tampo de uma mesa pode ser usado como exemplo prático: ao pressionar-se com força o dedo sobre o tampo, o atrito aumenta e é mais difícil manter o dedo se movendo pela superfície. Entretanto, ao contrário do que se poderia imaginar, mantidas as demais variáveis constantes, a força de atrito não depende da área de contato entre as superfícies, apenas da natureza destas superfícies e da força normal que tende a fazer uma superfície "penetrar" na outra.

O atrito resulta da interacção entre dois corpos:

Movimento e Repouso

O estado de movimento de um corpo define-se como sendo aquele em que o corpo altera a sua posição, relativamente a um referencial, ao longo do tempo.

Um corpo está em repouso quando a sua posição, relativamente a um referencial, permanece inalterado ao longo do tempo.

O estado de movimento ou de repouso dependo do referencial que é usado, sendo por isso um estado relativo. Um corpo pode estar em repouso, relativamente a um referencial, e ao mesmo tempo em movimento, relativamente a outro referencial.

Um dos exemplos mais comuns é utilizar diferentes referenciais num autocarro em andamento, com vários passageiros no seu interior. Se utilizarmos como referencial do movimento o condutor do autocarro, todos os passageiros que vão sentados no seu interior estão em repouso relativamente a ele. Se utilizarmos como referencial uma pessoa parada no passeio, todos os passageiros estão em movimento relativamente a essa pessoa.

Forças

Em física clássica, a força (F) é aquilo que pode alterar (num mesmo referencial assumido inercial) o estado de repouso ou de movimento de um corpo, ou de deformá-lo. Esta definição não pode ser desvinculada da Terceira Lei de Newton (que "afirma" que a força é a expressão física para a interacção entre dois entes físicos [ou entre duas partes de um mesmo ente], definindo então a direcção, o sentido e a igualdade dos módulos das forças de um par acção-reacção), e da Segunda Lei de Newton (que define o módulo da força baseando-se na definição de aceleração e do quilograma-padrão [massa]). Pode-se definir força, sucintamente, como a causa de qualquer modificação no estado de um corpo, podendo causar sua deformação ou alteração do estado de movimento, tirando o corpo do repouso ou do movimento rectilíneo uniforme. A força também pode causar deformação e movimento de uma só vez.

Detectamos uma força através de seus efeitos e suas consequências. Estes podem ser: a variação no módulo da velocidade do corpo (por exemplo, quando se dá um chute numa bola que se encontrava em repouso); uma alteração na direcção e sentido do movimento do corpo (no Movimento Circular Uniforme ou no "efeito" no voo de uma bola); ou pode haver uma deformação no corpo em que é aplicada a força (e.g. a deformação momentânea da bola quando é chutada).

Um site com um applet interessante sobre o resultante de forças:
http://www.walter-fendt.de/ph14br/resultant_br.htm

Movimento Uniforme

Diz-se que o movimento de um ponto é uniforme em relação a um referencial S, quando nesse mesmo referencial o ponto se move com velocidade constante ou, equivalentemente, se a sua aceleração é nula.

A função horária do movimento uniforme é uma função do 1º grau em t. S=S0+v*t, v é diferente de zero. Então, de acordo com um referencial:

Se v > 0 temos MU PROGRESSIVO

Se v < 0 temos MU RETRÓGRADO ou REGRESSIVO

Alguns exemplos de movimento quase uniforme (existem variações de velocidade quase imperceptíveis) podem ser: uma gota de água descendo por um tubo cheio de óleo, uma escada rolante,um carrossel, um aro descendo por uma haste metálica ou uma viagem interplanetária (que é o único movimento constante que o homem consegue produzir). Além destes, existem outros movimentos constantes mesmo, como a velocidade da luz e da gravidade.

A propriedade principal dos movimentos uniformes é que estes varrem espaços iguais em tempos iguais.

Como caracterizar o Vector Deslocamento?

Para caracterizar um vector devemos indicar:

Ponto de Aplicação (ponto onde o vector começa);
Direcção (pode ser Horizontal, vertical, ...);
Sentido (da esquerda para a direita, de baixo para cima, de Norte para Sul, ...);
Intensidade ou valor (corresponde ao tamanho do vector).

Como calcular o deslocamento de um corpo?
Para calcular o deslocamento de um corpo, procede-se à diferença entre a posição final do corpo e a posição inicial:

Deslocamento = Posição Final - Posição Inicial

Habitualmente representa-se:
Deslocamento por ΔX (onde o símbolo Δ - delta - representa variação e X representa posição. Lê-se portanto variação de posição ou deslocamento);
Posição final por Xf (X de posição e f de final);
Posição inicial por Xi (X de posição e i de inicial).
Simplifica-se então a escrita da expressão indicada acima da seguinte forma:
ΔX = Xf - Xi

Como utilizar a expressão para o cálculo do Deslocamento?
Utilizemos novamente o exemplo anterior, mas desta vez vamos acrescentar uma recta real à figura:


A posição final (Xf) corresponde ao ponto B, que se encontra na posição 30 Km.

A posição inicial (Xi) corresponde ao ponto A, que se encontra na posição 0 Km.

Então:
ΔX = Xf - Xi
ΔX = 30 - 0 ↔ ΔX = 30 Km

Distância Percorrida e Deslocamento de um corpo

Distância Percorrida e Deslocamento são dois conceitos bastante diferentes. Vamos distingui-los:

Distância Percorrida
A Distância Percorrida por um corpo ao longo do seu movimento é a medida da linha de trajectória do corpo. Imagina que consegues "esticar" a linha de trajectória do corpo e medir essa mesma linha. A medida obtida corresponde ao valor da Distância Percorrida pelo corpo.

Considera um automóvel que se move desde o prédio A até à casa B, segundo a trajectória representada na figura. Antes de iniciar o movimento, o automobilista colocou o "conta-quilómetros" do automóvel a "zero".



Deslocamento de um corpo
O Deslocamento de um corpo é determinado medindo em linha recta a diferença entre o ponto de partida e o ponto de chegada.

Voltando ao exemplo anterior, o ponto de partida do automóvel é o ponto A, enquanto o ponto de chegada é o ponto B. O Deslocamento efectuado pelo corpo é a medida em linha recta da diferença entre estes dois pontos.



Assim, e observando a figura, apesar de o automóvel ter percorrido uma Distância de 50 Km, o seu Deslocamento é apenas de 30 Km. Deslocou-se apenas 30 Km face à posição inicial.

Para determinar o Deslocamento de um corpo, não precisamos saber qual a trajectória do corpo, nem precisamos saber por onde o corpo passou. Basta saber de onde partiu e onde chegou.

A Unidade de Sistema Internacional para o Deslocamento também é o metro (m), embora seja comum apresentar o resultado em Quilómetros (Km).

O Deslocamento é uma grandeza vectorial, isto é, representa-se por meio de um vector.
Este vector parte do ponto onde se dá início ao movimento e termina no ponto onde acaba o movimento.
Neste caso, o vector começa no ponto A (onde começa o movimento), e termina no ponto B (onde termina o movimento).

A Relatividade do Movimento

Quando um corpo muda de posição em relação à vizinhança, dizemos que ele se move.
Aqui existem duas ideias independentes.
A ideia de mudança: quando um corpo se move, o Universo muda de alguma forma, isto é, ele não é mais o que era antes.
E a ideia de sistema de referência: dizer que um corpo se move significa dizer que se pode verificar os lugares que ele ocupa em relação a outro corpo ou sistema de corpos. Ao sistema de eixos coordenados fixado nesse corpo ou sistema de corpos chamamos de sistema de referência ou referencial.
Para o movimento em uma dimensão, o sistema de referência pode ser uma recta infinita com um ponto fixo a partir do qual se estabelecem as posições.
Para um movimento plano, o sistema de referência pode ser um plano infinito com dois eixos perpendiculares entre si e fixos, com as posições sendo dadas por pares de números.
E assim por diante.



Exemplo

Um avião voa horizontalmente e dele se desprende uma peça, que cai ao solo.
Para o piloto, a peça cai segundo uma linha reta vertical. Para uma pessoa em terra, a peça cai segundo uma parábola.
O mesmo movimento aparece de modo diferente para os dois observadores.
Por isso se diz que movimento é relativo ao sistema de referência.

Potência Eléctrica

Em sistemas eléctricos, a potência instantânea desenvolvida por um dispositivo de dois terminais é o produto da diferença de potencial entre os terminais e a corrente que passa através do dispositivo.

Isto é,

onde I é o valor instantâneo da corrente e U é o valor instantâneo da tensão. Se I está em ampères e U em volts, P estará em watts.

Potência elétrica pode ser definida também como o trabalho realizado pela corrente elétrica em um determinado intervalo de tempo.

Num sistema de corrente contínua em que I e U se mantenham invariantes durante um dado período, a potência transmitida é também constante e igual ao produto

Intensidade da corrente

Circuito com uma lâmpada.



Circuito com três lâmpadas em série.



Compara o brilho das lâmpadas nos dois circuitos, representados nas figuras, que apenas diferem na quantidade de lâmpadas instaladas.

Constata-se que no segundo caso o brilho de cada lâmpada é menor do que o brilho da lâmpada do primeiro caso.

A justificação está no facto de a intensidade da corrente eléctrica ser maior no primeiro caso.
Esta nova grandeza física mede a quantidade de carga eléctrica que passa, por unidade de tempo, numa secção do circuito.

Para te ajudar a compreender o significado desta grandeza, podes pensar que ela é análoga à noção de caudal da água que sai de uma fonte, ou seja, a quantidade de água que a fonte fornece por unidade de tempo — quanto mais água sai da fonte por unidade de tempo, maior é o seu caudal.
Esta grandeza física, cujo símbolo é I, pode ser medida com aparelhos chamados amperímetros.
O símbolo internacional de amperímetro, que se utiliza nos esquemas dos circuitos, é A .

No Sistema Internacional de Unidades (SI), a intensidade da corrente eléctrica é expressa em ampere, cujo símbolo é A.

Diferença de Potencial (d.d.p) ou Tensão Eléctrica

O Homem só foi capaz de utilizar a electricidade com alguma utilidade prática depois de ter descoberto um modo de manter as cargas, num circuito, em permanente movimento, o que, como já vimos, origina a corrente eléctrica. É esta a função desempenhada pelos geradores. Por outras palavras, os geradores asseguram, num circuito eléctrico, o fornecimento de energia que em seguida irá ser transformada pelos receptores. Uma grandeza física que está directamente relacionada com a quantidade de energia eléctrica fornecida pelos geradores é a diferença de potencial eléctrico entre os pólos do gerador.

A corrente eléctrica só passará de um ponto a outro de um circuito, desde que entre eles exista um desnível de quantidade de carga eléctrica.

Para te ajudar a compreender melhor esta nova grandeza física, podes pensar numa analogia com a água de uma catarata: quanto maior é o desnível que a água tem de vencer, maior quantidade de energia é transferida.



1. Numa catarata, quanto maior é o desnível maior é a quantidade de energia transferida.

A diferença de potencial, que normalmente se representa por U, pode também ser representada por V ou ainda pelas iniciais d.d.p. No Sistema Internacional de Unidades (SI) exprime-se em volt ( V).
A designação desta unidade é uma homenagem ao físico e professor italiano Alessandro Volta (1745-1827), que se distinguiu em diversos ramos da Física, tendo-se notabilizado pelos estudos aprofundados que desenvolveu em electricidade.




Os voltímetros, cujo símbolo internacional nos esquemas dos circuitos é V, são os instrumentos de medida da diferença de potencial que, tal como os amperímetros, podem ser analógicos ou digitais.


Voltímetros
Multímetros


Existem ainda outros instrumentos de medida, os multímetros, os quais além de poderem medir a diferença de potencial, podem também medir a intensidade da corrente e outras grandezas eléctricas. Estes aparelhos dispõem de um botão que permite seleccionar qual a função que se pretende que ele desempenhe.

Sempre que pretendas montar um voltímetro num circuito deverás ter em consideração que:

* tem de ser sempre instalado em paralelo (nunca em série) com o componente em cujos terminais se pretende medir a d.d.p.;
* no caso da corrente contínua, o pólo positivo do aparelho tem de ser ligado ao pólo positivo da fonte ou do receptor e o negativo ao negativo; no caso da corrente alternada, o modo de ligação é indiferente;
* a sua escala tem de ser previamente estudada e as precauções a ter são idênticas às que já foram referidas para os amperímetros.



Como varia a diferença de potencial, em função do tipo de circuito e da posição em que está a ser medida:

* nos circuitos em série, a diferença de potencial não é a mesma em todos os pontos do circuito e depende da posição em que se instala o voltímetro;
* nos circuitos em paralelo, a diferença de potencial no ramo principal é igual à diferença de potencial em cada um dos ramos do paralelo;
* se associarmos geradores em série, a diferença de potencial é igual à soma das diferenças de potencial de cada um dos geradores;

UT = U1 + U2

UT - d.d.p. nos terminais da associação das lâmpadas em série;

U1 e U2 - d.d.p. nos terminais de cada uma das lâmpadas.


* se associarmos geradores em paralelo, a diferença de potencial é igual à diferença de potencial de cada um dos geradores.

UT = U1 = U2

UT - d.d.p. nos terminais da associação das lâmpadas em paralelo;

U1 e U2 - d.d.p. nos terminais de cada uma das lâmpadas.

Sentido da corrente

No início da história da electricidade definiu-se o sentido da corrente eléctrica como sendo o sentido do fluxo de cargas positivas, ou seja, as cargas que se movimentam do pólo positivo para o pólo negativo. Naquele tempo nada se conhecia sobre a estrutura dos átomos. Não se imaginava que em condutores sólidos as cargas positivas estão fortemente ligadas aos núcleos dos átomos e, portanto, não pode haver fluxo macroscópico de cargas positivas em condutores sólidos. No entanto, quando a física subatómica estabeleceu esse fato, o conceito anterior já estava arraigado e era amplamente utilizado em cálculos e representações para análise de circuitos.

Esse sentido continua a ser utilizado até os dias de hoje e é chamado sentido convencional da corrente. Em qualquer tipo de condutor, este é o sentido contrário ao fluxo líquido das cargas negativas ou o sentido do campo eléctrico estabelecido no condutor. Na prática qualquer corrente eléctrica pode ser representada por um fluxo de portadores positivos sem que disso decorram erros de cálculo ou quaisquer problemas práticos.

O sentido real da corrente eléctrica depende da natureza do condutor. Nos sólidos as cargas cujo fluxo constituem a corrente real são os electrões livres, nos líquidos os portadores de corrente são iões positivos e iões negativos, enquanto que nos gases são iões positivos, iões negativos e electrões livres. O sentido real é o sentido do movimento de deriva das cargas eléctricas livres (portadores). Esse movimento se dá no sentido contrário ao campo eléctrico se os portadores forem negativos, caso dos condutores metálicos e no mesmo sentido do campo se os portadores forem positivos. Mas existem casos onde verificamos cargas se movimentando nos dois sentidos. Isso acontece quando o condutor apresenta os dois tipos de cargas livres, condutores iónicos por exemplo.

É interessante notar que, nesses casos onde portadores de carga dos dois tipos estão presentes, ambos contribuem para variações de carga com mesmo sinal em qualquer volume limitado do condutor, porque cargas positivas entrando no volume escolhido, ou cargas negativas saindo do volume escolhido, significam um aumento da quantidade de cargas positivas. Essa é a razão para ser necessário introduzir uma convenção de sentido para a corrente.

Corrente Eléctrica

Denominamos corrente eléctrica a todo movimento ordenado de partículas electrizadas. Para que esses movimentos ocorram é necessário haver tais partículas − iões ou electrões − livres no interior dos corpos.

Corpos que possuem partículas electrizadas livres em quantidades razoáveis são denominados condutores, pois essa característica permite estabelecer corrente eléctrica em seu interior.

Nos metais existe grande quantidade de electrões livres, em movimento desordenado. Quando se cria, de alguma maneira, um campo eléctrico no interior de um corpo metálico, esses movimentos passam a ser ordenados no sentido oposto ao do vector campo eléctrico, constituindo a corrente eléctrica.

Resistência eléctrica

Resistência eléctrica é a capacidade de um corpo qualquer se opor à passagem de corrente eléctrica pelo mesmo, quando existe uma diferença de potencial aplicada. Seu cálculo é dado pela Lei de Ohm, e, segundo o Sistema Internacional de Unidades (SI), é medida em ohms.

Quando uma corrente eléctrica é estabelecida em um condutor metálico, um número muito elevado de electrões livres passa a se deslocar nesse condutor. Nesse movimento, os electrões colidem entre si e também contra os átomos que constituem o metal. Portanto, os electrões encontram uma certa dificuldade para se deslocar, isto é, existe uma resistência à passagem da corrente no condutor. Para medir essa resistência, os cientistas definiram uma grandeza que denominaram resistividade eléctrica.