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Física mecânica: o que estuda a estática?

A estática é a parte da física mecânica que estuda os sistemas físicos em equilíbrio. A estática aborda dois conceitos principais: força e atrito. Segundo os postulados de Newton, força é a grandeza física capaz de produzir modificações no estado de movimento dos corpos.

Na superfície terrestre existe uma força permanente, denominada peso, que atua sobre os sistemas materiais dotados de massa. O peso resulta da atração da gravidade exercida pela Terra sobre todos os corpos situados em sua superfície e se define como o produto da massa do corpo pela aceleração da gravidade, que ao nível do mar é de 9,8m/s2.

Como toda força, o peso apresenta caráter vetorial, ou seja, importam igualmente, para sua definição, o valor numérico ou módulo, a direção e o sentido com que se manifesta. Em qualquer estado físico, o peso dirige-se para o centro da Terra, paralelamente à direção do fio de prumo, que mede com precisão a linha vertical. Um corpo situado num plano horizontal permanece imóvel ao ser submetido a uma força perpendicular (peso), que é compensada pela resistência do plano.

Ao contrário, se o plano é inclinado, o corpo pode deslizar pela ação de seu próprio peso, problema no qual atuam dois fatores principais: a componente tangencial do peso, já que apenas uma parte da força intervém ativamente no processo; e o atrito existente entre as partículas do sólido que desliza e a superfície do plano.

A estática relaciona o efeito do atrito com um tipo específico de força chamada não conservativa, que não se manifesta como movimento e sim como resistência a ele, e produz apenas dissipação em forma de calor. Um sistema físico é conservativo quando sua energia se mantém ao longo do tempo. Para que tal condição se cumpra, é preciso que ele seja submetido a um campo de força derivado de um potencial estacionário. A força de atrito varia de acordo com as características do corpo e da superfície do plano, e se determina por um coeficiente específico para cada substância.

Um sistema físico está em equilíbrio quando o resultado global de todas as forças que atuam sobre ele (peso, atrito, forças exteriores) é nulo.

Física mecânica: o que é a cinemática?

A cinemática é parte da física mecânica que se ocupa da descrição do movimento e não de suas causas, que são estudadas pela dinâmica.

Na mecânica clássica, o movimento de um corpo é descrito por meio de três funções do tempo: a posição em relação a um referencial, a velocidade e a aceleração. Em princípio, dada a aceleração do corpo como função do tempo, podemos determinar sua velocidade em qualquer instante e depois sua posição.

Os movimentos encontrados na natureza são inúmeros e, na maioria das vezes, combinações extremamente complexas de translações e rotações. Esse é o caso de uma bola de futebol chutada com efeito, cujo exemplo mais célebre é a “folha seca” do mestre Didi, assim chamada porque o movimento da bola assemelhava-se ao de uma folha caindo ao sabor do vento. Movimentos desse tipo exigem uma descrição matemática sofisticada que muitas vezes só é possível com auxílio de computadores de grande capacidade de processamento.

Alguns movimentos, porém, são relativamente simples e podem ser estudados com métodos simples. É o caso, por exemplo, do movimento retilíneo uniforme (MRU), do movimento retilíneo uniformemente variado (MRUV), ou do movimento circular uniforme (MCU).

A análise dos movimentos observados nas partículas e sistemas, independentemente de suas causas, é o objeto do estudo da cinemática. É difícil descrever qualquer movimento na natureza sem recorrer a simplificações iniciais que abordem esse movimento como composição de outros mais simples, regidos por trajetórias que podem ser expressas matematicamente. Em cinemática distinguem-se fundamentalmente dois tipos de movimentos básicos simples: o retilíneo e o circular. O movimento circular se define pela determinação da posição do corpo e do ângulo de rotação, em relação a um sistema de referência inercial.

Define-se como movimento uniforme aquele que apresenta velocidade constante, linear ou angular, de modo que seja possível determinar a posição de um sistema apenas pela multiplicação de sua velocidade pelo tempo transcorrido, e pelo acréscimo do resultado a sua posição inicial. Tal definição se expressa em termos matemáticos por meio das seguintes equações:

* s = so + v.t  : em que s é a posição atual; so é a posição inicial; v é a velocidade linear, que no sistema MKS se expressa em metros por segundo; e t é o tempo transcorrido;

* j = j0 + v.t  : em que j é o ângulo atual; j0 é o ângulo inicial; v é a velocidade angular, que no sistema MKS se expressa em radianos por segundo; e t é o tempo transcorrido.

O movimento uniformemente variado é aquele em que se verifica uma variação uniforme de velocidade, ou aceleração constante, regido por leis matemáticas expressas pelas seguintes fórmulas:

* s = so + vo.t + 1/2 a.t²  : em que vo é a velocidade linear inicial; a é a aceleração linear, que no sistema MKS se expressa em metros por segundo ao quadrado;

* j = j0 + v0 . t + 1/2y.t²  : em que v0 é a velocidade angular inicial e y é a aceleração angular, que no sistema MKS se mede em radianos por segundo ao quadrado.

Os movimentos não uniformemente acelerados têm expressões matemáticas bem mais complicadas. O movimento uniforme e o uniformemente variado permitem estudar dois fenômenos cinemáticos de grande interesse: a queda livre de dois corpos, motivada por uma aceleração constante, chamada de gravidade (g), e o lançamento de projéteis, que pode ser decomposto em dois movimentos simultâneos, um horizontal uniforme e outro vertical uniformemente acelerado, com aceleração g.

Do ponto de vista cinemático, muitos sistemas estáveis reagem às perturbações a seu funcionamento normal oscilando, como forma de recuperar o equilíbrio perdido. O movimento oscilatório harmônico, como é conhecido, define-se pela existência de uma força que em todo momento se opõe à direção do movimento.