A Origem da Segunda Lei de Newton: Da Variação do Momentum à Expressão \( F = m \cdot a \)
Introdução
A Segunda Lei de Newton é uma das fundações da mecânica clássica e estabelece a relação entre a força aplicada sobre um corpo e a aceleração que esse corpo experimenta.
Formalmente, é expressa pela equação \( F = m \cdot a \), onde \( F \) é a força resultante aplicada sobre o corpo, \( m \) é a massa do corpo, e \( a \) é a aceleração.
Esta lei é fundamental para a compreensão do movimento dos corpos e está profundamente enraizada no conceito de variação do momentum (ou quantidade de movimento). Neste artigo, exploraremos como Isaac Newton chegou à formulação dessa lei a partir da ideia de variação do momentum.
O Conceito de Momentum
O momentum de um objeto, também conhecido como quantidade de movimento, é uma grandeza vetorial definida como o produto da massa de um objeto pela sua velocidade. Matematicamente, pode ser expresso como:
\[ \vec{p} = m \cdot \vec{v} \]
Onde:
- \( \vec{p} \) é o momentum do objeto.
- \( m \) é a massa do objeto.
- \( \vec{v} \) é a velocidade do objeto.
O conceito de momentum é central na mecânica clássica porque ele é conservado em sistemas isolados, ou seja, em sistemas onde não há forças externas atuando.
A Variação do Momentum
Newton, em seu livro "Princípios Matemáticos da Filosofia Natural" (1687), formulou suas leis do movimento com base no conceito de momentum. Segundo a Segunda Lei de Newton em sua forma original, a força atuando sobre um corpo é proporcional à taxa de variação temporal do momentum do corpo. Esta ideia pode ser expressa como:
\[ \vec{F} = \frac{d\vec{p}}{dt} \]
Ou seja, a força resultante \( \vec{F} \) que atua sobre um corpo é igual à derivada do momentum em relação ao tempo.
Derivando \( F = m \cdot a \) a partir do Momentum
Para entender como a expressão \( F = m \cdot a \) deriva da variação do momentum, vamos considerar um corpo de massa constante \( m \).
Sabemos que o momentum \( \vec{p} \) é dado por \( \vec{p} = m \cdot \vec{v} \).
Se a massa \( m \) do corpo permanece constante, a variação do momentum é dada pela variação da velocidade:
\[ \frac{d\vec{p}}{dt} = \frac{d}{dt} (m \cdot \vec{v}) \]
Como a massa \( m \) é constante, ela pode ser fatorada para fora da derivada:
\[ \vec{F} = m \cdot \frac{d\vec{v}}{dt} \]
Sabemos que a derivada da velocidade em relação ao tempo \( \frac{d\vec{v}}{dt} \) é a aceleração \( \vec{a} \). Portanto, podemos escrever:
\[ \vec{F} = m \cdot \vec{a} \]
Assim, a força resultante aplicada a um corpo é igual ao produto da massa do corpo pela aceleração que ele experimenta. Esta é a forma familiar da Segunda Lei de Newton.
Interpretação Física da Segunda Lei de Newton
A equação \( F = m \cdot a \) revela que, para uma massa constante, a aceleração de um corpo é diretamente proporcional à força resultante aplicada sobre ele e inversamente proporcional à sua massa.
Em termos práticos, isso significa que quanto maior a força aplicada, maior será a aceleração, e quanto maior a massa do corpo, menor será a aceleração para uma força aplicada constante.
Este princípio tem aplicações práticas em uma variedade de contextos, desde o lançamento de foguetes até o simples ato de empurrar um carro. A Segunda Lei de Newton fornece uma base sólida para calcular como objetos respondem a forças, permitindo prever com precisão seus movimentos em uma ampla gama de situações.
Conclusão
A Segunda Lei de Newton, expressa pela equação \( F = m \cdot a \), é uma das leis mais fundamentais da física, derivada diretamente do conceito de variação do momentum. Esta lei não apenas define como as forças afetam o movimento dos corpos, mas também nos oferece uma ferramenta poderosa para analisar e prever o comportamento dos objetos em movimento.
A conexão entre a variação do momentum e a força é um exemplo brilhante de como Newton unificou conceitos matemáticos e físicos para descrever o mundo natural, deixando um legado duradouro que continua a ser a base de muitos avanços na ciência e na engenharia.
Autor: Nilson Silva de Andrade
Professor Mestre em Ensino de Física e Licenciado em Física
Usuários também perguntam:
1. O que é a Primeira Lei de Newton?
2. Onde encontrar Experimentos Didáticos sobre as leis de Newton?
){kind=link}