ACELERAÇÃO DA GRAVIDADE

Os paraquedistas caem por causa da atração gravitacional da Terra                     

Quando observamos o movimento que a Lua descreve em torno da Terra ficamos um pouco intrigados e nos perguntamos: por que a Lua não cai na Terra? Hoje sabemos que há uma força de atração entre a Lua e a Terra. Essa força constitui um par de ação e reação sendo de mesma intensidade, porém de sentidos opostos. Essa explicação foi dada por Isaac Newton. Como sabemos que a Terra é “redonda”, surge outra pergunta: por que não caímos para o céu? Bem, não caímos para o céu pelo fato de existir uma força que nos atrai para o centro da Terra, essa força é a mesma que atua entre a Terra e a Lua.

Podemos perceber facilmente a existência da força atuando nos corpos: basta jogarmos um objeto para cima e veremos que ele retorna, após alguns instantes, à superfície da Terra. A força que puxa os objetos para o centro da Terra é chamada de gravidade. Como no exemplo anterior, sabemos que quando os corpos são lançados para cima, após um tempo eles caem com certa velocidade, ou seja, eles adquirem velocidade graças à aceleração da gravidade.

Tomando como base a Lei da Gravitação Universal, temos a possibilidade de determinar o valor da aceleração da gravidade na superfície da Terra em qualquer ponto. Para isso, é preciso apenas fazer uma relação entre a lei da gravitação sobre um corpo lançado para cima sobre a superfície da Terra. Sendo assim, podemos definir a lei da gravitação da seguinte maneira:

Na equação acima, temos que M é a massa da Terra, R é seu raio e m é a massa do corpo lançado para cima sobre a superfície da Terra. Podemos tratar o corpo como sendo um ponto material e a Terra como uma esfera homogênea. Veja a figura acima. Caso não consideremos a rotação da Terra, a força peso do corpo () será a própria força de atração (), onde:

A equação acima determina a aceleração da gravidade nos pontos da superfície terrestre.

Porém, quando o corpo ou objeto se encontra a uma altitude h, a aceleração da gravidade é menor que na superfície terrestre. Vejamos a ilustração abaixo.

Portanto, a gravidade pode ser determinada, para uma altitude h da superfície da Terra, da seguinte maneira:

Em relação às equações anteriores podemos dizer que elas podem ser generalizadas para qualquer outro corpo, como, por exemplo, satélites, planetas, etc.

ELEVADORES EM MOVIMENTO VERTICAL:

Na situação (a) há uma pessoa de massa m sobre uma balança no interior do elevador; na situação (b) há forças atuando na situação

Todos nós já entramos em um elevador. No início ficamos com um pouco de receio: o que aconteceria se ele parasse no meio de seu percurso? Se os cabos de sustentação arrebentassem, ele cairia com toda velocidade, como vemos em alguns filmes? Bom, não é tão perigoso como às vezes vemos no cinema. Na verdade, o elevador é um local bem interessante para estudarmos alguns conceitos sobre Física. Por exemplo, na maior parte do seu percurso ele descreve um movimento uniforme, só perceberemos a variação de velocidade em seu movimento inicial ou final. Vamos então analisar o comportamento de um corpo no interior de um elevador.

Consideremos que uma pessoa de massa m e peso esteja sobre uma balança (modelo usado em farmácias) colocada no interior de um elevador, como mostra a figura acima. Suponhamos então que o mostrador da balança nos mostre os valores em unidades de força.

Sabemos que a pessoa sobre o prato da balança aplica uma força   e, de acordo com a Lei da Ação e Reação, o prato da balança exerce sobre a pessoa uma força de mesma intensidade, porém de sentido contrário, portanto a força é  - . Não podemos nos esquecer de que ainda sobre a pessoa está atuando a força peso .

Portanto, o mostrador da balança deverá mostrar o módulo da força aplicada no prato, ou seja, deverá mostrar o valor de . Caso o elevador esteja em repouso ou movendo-se verticalmente com velocidade constante (subindo ou descendo), a resultante das forças sobre o indivíduo é nula. Dessa forma:

F_N=P   →    F_N=m.g

Isto é, a marcação indicada no mostrador da balança é igual ao peso do indivíduo. De tal modo, podemos dizer que para um elevador em repouso ou MRU na vertical a força normal é igual ao peso.

No entanto, se o elevador estiver se movimentando com aceleração não nula, a resultante das forças sobre o indivíduo não será mais nula. Assim, a força normal é diferente do peso, isto é, a balança não marcará o peso do indivíduo. Nesse caso, o valor de (que é o que a balança assinala) é chamado de peso aparente. Vamos analisar então os casos em que o elevador sobe ou desce, em movimento acelerado ou retardado, com aceleração de módulo a, lembrando que:

- num movimento acelerado, a força resultante tem o mesmo sentido do movimento ;

- num movimento retardado, a força resultante tem sentido oposto ao do movimento.

Nessa situação o elevador está subindo acelerado

Nesse caso, teremos:

F_N>P
F_R= F_N-P=m.a
F_N=m.g+m.a
F_N=m.(g+a)

Nessa situação o elevador sobe retardado

Nesse caso, teremos:

P> F_N
P- F_N=m .a
F_N=m.g-m.a
F_N=m.(g-a)
a ≤g

Nessa situação o elevador desce acelerado

Nesse caso, teremos:

P> F_N
P- F_N=m .a
F_N=m.g-m.a
F_N=m.(g-a)
a ≤g

Nessa situação o elevador desce retardado

Nesse caso, teremos:

F_N>P
F_N-P=m .a
F_N=m.g+m.a
F_N=m.(g+a)

FORÇA DE RESISTENCIA DO AR

Paraquedista planando em razão da força de resistência do ar

Se um corpo se movimenta através de um fluido (um gás, um líquido ou um vapor) surge uma força que se opõe a esse movimento. Em se tratando do ar, essa força é chamada de força de resistência do ar. Graças a essa resistência é que o paraquedas existe.
Quando um corpo está em movimento, ele sofre a ação de forças dissipativas, entre as quais podemos citar o atrito e a resistência do ar.
Para o movimento de um corpo em contato com o ar (como a queda livre, o movimento de uma motocicleta ou de um avião) com uma velocidade qualquer, a força da resistência do ar é dada por:

F_r = K . v²

Onde k é uma constante que depende da forma do corpo e da área da secção transversal do corpo, perpendicular à direção do movimento.

Em carros de fórmula 1, por exemplo, as formas aerodinâmicas diminuem o valor de K, o que ajuda a diminuir a resistência do ar nesses veículos, fazendo com que ganhem mais velocidade.
Já nos paraquedas, por exemplo, sua aerodinâmica aumenta o valor de K, consequentemente a resistência do ar aumenta.

Podemos dizer que o ar no paraquedas funciona como um vento forte, empurrando-o para cima, aliviando a queda.

O SOL:

Diariamente percebemos o dia claro, bem iluminado. Isso acontece graças à luz emitida pelo Sol, que, por sinal, é a maior estrela do sistema solar. A palavra Sol vem da palavra solis, em latim. Em nossos estudos, aprendemos que todos os outros corpos que fazem parte do sistema solar (como por exemplo, a Terra, os asteroides, os cometas, etc.) estão orbitando o Sol.

Núcleo
O Sol é composto principalmente pelos elementos hidrogênio e hélio, mas também possui outros elementos como o ferro, níquel, oxigênio, silício, etc.

Sua energia é criada na zona profunda do núcleo, com temperatura e pressão altíssimas e lá ocorrem as reações nucleares. Estudos realizados pelos cientistas descobriram que 700 milhões de toneladas do elemento hidrogênio são transformados em cinzas do elemento hélio, exatamente a cada um segundo.

Em uma parte do Sol, chamada de Zona de Irradiação, a energia produzida é transferida para outra zona pelo mesmo processo de propagação da luz, ou seja, pelo processo de irradiação. Com isso, essa energia não depende de nenhum meio para se propagar.

Já uma outra camada do Sol é chamada de Zona de Convecção, que é onde a energia produzida tem comportamento semelhante à convecção térmica.

A camada do Sol que está tendo contato com a zona de irradiação irá se aquecer mais, com isso, sua densidade irá diminuir, fazendo com que essa camada suba para a superfície e a camada que está na superfície desça, entrando novamente em contato com a zona de irradiação. Dessa forma, podemos dizer que esse é o mesmo processo que acontece quando aquecemos água em um recipiente.

Estrutura Interna do Sol

Fotosfera – é a parte do Sol composta por inúmeras estruturas hexagonais, bem pequenas, que também podem ser chamadas de grânulos. Essa estrutura se assemelha a um líquido em ebulição.

Podemos perceber, como mostra a figura abaixo, que as partes mais escuras equivalem às manchas solares.

Cromosfera – não é visível, pois a radiação emitida é mais fraca do que a radiação da fotosfera. Pode ser observada na ocorrência de eclipses, quando a Lua esconde o disco da fotosfera.

Coroa – é a camada mais externa do Sol, onde aparecem as proeminências, ou seja, nuvens imensas de gás brilhante que saem da cromosfera superior. A coroa constitui-se de partículas que se afastam vagarosamente do Sol podendo ser vista somente com um eclipse total do Sol.

 

FÍSICA NO COTIDIANO

Podemos afirmar que a Física se desenvolveu com o propósito de explicar os fenômenos da natureza, desde os mais comuns até os mais complexos. Portanto, é bem natural que a Física esteja diretamente relacionada ao nosso cotidiano. Apesar disso é muito comum que as ocorrências do cotidiano sejam tratadas com uma linguagem completamente distinta daquela utilizada pela comunidade científica. É apenas uma questão de adequação: algumas palavras se encaixam bem no linguajar popular, enquanto outras servem melhor ao vocabulário técnico.
Você não costuma dizer, por exemplo, que está sofrendo os efeitos de uma elevada temperatura. Coloquialmente apenas diz que está com calor. No entanto, cientificamente, calor é energia em trânsito, portanto ninguém pode “estar” com ele. Existem outros exemplos em que fica clara a distinção entre significados de expressões idênticas utilizadas em contextos diferentes.
Por causa dessas diferenças entre a nomenclatura usual e a científica, muitas pessoas fazem confusão entre três palavras que serão bastante usadas daqui em diante: massa, peso e normal. Vejamos então abaixo o quadro de comparações:

Pela análise da tabela, torna-se clara a importância de, ao menos na Física, se utilizar as expressões massa, peso e normal com certo cuidado, para que o rigor científico não seja afetado. Não se pode, por exemplo, falar que uma pessoa pesa 70 kg. Na nossa disciplina, peso é uma força, portanto deve ter o newton (N) como unidade de medida. Assim, o correto seria dizer que a pessoa pesa 700 N.
Para a Física, quando alguém sobe numa balança não está sendo medido o peso. As balanças comuns estão graduadas em quilogramas, portanto informam a massa de quem nelas sobe. A partir de agora, haverá uma distinção entre massa e peso. Lembre-se de que isto só é válido para uma balança que esteja na posição vertical e em equilíbrio.

Se um gato cair do primeiro andar de um edifício, terá mais ou menos problemas físicos do que se cair do terceiro?

 A aerodinâmica nos ensina que quanto mais leve o corpo, mais devagar ele cai.

É o caso do nosso amigo gato. Notamos uma queda livre do animal, o que nos leva a analisar tal evento como um lançamento vertical para baixo, ou seja, um movimento retilíneo uniformemente acelerado, no qual a velocidade do corpo em queda aumenta no decorrer do tempo.

Não podemos nos esquecer de que na queda também está presente a resistência do ar, o que permitirá o gato obter sucesso em sua queda ou não (esse sucesso depende da altura).

Analisando os fenômenos físicos já apresentados, observamos que o gato, ao cair do primeiro andar, não terá tempo suficiente para o sucesso na queda, isso porque o tempo de queda não possibilita ao bichano a postura ideal capaz de “defendê-lo”.

Já quando ele cai do terceiro andar, ocorre um momento de velocidade limite, na qual a resistência do ar aumenta até o momento em que se iguala ao peso do corpo do animal, fato que anula a aceleração resultante, fazendo então com que o gato caia com velocidade constante, tendo tempo de conseguir uma postura completa, evitando assim, possíveis danos de choque.

Conclusão: baseados nas leis da aerodinâmica, podemos concluir que os riscos de queda do 20º ou do 90º andar de um arranha céu, são iguais.