Leis de Newton do Movimento — Primeira, Segunda e Terceira Lei

As leis de Newton do movimento explicam três ideias centrais da mecânica clássica: o movimento permanece o mesmo quando a força externa resultante é zero, o movimento muda quando uma força externa resultante atua, e forças de interação sempre aparecem em pares de mesma intensidade e sentidos opostos em objetos diferentes.

Se você está resolvendo um problema de física, isso normalmente significa três perguntas. A força resultante é zero? Se não, qual é a força resultante? E quais dois objetos formam cada par de interação? Quando isso fica claro, a maioria dos problemas introdutórios de mecânica se torna muito mais fácil de montar.

Primeira Lei de Newton: Força Resultante Zero Significa Velocidade Constante

A primeira lei de Newton diz que um objeto permanece em repouso, ou continua se movendo com velocidade constante, a menos que uma força externa resultante atue sobre ele.

A expressão importante é força externa resultante. Se todas as forças externas se equilibram, a velocidade do objeto permanece constante. Velocidade constante inclui o caso especial de permanecer em repouso.

Essa lei é frequentemente chamada de lei da inércia. Inércia é a tendência de um objeto de resistir a mudanças em seu movimento.

Segunda Lei de Newton: A Força Resultante Determina a Aceleração

A segunda lei de Newton diz que a força externa resultante sobre um objeto é igual à taxa de variação da sua quantidade de movimento. Em muitos problemas introdutórios, nos quais a massa permanece constante, isso se torna

$$\vec{F}_{net} = m\vec{a}$$

Isso significa que a aceleração aponta na direção da força resultante. Se a mesma força resultante atua sobre uma massa maior, a aceleração é menor. Se a massa é fixa e a força resultante aumenta, a aceleração aumenta.

A condição importa: a forma familiar $F_{net} = ma$ é a forma para massa constante.

Terceira Lei de Newton: Forças de Interação Vêm em Pares

A terceira lei de Newton diz que, se o objeto A exerce uma força sobre o objeto B, então o objeto B exerce uma força de mesma intensidade e direção oposta sobre o objeto A.

Essas duas forças atuam em objetos diferentes. Essa é a parte que os estudantes mais costumam perder. Como elas atuam em corpos diferentes, não se cancelam quando você analisa o movimento de apenas um objeto.

Exemplo Resolvido: Uma Caixa Empurrada Pelo Chão

Uma caixa de $5\ \mathrm{kg}$ é empurrada sobre um piso com uma força horizontal de $20\ \mathrm{N}$ para a direita. O atrito sobre a caixa é de $5\ \mathrm{N}$ para a esquerda. Encontre a aceleração da caixa e relacione o resultado às três leis.

Escolha a caixa como objeto. Depois combine as forças horizontais:

$$F_{net} = 20 - 5 = 15\ \mathrm{N}$$

Então, pela segunda lei de Newton,

$$a = \frac{F_{net}}{m} = \frac{15}{5} = 3\ \mathrm{m/s^2}$$

Portanto, a caixa acelera para a direita com $3\ \mathrm{m/s^2}$.

Agora interprete esse resultado com as três leis:

• A primeira lei diz que a caixa manteria velocidade constante apenas se a força externa resultante fosse zero. Aqui ela não é zero, então o movimento muda.
• A terceira lei diz que a caixa também empurra a pessoa com uma força de $20\ \mathrm{N}$ para a esquerda. Essa força de reação atua na pessoa, não na caixa, então ela não reduz a força resultante da caixa.

Esse é o principal padrão para lembrar. Primeiro encontre a força resultante sobre um objeto escolhido. Depois use a terceira lei separadamente para identificar a força correspondente no outro objeto.

Erros Comuns com as Leis de Newton

Tratar força resultante zero como velocidade zero

Se a força externa resultante é zero, a aceleração é zero. Isso não significa que a velocidade precisa ser zero. O objeto pode estar se movendo com velocidade constante em linha reta.

Usar uma força em vez da força resultante

Você deve somar primeiro todas as forças externas como vetores. A aceleração depende do resultado final, não apenas de uma força que você percebeu.

Formar pares errados na terceira lei

Peso e força normal costumam ter a mesma intensidade em situações simples, mas não formam um par da terceira lei porque atuam no mesmo objeto. Um verdadeiro par da terceira lei atua em dois objetos diferentes.

Esquecer a condição por trás de $F_{net} = ma$

Na mecânica introdutória, esse atalho geralmente está correto porque a massa é constante. Em casos mais gerais, a formulação mais profunda da segunda lei trata da quantidade de movimento.

Quando as Leis de Newton São Usadas

As leis de Newton são o ponto de partida para diagramas de corpo livre, movimento de veículos, queda de objetos, problemas com atrito, sistemas de polias e muitos modelos de colisão. Elas também sustentam muitas aproximações da mecânica orbital quando a mecânica clássica é um bom modelo.

Elas funcionam muito bem para muitos problemas cotidianos de engenharia e física. Em velocidades muito altas, campos gravitacionais muito intensos ou escalas atômicas, são necessários modelos mais avançados.

Como Escolher Rapidamente a Lei Certa

Use a primeira lei quando quiser testar se as forças se equilibram e o movimento permanece constante. Use a segunda lei quando precisar da aceleração a partir de uma força resultante conhecida, ou da força resultante a partir de uma aceleração conhecida. Use a terceira lei quando dois objetos interagem e você precisa identificar corretamente o par de forças.

Tente Sua Própria Versão

Mude o exemplo para que o atrito seja $20\ \mathrm{N}$ em vez de $5\ \mathrm{N}$. Então a força resultante é zero, de modo que a caixa tem aceleração zero e mantém velocidade constante se já estiver em movimento. Se quiser um retorno passo a passo depois de tentar sozinho, compare sua montagem com a de um problema semelhante de forças no GPAI Solver.