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Forças Que Afetam Sólidos e Fluidos.

Além das quatro forças fundamentais do universo (gravidade, eletromagnetismo e forças nucleares forte e fraca), existem forças que derivam destas e afetam o comportamento de sólidos e fluidos.

Seus nomes são atrito, elasticidade, viscosidade, pressão e flutuação.

Quando uma força é aplicada a um sólido, ele tende a resistir.

Os fluidos, embora não tenham forma definida, mantêm sua integridade graças a forças internas que exercem pressão sobre as paredes do recipiente que os contêm.

Por definição, os fluidos apresentam a tendência de fluir, ou escoar, que pode ser maior em algumas substâncias do que em outras, sendo determinada por sua viscosidade.

Estática.

A primeira Lei de Newton, enunciada para uma única partícula, pode também ser aplicada a corpos que possuam tamanho e forma definidos ou constituídos por muitas partículas.

Tais corpos podem estar em equilíbrio (em repouso ou se movendo em velocidade constante em linha reta), o que significa que estão sujeitos a uma força resultante nula, sem tendência para girar.

Um corpo está sujeito a uma força resultante zero quando a resultante de todas as forças que agem sobre ele é igual a zero, ou seja, quando todas as forças se anulam.

Se o corpo está em repouso, está em equilíbrio estático.

Estudos sobre estas condições são importantes para projetos de pontes, represas e prédios.

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Forças Envolvidas na Rotação.

O torque (ou momento da força) mede a tendência da força de fazer o corpo girar.

Neste caso, a força provoca aceleração angular, que é a taxa de modificação do momento angular do corpo.

O torque é definido como o produto da força que age sobre o corpo pela distância perpendicular entre seu eixo de rotação e a linha de ação da força.

O torque possui unidades de força e distância, sendo geralmente expressas como newton metros (N m).

O torque aumenta se a força ou a distância perpendicular aumentam.

Quando se usa um calço para manter uma porta aberta, ele será mais eficiente quanto mais distante estiver da dobradiça.

Quando um corpo está sujeito a duas forças iguais e opostas, mas não na mesma linha, o resultado é um binário, que possui momento de giro constante em torno de qualquer eixo perpendicular ao plano em que as forças atuam.

Quando o torque total ou resultante é zero em torno de qualquer eixo, o corpo está em equilíbrio.

Um corpo estará em equilíbrio estável se um pequeno deslocamento linear fizer com que uma força aja sobre ele, trazendo-o de volta à posição anterior, ou se um deslocamento angular fizer com que o binário atue, fazendo voltar à posição anterior, chamada de posição de equilíbrio.

O centro de massa de um corpo é um ponto geralmente situado dentro dele, de forma que a força resultante produza uma aceleração sobre esse ponto, como se toda a sua massa estivesse concentrada neste ponto.

Dependendo da forma do corpo, o centro de massa pode estar situado fora dele.

Quando há um campo gravitacional uniforme, o centro de gravidade coincide com o centro de massa do corpo.

Neste caso, todo o peso pode ser considerado como se agisse sobre este único ponto.

A estabilidade de um objeto melhora quando seu centro de gravidade é mantido o mais baixo possível.

Atrito.

O atrito de deslizamento ocorre quando um corpo sólido desliza sobre uma superfície áspera.

O deslocamento do corpo é restrito pela interação que ocorre entre a sua superfície e a superfície sobre a qual ele se move.

Trata-se da força de atrito cinético.

Outro tipo de atrito é o estático.

Antes de o objeto se mover, a força resultante que age sobre ele deve ser zero.

A força de atrito que atua entre o objeto e a superfície sobre a qual ele repousa não pode ultrapassar seu valor limite.

Assim, quando as outras forças que agem sobre o objeto, contrárias ao atrito, excedem este valor, ele sofre aceleração.

O valor limite da força de atrito é atingido quando o objeto estacionário, sobre o qual age a força resultante, está prestes a deslizar.

Estes dois tipos de atrito envolvem interação entre superfícies sólidas.

As forças de atrito dependem das superfícies em contato e, em especial, da presença de outros elementos sobre elas.

O atrito entre superfícies de metal deve-se principalmente à adesão, ao cisalhamento e à deformação que ocorrem no interior e em tomo das regiões em contato.

A energia dissipada no atrito manifesta-se na forma de calor.

É por isso que os freios do carro se aquecem quando usados para diminuir a velocidade.

Sistema Hidrálico Simples

Os efeitos do atrito podem ser reduzidos pelo emprego de lubrificantes entre as superfícies em contato.

Esta é uma das funções do óleo dos motores.

Outro tipo de atrito é o atrito de rolamento, que ocorre quando uma roda gira.

A energia é dissipada através do sistema devido à elasticidade imperfeita.

Este efeito não depende das superfícies e não é afetado pela lubrificação.

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Elasticidade.

A elasticidade trata das deformações que desaparecem quando as forças externas aplicadas a um corpo cessam.

Se as deformações forem pequenas, os corpos comportam-se elasticamente.

A deformação é uma medida da quantidade de mudança de forma de um corpo.

A tensão é uma quantidade proporcional à força que causa a deformação.

O valor da tensão em qualquer ponto é dado pela grandeza da força atuante naquele ponto, dividida pela área sobre a qual atua.

No caso de tensões pequenas, a tensão é proporcional à deformação.

A constante de proporcionalidade é chamada módulo elástico e varia conforme o material e o tipo de deformação.

Um exemplo de deformação é a extensão ou elongação de uma mola por uma força aplicada sobre ela.

A lei de Hooke, formulada pelo inglês Robert Hooke (1635-1703), diz que, para forças pequenas, a extensão é proporcional à força aplicada.

Assim, as balanças de mola podem ter graduação uniforme para a medida de pesos variados porque o aço das molas, que volta imediatamente ao estado inicial, é quase perfeitamente elástico.

Por outro lado, quando uma bola de borracha macia cai sobre o chão duro, ela quica e sobe, atingindo apenas cerca da metade de sua altura inicial, o que demonstra sua elasticidade imperfeita.

Alguns corpos apresentam comportamento elástico para valores baixos de tensão, mas, acima do nível crítico, comportam-se de maneira perfeitamente viscosa e "escoam" como melado, com deformação irrevesível.

Trata­se da fluidez plástica.

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Hidrostática, Fluidos em Repouso.

A pressão é definida como a força perpendicular ou normal por unidade de área de uma superfície plana do fluido e sua unidade é o pascal (Pa), equivalente a 1 newton por metro quadrado (N/m²).

Em todos os pontos do fluido situados à mesma profundidade a pressão é a mesma.

No caso de fluidos contidos, a pressão depende apenas da profundidade e independe da área transversal.

Nos freios hidráulicos dos carros, uma força é aplicada pelo pedal a um pistão pequeno.

A pressão é transmitida por meio do fluido hidráulico a um pistão maior conectado ao freio.

Desta maneira, a força aplicada sobre o freio é ampliada em relação à força aplicada ao pedal.

A pressão atmosférica pode ser medida através de um barômetro.

Ao nível do mar, equivale ao peso de uma coluna de mercúrio de cerca de 0,76 m de altura, o que corresponde a cerca de:
1,01 × 10⁵.

Sua variação pode chegar a 5%, dependendo dos sistemas meteorológicos que estejam atuando na atmosfera.

A força de flutuação foi descrita pelo matemático e físico grego Arquimedes (287-212 a.C.).

O princípio de Arquimedes diz que um objeto colocado num fluido flutua devido à ação de uma força igual ao peso do fluido deslocado pelo corpo.

Corpos com densidade superior à do fluido afundam, porque o fluido que deslocam pesa menos que o próprio corpo.

Corpos com densidade inferior à do fluido flutuam.

Equilibrio.

A força resultante sobre o corpo é zero.

A massa é compensada pela força de reação:
R = mg

(mg é a força gravitacional que atua sobre o massa)

Os homens estão puxando com força igual:
F =.F.

O corpo não se moverá.

Torque.

Torque ou momento da força = força × distãncia perpendicular = Fd

Binário.

A força total de giro que sobre a borboleta é 2 Fd.

Centro de Gravidade.

Os carros de corrida possuem centro de gravidade muito baixo e conservam sua estabilidade mesmo em pistas inclinadas.

Um caminhão carregado terá centro de gravidade alto e poderá tombar em terrenos muito inclinados.

Elasticidade e Fluidez Plástica.

Alguns corpos comportam-se elasticamente quando submetidos a forças pequenas.

Porém acima de um ponto crítico, sofrem fluidez plástica, ou seja, estendem-se irreversivelmente.

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