Velocidade, massa e força

O que é velocidade?

        Velocidade significa a qualidade do que é veloz. Designa a rapidez de um movimento ou a celeridade de um processo.
        Em Física, velocidade é a relação entre uma determinada distância percorrida e o tempo gasto no percurso. A distância é medida em metros e o tempo em segundos (m/s), no SI (Sistema Internacional de Unidades). A velocidade é uma grandeza vetorial representada por um vetor que possui direção, sentido e módulo.
        Velocidade de cruzeiro em um navio ou aeronave significa a velocidade ideal para um determinado percurso, em que se consegue manter a velocidade máxima e constante. em outros meios de transporte, a velocidade de cruzeiro designa a relação maior eficiência/menor consumo.
         A expressão "velocidade de cruzeiro" também é aplicada em outros contextos com o significado de "constante", "sem alteração", "roteiro" ou "monótono".

          

É possível calcular a velocidade média desses corredores?

           Observe o seguinte exemplo: um móvel parte às 10 horas da manhã de uma cidade que está situada no km 30 de uma rodovia. Às 15 horas da tarde ele chega ao seu destino, uma cidade situada no km 250. Sabendo da situação acima podemos calcular qual foi a velocidade média que o móvel teve até chegar ao seu destino final. Mas por que calcular a velocidade escalar média? Ao trafegar por um determinado percurso, um móvel qualquer muda constantemente sua velocidade, seja para ultrapassar um veículo mais lento ou até mesmo reduzindo a velocidade ao passar por uma lombada eletrônica. Sendo assim, a velocidade média nos dá uma visão de qual foi a velocidade que o móvel manteve na maioria do seu percurso.

Velocidade escalar média é definido como a razão da variação da posição do móvel pela variação do tempo gasto para percorrer o trajeto. Matematicamente temos:

Onde:

ΔS é a variação da posição do móvel: ΔS = S_f - S_i

Δt é a variação do tempo: Δt = t_f - t_i

         A unidade de medida da velocidade média, no Sistema Internacional de Unidades (SI), é o m/s, porém existem outras como o cm/s e o km/h. Quando necessário é possível transformar a unidade de velocidade. Para transformar m/s para km/h basta multiplicar o valor da velocidade média por 3,6, se for necessário o contrário, ou seja, transformar de km/h para m/s, basta dividir o valor da velocidade média por 3,6, veja o esquema:

de km/h para m/s basta dividir por 3,6
de m/s para km/h basta multiplicar por 3,6

Voltando ao exemplo inicial podemos calcular a velocidade escalar média do móvel.

ΔS = 250 – 30 = 220 km

Δt = 15 – 10 = 5 h

        Fazendo a razão entre a variação da posição pela variação do tempo, podemos concluir que a velocidade média do móvel, durante seu percurso foi de 44 km/h.

Velocidade escalar instantânea.

          A velocidade escalar instantânea é a velocidade em determinado instante específico. Para calcular a velocidade instantânea é necessária a utilização de uma operação matemática denominada de limite. Nessa operação matemática pegamos intervalos de tempo muito pequenos, ou seja, fazemo-los tender para zero. Matematicamente temos a seguinte relação que define a velocidade escalar instantânea:

       A unidade da velocidade instantânea é a mesma da velocidade média, podendo ela ser dada km/h, m/s no SI ou ainda o cm/s. Para transformar uma unidade em outra basta fazer os mesmos cálculos que são utilizados na velocidade escalar média.

Conceito de Massa

           Em física, o termo massa designa a quantidade de matéria de um qualquer corpo, a qual é geralmente medida em gramas. É a massa de um corpo que determina a força exercida pelo seu campo gravitacional. Por exemplo, a Terra tem cerca de 80 vezes mais massa do que a Lua pelo que a força exercida pelo seu campo gravitacional é proporcionalmente maior. A massa pode ser considerada também como uma medida directa da oposição que um determinado corpo oferece à mudança no seu estado de movimento, ou seja, como uma medida da inércia.

         A faixa de massas permitida pela natureza é extremamente grande e vai desde a massa de um electrão que é cerca de 9 x 10^-34 gramas à massa de uma galáxiaque pode chegar às 10¹¹ massas solares.

Massa e Energia

          Num artigo publicado em 1905 na “Annalen der Physik”, a principal revista alemã de física da altura, Einstein apresentava a mais famosa equação matemática da física: E=mc², a qual estabelece uma equivalência entre massa (m) e energia (E). Segundo Einstein, e de acordo com a relação estabelecida por esta equação, existe a possibilidade de a matéria se converter em energia e vice-versa.

Massa vs Peso

          Um aspecto importante que deve ser realçado é a confusão muitas vezes efectuada entre massa e peso. Enquanto a massa é uma medida de quantidade de matéria de um objecto, o peso é uma força que resulta da interacção gravitacional entre a massa desse objecto e um campo gravitacional no qual esteja localizado. Desta forma, a massa do objecto é parte integrante do cálculo do seu peso mas por si só não é suficiente para o explicar pois este depende também da intensidade do campo gravitacional em que o referido objecto se encontre. Por exemplo, uma pessoa com uma massa de 70 kg terá um peso (que pode ser medido em Newtons ou em kg força) muito superior junto à superfície da Terra do que aquele que teria junto à superfície da Lua. De facto, como na Terra, a aceleração da gravidade é, em média, 9.81m/s², enquanto na Lua esse valor cai para aproximadamente 1.64m/s², ou seja, é seis vezes menor, o peso dessa pessoa seria de 70x9.81 = 686.7 N enquanto na Lua seria de apenas 70x1.64 = 114.8 N.

O que é força?

Força é um dos conceitos fundamentais de Física newtoniana. Relacionado com as três leis de Newton, é um grandeza que tem a capacidade de vencer a inércia de um corpo, modificando-lhe a velocidade (seja na sua magnitude ou direção, já que se trata de um vetor). Como corolário, chega-se ao constructo de que a força pode causar deformação em um objeto flexível.

Citação: Força é qualquer agente externo que modifica o movimento de um corpo livre ou causa deformação num corpo fixo.

       Intuitivamente, a força se identifica com as noções de empuxo. A força, por ser também um vetor, tem dois elementos: a magnitude e a direção. A segunda lei de Newton, (F=m.a), foi originalmente formulada em termos ligeiramente diferentes, mas equivalentes: a versão original afirma que a força que age sobre um objeto é igual à derivada temporal do momento linear deste objeto.

Alguns conceitos relacionados com a força:
- pressão, divisão ou distribuição da força sobre a área;
- arrasto, diminuição da velocidade de um objeto;
- torque, força que produz mudanças na velocidade de rotação de um objeto.

           A força aplicada num corpo fixo é chamada tensão mecânica ou estresse mecânico, um termo técnico para as influências que causam deformação da matéria. Enquanto o estresse mecânico pode permanecer incorporado em um objeto sólido, gradualmente, deformá-lo, estresse mecânico em um fluido determina mudanças em sua pressão e volume.

A era pré-newtoniana

         Os filósofos na Antiguidade Clássica usavam os conceitos de força no estudo de objetos estáticos e dinâmicos e em máquinas simples, porém os pensadores como Aristóteles e Arquimedes incorreram em erros de entendimento. Em parte, isto deveu-se a uma compreensão incompleta de força, por vezes não óbvia, mais precisamente em relação ao atrito, e, consequentemente, uma visão inadequada da natureza do movimento natural.

Aristóteles, filósofo grego, entendia que a força da gravidade era a tendência dos objetos a buscar seu lugar natural.

        Desde da antiguidade o conceito da força vinha sendo utilizado na construção das máquinas da época. A vantagem atingida com o uso de uma máquina simples, como é o caso da alavanca, era descrita como o uso de menos força para se chegar a uma certa quantidade de trabalho. A análise da força avançou com o trabalho de Arquimedes, que foi especialmente notório pela formulação de um modelo de força de empuxos inerente ao volume.

       Aristóteles entendia o conceito filosófico de força como uma parte integrante da cosmologia aristotélica. Na visão de Aristóteles, que ainda hoje é muito conhecida, a natureza tinha quatro elementos, água, terra, fogo e ar. Ele ligava a matéria ao elemento terra e a gravidade como a tendência dos objetos a buscar seu lugar natural. Assim, o movimento natural se distinguia do movimento forçado, o que dava origem ao conceito de força.

      Esta teoria, baseada nas experiências objetos em movimento, como carroças, não explicava o comportamento de projéteis, como o voo de flechas. O paradoxo era que a força era aplicada no projétil apenas no início do voo e entretanto o projétil navegava pelo ar posteriormente ao impulso inicial. Aristóteles estava ciente do problema e propôs que o ar deslocado pelo percurso do projétil sorvia-o com a força necessária para continuar o seu movimento.

     Problemas adicionais no modelo aristotélico eram causados pela ausência do devido tratamento à resistência do ar do movimento dos projéteis.

    A física aristotélica enfrentou críticas na ciência medieval, inicialmente por João Filopono, no século XI. Galileu Galilei, posteriormente, já no século XVII, construiu um experimento no qual as pedras e balas de canhão inclinavam, refutando a teoria aristotélica do movimento. Ele mostrou que os corpos são acelerados pela gravidade de uma forma independente da sua massa e argumentou que os objetos retêm sua velocidade, sendo também influenciados pelas forças de atrito.

A revolução newtoniana

    Um dos equívocos destes pioneiros foi a crença de que uma força é necessária para manter o movimento, mesmo a uma velocidade constante. Considera-se que a maioria das contradições conceituais foi corrigida por Isaac Newton. Com a sua intuição matemática, ele formulou as leis de Newton que não foram aperfeiçoadas por 300 anos sendo, ainda hoje, um dos modelos conceituais válidos no estudo da física.

A física contemporânea

    No início do século XX, Einstein desenvolveu a teoria da relatividade, que trata de um modelo mais preciso, diferenciando-se do anterior sobretudo no caso em que objetos se movimentam a velocidade próxima da velocidade da luz. Este novo modelo também previu novas visões sobre as forças produzidas pela gravitação e sobre a inércia.

    Posteriormente, a mecânica quântica e a física de partículas representaram modelos ainda mais precisos, desta vez estudando as partículas menores que os átomos. Tais modelos foram possíveis graças à tecnologia do acelerador de partículas, que permitiu experimentos variados. No que tange à força, este ramo da física conhece quatro tipos: a força forte, a força eletromagnética, a força nuclear fraca e a força gravitacional. As experiências da física de partículas feitas durante os anos 1970 e 1980 confirmou que as forças fraca e eletromagnética são expressões de uma forma mais fundamental de força chamada força eletrofraca.

Mecânica newtoniana

Newton tentou descrever o movimento de todos os objetos usando os conceitos de inércia e força e, ao fazê-lo, descobriu que eles obedecem as determinadas leis. Em 1687, Newton publicou sua tese no tratado chamado Philosophiae Naturalis Principia Mathematica. Neste trabalho, ele enunciou as três principais leis da dinâmica que até hoje são a maneira como as forças são descritas na física, chamadas de Leis de Newton.

http://www.knoow.net/cienciasexactas/fisica/massa.htm
Por Marco Aurélio da Silva

http://www.brasilescola.com/fisica/velocidade-escalar-media.htm
http://www.significados.com.br/velocidade/