O que é a primeira lei de Newton?

Antes de Galileu e Newton, muitos acreditavam que os objetos desaceleravam porque possuíam uma tendência natural para isso. Mas essas pessoas não levavam em consideração várias forças - ex: atrito, gravidade, e a resistência do ar - que provocam mudança de velocidade nos objetos aqui na terra. Se pudéssemos observar o movimento de um objeto no espaço, poderíamos notar as tendências naturais do movimento de um objeto livre de quaisquer influências externas. No espaço profundo, veríamos que se um objeto possuísse velocidade, ele continuaria a se mover com essa mesma velocidade até que alguma força causasse uma variação no seu movimento. Da mesma forma, se um objeto estivesse parado no espaço, ele continuaria em repouso até que alguma força agisse sobre ele, variando seu movimento.

No vídeo abaixo, podemos ver que objetos na estação espacial internacional ou permanecem em repouso, ou continuam a se mover com velocidade vetorial constante com relação à estação até que uma força aja sobre eles.

A ideia de que objetos somente variam sua velocidade devido a uma força está encapsulada na primeira lei de Newton.

Primeira Lei de Newton: Um objeto em repouso permanece em repouso, ou se estiver em movimento, permanece em movimento com velocidade constante, a menos que uma força externa atue sobre ele.

Note o uso repetido do verbo "permanece". Podemos pensar nessa lei como a preservação do status quo do movimento. A primeira lei de Newton afirma que deve haver uma causa - que é uma força resultante externa - para que haja qualquer variação na velocidade (uma variação na magnitude ou na direção). Um objeto deslizando sobre uma mesa ou sobre o chão perde velocidade por ação da força resultante do atrito agindo sobre o objeto. Porém numa mesa de hóquei aéreo, onde o ar não permite que o disco toque a mesa, o disco continua a se mover com uma velocidade praticamente constante até que uma força aja sobre ele (como quando o disco se choca com a lateral da mesa)

Uma força é um impulso ou uma tração exercida sobre um objeto por outro objeto. As unidades de $F$‍ são chamadas Newtons, ou simplesmente $\text{N}$‍.

Uma força externa é uma força que se origina fora de um objeto, em vez de uma força interna ao objeto. Por exemplo, a força da gravidade que a Terra exerce sobre a lua é uma força externa à lua. Contudo, a força da gravidade que o núcleo da lua exerce sobre sua crosta externa é uma força interna à lua. Forças internas a um objeto não podem gerar variação em seu movimento geral.

Já a força resultante, expressa como $\mathrm{\Sigma }F$‍, sobre um objeto é a força total exercida sobre o objeto. Se diversas forças agem sobre um objeto, então a força resultante é a soma de todas as forças. Mas cuidado: já que a força $F$‍ é um vetor, para encontrar a força resultante $\mathrm{\Sigma }F$‍, as forças precisam ser somadas como vetores, utilizando a soma de vetores.

Em outras palavras, se uma caixa de burritos congelados tivesse uma força de magnitude 45 Newtons sendo exercida pela direita e uma força de magnitude 30 Newtons sendo exercida pela esquerda, a força resultante na direção horizontal seria

A primeira lei de Newton estabelece que, caso a força resultante sobre um objeto seja zero ($\mathrm{\Sigma }F=0$‍), então esse objeto terá aceleração nula. Isso não necessariamente significa que o objeto está em repouso, mas significa que possui velocidade vetorial constante. Em outras palavras, velocidade vetorial constante igual a zero quer dizer que o objeto está parado; velocidade vetorial constante diferente de zero quer dizer que ele está se movendo sem mudar a magnitude da velocidade ou a direção.

Para uma caixa de burritos congelados, se a força para a direita teve uma magnitude de 45 Newtons e a força para a esquerda teve uma magnitude de 45 Newtons, a força líquida seria zero. A caixa de burritos tanto continuaria se movendo com uma velocidade vetorial constante — se tivesse começado com velocidade vetorial não nula antes que as forças fossem aplicadas — como permaneceria em repouso — se já estivesse em repouso antes de as forças serem aplicadas.

A propriedade de um corpo permanecer em repouso ou permanecer em movimento com velocidade constante é chamada de inércia. A primeira lei de Newton muitas vezes é chamada de lei da inércia. Como sabemos a partir de experiências, alguns objetos têm mais inércia que outros. Obviamente, é mais difícil variar o movimento de uma pedra grande do que o de uma bola de basquete, por exemplo.

A inércia de um objeto é medida por sua massa. A massa pode ser determinada medindo o quão difícil é acelerar um objeto. Quanto mais massa um objeto tem, mais difícil é acelerá-lo.

Além disso, grosseiramente falando, quando mais "coisas" (ou matéria) há em algo, mais massa ele tem, e mais difícil será alterar sua velocidade vetorial (por exemplo, fazê-lo acelerar).

Uma sonda espacial está à deriva com uma velocidade vetorial constante no espaço (longe de qualquer influência de planetas e estrelas) com seus propulsores desligados. Se dois propulsores forem ligados simultaneamente exercendo forças idênticas para as direções esquerda e direita nas direções mostradas, o que aconteceria com o movimento do foguete?

a. A sonda espacial continuaria com velocidade vetorial constante.
b. A sonda espacial aumentaria sua velocidade.
c. A sonda espacial diminuiria sua velocidade até parar.
d. A sonda espacial pararia imediatamente.

A resposta correta é: a. De acordo com a primeira lei de Newton, uma força resultante não-nula é necessária para variar a velocidade de um objeto. A força resultante na sonda espacial é zero (já que as forças se cancelam), então não há variação na velocidade da sonda.

Um elevador está sendo puxado para cima com uma velocidade vetorial constante por um cabo como visto no diagrama abaixo. Enquanto o elevador está se movendo para cima com velocidade vetorial constante, como a magnitude da força para cima exercida no elevador pelo cabo $F_c$‍ se comparada à magnitude da força da gravidade para baixo $F_g$‍ no elevador?

a. $F_c$‍ é maior que $F_g$‍
b. $F_c$‍ é igual a $F_g$‍
c. $F_c$‍ é menor que $F_g$‍
d. $F_c$‍ poderia ser maior ou menor que $F_g$‍ dependendo da massa do elevador.

A alternativa correta é: b. Se o elevador está se movendo com velocidade constante, a força resultante deve ser zero. Para que a força resultante no elevador seja zero, as forças para cima e para baixo devem se cancelar exatamente.

Uma sonda espacial está à deriva com uma velocidade vetorial constante no espaço (longe de qualquer influência de planetas e estrelas) com seus propulsores desligados. Se um propulsor for ligado e logo depois desligado fazendo uma pequena explosão de força na direção mostrada, o que melhor representaria o caminho viajado pelo foguete após o propulsor ser desligado?

a. trajetória a
b. trajetória b
c. trajetória c
d. trajetória d

A reposta correta é: c. Depois que o propulsor é desligado, não haverá força resultante na sonda espacial. Já que a força resultante é zero, a velocidade vetorial (tanto a magnitude quanto a direção) deve ser constante. Então, devido à primeira lei de Newton, a sonda espacial se move em linha reta com uma velocidade escalar constante. O fato de que havia uma força vertical sobre a sonda espacial não afeta a velocidade vetorial horizontal da sonda espacial, ela varia apenas a velocidade vetorial vertical. Um vetor velocidade constante na vertical e outro na horizontal resulta em uma linha diagonal reta no espaço.