Conteúdo principal
Física - Ensino Médio
Curso: Física - Ensino Médio > Unidade 5
Lição 3: Força centrípetaComo identificar a força centrípeta em carros e satélites
Como identificar as forças ou as componentes da força que agem como a força centrípeta em um carro que se move em um círculo horizontal, um carro que se move em um círculo vertical e um satélite em órbita.
Quer participar da conversa?
- É interessante pensar que a força centrípeta varia no próprio trajeto de looping :)(1 voto)
Transcrição de vídeo
RKA3JV - Olá,
tudo bem com você? Você vai assistir agora a mais uma
aula de Ciências da Natureza. Nesta aula, vamos
observar alguns casos e identificar a força centrípeta
atuando sobre os corpos. Para o primeiro caso, vamos considerar
que estamos em um carro e estamos fazendo uma curva
com uma velocidade constante em uma estrada
que é plana. Como a pista é plana, ela não é
inclinada, nem nada parecido. Sabendo disso, o que está
impedindo o carro de desviar e sair pela tangente
em linha reta? Isto é um pouco menos intuitivo,
porque não temos uma corda aqui que prenda o carro ao centro
da curva da nossa estrada. Então, o que está o impedindo de seguir
em linha reta e sair pela tangente? Pause o vídeo e pense nisso. Bem, nesta situação, nós podemos pensar
sobre outras forças que estão em jogo, mas eu vou assumir
que estamos no vácuo. Embora você também possa
pensar na resistência do ar. Inclusive, isto é atrito. Também temos outras
forças em jogo. É claro que você tem a força da gravidade
puxando o carro para baixo. A força da gravidade. E isso está sendo sendo
anulado pela força normal. A força normal que a estrada
exerce sobre o carro. Mas o que está
fazendo o carro girar? Vamos fazer o seguinte aqui,
vamos considerar a resistência do ar para ficar um pouco
mais divertido, ok? Então, temos a resistência do ar,
a força do ar sobre o carro, que vai empurrar o carro na
direção oposta à velocidade dele. Então, temos a força do ar,
este seria o seu módulo. Mas essa força está sendo anulada
por uma componente da força de atrito. Inclusive, isto vai nos dar uma
pista do que é a força centrípeta. Mas, enfim, temos aqui
a força de atrito na direção em que o carro
está se movimentando. Pense nisso, se não tivesse
o atrito aqui, se isso fosse gelo, se as rodas não tivessem tração,
não importa o quão forte o motor fosse, e não importa o quão
rápido as rodas girassem, ele não seria capaz de
superar a resistência do ar. Logo, o carro sofreria
uma desaceleração. Mas estas são todas as forças que
não estão agindo em uma direção radial, que não estão mantendo
o carro na estrada, por assim dizer, ou mantendo-o no movimento
circular em torno da curva. Aqui na direção radial temos
mais uma vez a força de atrito, mas este é outro atrito. Na verdade, podemos dizer que
é outra componente da força de atrito. E isto está acontecendo
onde os pneus, onde, literalmente, a borracha
está em contato direto com a estrada. Vamos chamar esta
força de atrito radial, ok? Eu vou colocar isso
aqui entre parênteses. Força de atrito radial. Isto está nos mantendo
em uma direção circular. Então, nesta situação, esta é
a nossa força centrípeta. Vamos fazer outro exemplo e continuar
com o tema dos carros ainda? Digamos que temos um cenário
em que estamos em um looping, o que é sempre divertido
e meio assustador também. De vez em quando, eu sonho que
estou dirigindo em um looping e, por algum motivo,
eu tenho medo disso. Sabendo disso, vamos pensar sobre
o carro em diferentes pontos do looping e pensar sobre qual é a força centrípeta
em diferentes pontos. Vamos pensar primeiro
sobre este ponto aqui. E, mais uma vez, presumimos
que estamos em um planeta, então temos a força
da gravidade bem aqui. Força da gravidade. E aqui também
temos a força normal. Eu vou desenhar a força normal
um pouco maior, porque para ele se movimentar
e ficar nesse looping, a força normal
tem que ser maior. Porque é necessário ter uma
força resultante para dentro, portanto, este "F"
é a nossa força normal. Nesta situação, o módulo
da força centrípeta vai ser a força radial resultante
voltada para dentro. Portanto, isto vai ser igual
ao módulo da força normal menos o módulo
da força da gravidade. Se a gente não tivesse
esta força resultante aqui, este carro não seria capaz
de se mover em um círculo. Se a força resultante
fosse zero, ele se movimentaria
em linha reta desta maneira. E se isso fosse negativo,
ele iria acelerar para baixo. Antes de ir para
o próximo ponto, podemos pensar aqui em coisas
como resistência do ar e atrito, onde a resistência do ar
está empurrando o carro e o atrito está
anulando isso. Mas vamos nos concentrar apenas
nas coisas que estão na direção radial, seja para dentro
ou para fora. Aqui vamos observar
este outro ponto. Bem, ainda temos
a força da gravidade. Eu vou desenhar este vetor aqui
um pouco maior do que antes, porque além da força da gravidade,
também teremos a resistência do ar. Eu estou fazendo isto aqui
para ficar bem completo. Então, temos aqui a força
de resistência do ar, e esta força será anulada
pela força de atrito. A tração que o carro
tem com a estrada. Temos aqui a combinação da força
da gravidade com a resistência do ar, a força do ar empurrando
o carro para trás. E isto está sendo anulado
pela força de atrito. A força de atrito entre
o pneu e a estrada. Mas nenhuma destas forças aqui
está agindo de forma centrípeta, agindo radialmente
para dentro. Então, qual vai
ser esta força? Bem, aqui temos
a força normal da pista. A pista é o que mantém
o carro nesta direção circular. Esta força orientada para o centro
do looping é a força normal. "F" normal. Portanto, nesta situação,
a nossa força centrípeta, o módulo de nossa força centrípeta
é igual ao módulo de nossa força normal. E, na verdade, temos
exatamente o mesmo vetor representando estas
duas forças. Agora, vamos considerar
o último cenário, quando estamos
no topo do looping. Pause o vídeo e veja
se você consegue descobrir quais forças estão
atuando sobre o looping e qual está funcionando
como força centrípeta. Bem, mais uma vez, podemos
colocar aqui a resistência do ar que está tentando
nos desacelerar, normalmente, contra
a velocidade do carro. E isso está sendo anulado
pela força de atrito entre os pneus
e a estrada. Mas vamos pensar sobre o que está
acontecendo na direção vertical, que, neste caso,
é a direção radial. Então, aqui, empurrando
para baixo desta maneira, teremos várias forças, e eu quero que isso realmente
esteja no topo do looping. Embora não pareça
exatamente assim. Mas vamos supor
que seja, ok? Estamos aqui no
topo do looping. Empurrando o carro para baixo,
temos a força da gravidade. Mas o que mais teremos aqui? Supondo que você esteja
indo rápido o suficiente, a pista também está empurrando
o carro para baixo. Ou seja, teremos aqui a força
da gravidade mais a força normal. O módulo deste vetor é a soma dos módulos da
força gravitacional e da força normal. E é isso que está funcionando
como força centrípeta. Então, neste cenário,
podemos dizer que a nossa força centrípeta é igual,
em módulo, à soma dos módulos de nossa força gravitacional
e de nossa força normal. Ou podemos até pensar
nisso como vetores. Poderíamos dizer: "olha, se somarmos estes vetores, estes dois vetores, teremos
o vetor de força centrípeta. E é isso que mantém o carro
em movimento circular." Agora vamos fazer mais um
exemplo aqui, apenas por diversão. Vamos imaginar que temos
um objeto em órbita. Considere que este é o nosso planeta
ou qualquer planeta, na verdade. E você tem um objeto em órbita,
algum tipo de satélite. Eu vou desenhar o que normalmente
associamos como um satélite, mas isto poderia ser
até um satélite natural, uma lua para o planeta. E o que eu estou prestes a dizer
se aplica à lua também. Aqui não temos ar, temos uma
resistência mínima do ar, na verdade. Pode haver algumas moléculas
de vez em quando, mas na maior parte isto aqui
está no vácuo e está em órbita, então, ele está em um
movimento circular uniforme. Está se movendo em uma órbita
circular ao redor do planeta. O que o impede de se
movimentar em linha reta? Pause o vídeo
e pense sobre isso. Bem, aqui temos
a força da gravidade, temos a força da
gravidade do planeta. Eu sei que você talvez
possa dizer agora: "Espera, espera, tem gravidade? Eu vejo várias fotos de astronautas
flutuando quando estão em órbita." Bem, isso só ocorre porque
eles estão em queda livre, mas a gravidade
naquele ponto, se você estiver a algumas
centenas de quilômetros acima da superfície da Terra, não é tão diferente da gravidade
na superfície da Terra. A única coisa que
não temos lá é o ar. Se o satélite está em órbita, ele está
em queda livre constantemente. De modo que parece, para você,
que não há gravidade, mas é a gravidade que o mantém
na trajetória orbital, na trajetória circular, e impede que o satélite
siga em linha reta e saia pela tangente
para o espaço. Enfim, conseguiu
compreender estas ideias? Eu espero que sim. E, mais uma vez, eu quero deixar
aqui para você um grande abraço, e dizer que te
encontro na próxima. Então, até lá!