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Curso: Biblioteca de Física > Unidade 3
Lição 2: Força normal e força de contatoO que é a força normal?
Quando dois objetos se tocam, eles exercem uma força um no outro.
O que é a força normal?
Já fez uma curva rápido demais e deu de cara com uma parede? Eu já. Isso dói e faz eu me sentir um bobo. Podemos culpar a força normal pela dor que sentimos quando trombamos com objetos sólidos. A força normal é a força que as superfícies exercem para evitar que objetos sólidos atravessem uns aos outros.
A força normal é uma força de contato. Se duas superfícies não estão em contato, elas não podem exercer uma força normal uma sobre a outra. Por exemplo, as superfícies de uma mesa e de uma caixa não podem exercer forças normais uma na outra se elas não estiverem em contato.
Contudo, quando duas superfícies estão em contato (por exemplo, uma caixa e uma mesa) elas exercem uma força normal uma na outra, perpendicular às superfícies de contato. Essa força normal será tão grande quanto necessário para evitar que as superfícies penetrem uma na outra.
A palavra "normal" em força normal não quer dizer corriqueira ou comum. O "normal" aqui se refere a perpendicular. Isso porque a força normal, normalmente representada por ou apenas , é uma força direcionada perpendicularmente às duas superfícies em contato. Faz sentido que a força seja perpendicular à superfície porque a força normal é o que evita que objetos sólidos atravessem uns os outros. As superfícies também podem exercer forças de contato na direção paralela às superfícies, mas normalmente chamamos essas forças de forças de atrito (já que elas trabalham para evitar que as superfícies deslizem uma sobre a outra) ao invés de chamá-las de forças normais.
Como superfícies inanimadas "sabem" exercer uma força normal?
Faz sentido para a maioria das pessoas que uma pessoa teria que exercer uma força para cima com suas mãos ao carregar um pacote pesado de ração, como visto na Figura 3(a) abaixo.
Mas algumas pessoas acham que é difícil de acreditar que um objeto inanimado, como uma mesa, possa exercer uma força normal ascendente sobre um saco de ração de cachorro como pode ser visto na Figura 3 (b) abaixo. Às vezes as pessoas acreditam que a mesa não está de fato exercendo uma força para cima, mas simplesmente "ficando no caminho" da comida de cachorro que está caindo. Mas não é assim que as leis de Newton funcionam. Se houvesse apenas uma força descendente da gravidade sobre o pacote de ração este teria que acelerar para baixo. A mesa deve fazer mais do que "ficar no caminho". A mesa deve exercer uma força para cima para evitar que o pacote de ração a atravesse.
Estranhamente, se um objeto pesado for colocado sobre uma mesa, esta deve exercer mais força normal para evitar que o peso a atravesse. Como a mesa sabe exercer apenas a quantidade certa de força para evitar que o objeto a atravesse?
Basicamente, a mesa "sabe" quanta força precisa ser exercida com base em quanto a superfície/objeto está sendo comprimido ou deformado. Quando objetos sólidos se deformam, eles normalmente tentam se restaurar e "voltar" à sua forma natural. Quanto maior o peso, maior a deformação, e maior é a força restauradora que tenta fazer a superfície voltar a sua forma natural. Essa deformação seria perceptível se a carga fosse colocada em uma mesa, mas até mesmo objetos rígidos se deformam quando uma força é aplicada a eles. A menos que o objeto seja deformado além do seu limite, ele vai exercer uma força restauradora bem parecida com a de uma mola deformada (ou um trampolim, ou uma cama elástica). Então, quando a carga é colocada sobre a mesa, a mesa cede até que a força restauradora se torne tão grande quanto o peso da carga. Nesse ponto a força resultante externa na carga é zero. Essa é a situação na qual a carga está em repouso sobre a mesa. A mesa cede rapidamente, e a depressão é leve, então normalmente não a percebemos.
Figura 3: (a) A pessoa segurando o pacote de ração deve exercer uma força para cima igual em magnitude e na direção oposta ao peso do pacote de ração . (b) A mesa cede quando o pacote de ração é colocado sobre ela, como um trampolim rígido. As forças de restauração elástica na mesa aumentam conforme ela cede, até que exerçam uma força normal ou de igual magnitude e direção oposta ao peso da carga. (Créditos da imagem: Openstax College Physics)
Como se calcula a força normal?
Não existe, na verdade, uma fórmula criada especificamente para calcular a força normal. Para encontrar a força normal, normalmente usamos o fato de que sabemos algo sobre a aceleração perpendicular às superfícies (já que consideramos que as superfícies não podem atravessar uma a outra). Portanto, quase sempre usamos a segunda lei de Newton para calcular a força normal usando essa estratégia.
- Desenhe um diagrama de forças mostrando todas as forças agindo no objeto em questão.
- Escolha a direção para a segunda lei de Newton na mesma direção da força normal (isto é, perpendicular às superfícies de contato)
- Insira a aceleração, a massa e as forças atuantes na segunda lei de Newton
para essa direção. - Calcule a força normal
.
Essencialmente, estamos calculando a força normal considerando que ela será tão grande ou tão pequena quanto necessário para evitar que as superfícies penetrem uma na outra.
Vamos aplicar essa estratégia ao exemplo simples a seguir. Considere o caso simples de uma caixa de massa que está em repouso sobre uma mesa, como mostrado abaixo.
Seguindo o procedimento, obtemos
Nesse caso simples de um objeto sobre uma superfície horizontal, a força normal será igual à força da gravidade .
A força normal nem sempre será igual a . Se considerarmos um caso mais complicado, no qual a superfície de contato não é horizontal, ou em que haja forças verticais adicionais presentes, ou ainda, em que haja aceleração vertical, a força normal não será necessariamente igual a . Contudo, mesmo em um caso mais complicado, ainda podemos calcular a força normal usando o processo mostrado acima. Podemos inserir uma aceleração diferente, ou pode haver mais forças para incluir, mas a estratégia geral para resolver o problema de calcular a força normal usando a segunda lei de Newton seria o mesmo.
Como são os exemplos de problemas resolvidos que envolvem a força normal?
Exemplo 1: Força normal em um elevador
Um pacote de gomas de mascar sabor kiwi de está sendo entregue no último andar de um prédio comercial. A caixa está no chão de um elevador, que acelera para cima com uma aceleração de magnitude de . O entregador também está com um pé sobre a caixa, exercendo no pacote uma força para baixo de magnitude .
Qual é a força normal exercida pelo chão do elevador no pacote?
Primeiro desenhamos um diagrama de forças mostrando todas as forças que agem no pacote (não incluímos a aceleração no diagrama porque a aceleração não é uma força. Além disso, não incluímos uma força de elevador adicional porque a força normal é a força exercida na caixa pelo elevador).
Observe que, se tivéssemos inocentemente usado , teríamos encontrado a resposta errada. A força normal aqui é diferente de porque havia uma aceleração vertical e uma força vertical adicional.
Exemplo 2: Força normal com força diagonal
Uma pessoa está empurrando uma caixa de cookies de chocolate com menta de em uma mesa sem atrito com uma força diagonal para baixo de com um ângulo de , como mostrado abaixo.
Qual é a força normal exercida pela mesa na caixa de cookies?
Mesmo que esse pareça um tipo diferente de problema, o abordamos com a mesma estratégia de antes. Primeiro desenhamos um diagrama de forças de todas as forças agindo sobre a caixa.
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- Queremos desafios de física!, que tal fazer uma plataforma colaborativa pra exercícios?(16 votos)
- concordo, seria muito bom se houvesse exercícios sobre a matéria, no caso mais exercícios do que já tem!(3 votos)
- Duas forças iguais de sentido contrário,se igualam? Depende de alguma força da natureza ou não?(2 votos)
- Fabrício, as forças se anulam, pois a força resultante será nula. Antes de estudar as leis de Newton e suas aplicações, estude tudo sobre vetores (do ensino médio apenas), especialmente soma de vetores: https://pt.khanacademy.org/math/precalculus/vectors-precalc/vector-addition-subtraction/v/adding-vectors
Duas forças de mesma direção e sentido contrários sempre se anulam!
Bons estudos!(1 voto)
- Se elevador desce a=2g, normal poderia ser -mg? Caso positivo, seria como estivéssemos com contra o teto com Peso=mg, ou seja, poderíamos andar pelo teto?(2 votos)
- Isso mesmo! Com 2g para baixo, 1g é causado pela força peso e o outro 1g seria da normal, ainda bem que os elevadores normais não trabalham assim :) Todo mundo colado no teto para parar sem matar o povo já seria uma proeza...(2 votos)
- No primeiro exemplo da caixa sobre a mesa, no segundo parágrafo, o texto diz que as duas superfícies em contato exercem uma força normal uma sobre a outra. Isso quer dizer que a mesa exerce uma força normal na caixa e a caixa também faz o mesmo? A força de reação contra a força peso da caixa é considerada? A força normal não é uma força de reação?(1 voto)
- Qual é a fórmula que calcula a força normal ??(0 votos)
- não há uma fórmula pronta é preciso saber compor as forças vetoriais que atuam como componentes da força normal que é a força da superfície perpendicular ao plano no sentido oposto ao mesmo.(1 voto)
- Por que só existe força normal quando não há atrito?(0 votos)