Isaac Newton e Suas Leis

1. BIOGRAFIA DE ISAAC NEWTON

Isaac Newton nasceu em 4 de janeiro de 1643 (ano da morte de Galileo Galilei) em Woolsthorpe, Lincolnshire, Inglaterra. . Newton veio de uma família de agricultores, mas seu pai morreu antes de seu nascimento, ele foi criado por sua avó. Um tio o enviou para o Trinity College, Cambridge, em Junho de 1661.

Para Cambridge, instrução era definida pela filosofia de Aristóteles e apenas no terceiro ano é que se tinha liberdade para outros tipos de leitura. Newton estudou a filosofia de Descartes, Gassendie Boyle. Álgebra e geometria analítica de Viète, Descartes e Wallis.Mas a mecânica descrita por Copérnico e Galileu atraíram Newton. A partir destas leituras, o talento de Newton começou a despontar.

O gênio científico de Newton emergiu de repente quando uma epidemia de peste fechou a Universidade pelo verão de 1665 e ele teve que retornar a Lincolnshire. Lá, em um período de menos de dois anos, ele começou avanços revolucionários em matemática, ótica, física, e astronomia.

Enquanto Newton permaneceu em sua casa, criou uma teoria para o cálculo diferencial e cálculo integral vários anos antes, independentemente da descoberta feita por Leibniz. Newton produziu métodos analíticos simples que unificaram muitas técnicas antes separadas. Através de seus estudos, pode-se problemas aparentemente sem conexão como encontrar áreas, tangentes e os máximos e mínimos de funções. O De Methodis de Newton et de Serierum Fluxionum foi escrito em 1671, mas Newton não publicou este trabalho e ele apenas surgiu em 1736, através de John Colson.

Em 1669, Barrow indicou Newton, então com 27 anos, para assumir seu lugar na cadeira Lucasiana. Seu primeiro trabalho estava relacionado com a ótica. Durante a sua reclusão em Lincolnshire, ele chegou à conclusão de que a luz branca não é uma entidade simples. Todo cientista, desde Aristóteles, acreditava que a luz branca era uma única entidade básica, mas a aberração cromática observada em um telescópio de lente convenceu Newton do oposto. Quando Newton fez passar um feixe fino da luz do sol em um prisma, verificou que um espectro de cores era formado. Newton então propôs que a luz branca era uma mistura de vários tipos diferentes de cores que podem ser refratados em ângulos ligeiramente diferentes, e que cada tipo diferente de raio produz uma cor espectral diferente. Devido a esta conclusão, Newton foi levado a uma conclusão errônea de que telescópios com lentes refratoras sempre causariam aberração cromática. Ele, então, propôs e construiu um telescópio refletor.

Em 1672, Newton foi eleito membro da Royal Society. Também neste ano, publicou o primeiro artigo sobre luz e cores no Philosophical Transactions of the Royal Society. Este artigo foi bem recebido pelos membros, porém Hooke eHuygens ainda tinham dúvidas sobre a teoria corpuscular da luz proposta por Newton. Talvez devida a contribuição e a importância que Newton tinha na época, a teoria ondulatória da luz foi retomada apenas no século 19.

A relação entre Newton e Hooke não eram das melhores. Desta forma, Newton se isolou da Royal Society. A muito custo, publicou o artigo Opticks (1704). Nele, Newton tratou da teoria da luz e cor, relatou sobre os anéis de Newton e sobre difração da luz. Para explicar algumas de suas observações, Newton necessitou usar o modelo ondulatório juntamente com o seu modelo corpuscular.

Foi Haley quem persuadiu Newton a escrever um tratado com novos conceitos em física e com aplicações em Astronomia. No ano de 1687, Newton publicou o Philosophiae Naturalis Principia Mathematica (Princípios Matemáticos da Filosofia Natural) ou, simplesmente, Principia, reconhecido como um dos mais importantes livros científicos ja escritos. Nele, Newton apresenta as famosas três leis do movimento e as utiliza para resolver todos os problemas importantes, na época, sobre o movimento na Terra e nos céus.

Newton analisou o movimento dos corpos que sofrem a ação da força centrípeta e aplicou os resultados a corpos em órbita, projéteis, pêndulos e corpos em queda livre próximos à Terra. A partir das leis de Kepler e de suas leis de movimento, demonstrou que os planetas sofrem a ação de uma força de atração do Sol que varia com o inverso do quadrado da distância. A generalização desta idéia ou levou a à Lei da Gravitação Universal. Newton explicou com extrema clareza as órbitas.

Depois de sofrer um colapso nervoso, em 1693, Newton se aposentou da pesquisa para aceitar um cargo em Londres como Warden of the Royal Mint (1696) e Master (1699). Em 1703, foi eleito presidente da Royal Society e foi reeleito cada ano até sua morte. Em 1708, Newton foi condecorado pela rainha Anne, tornando-se o primeiro cientista a ser homenageado.

2. PRINCÍPIOS MATEMÁTICOS DA FILOSOFIA NATURAL - DEFINIÇÕES

O livro começa com determinados conceitos. Newton sabia que precisava deles para formular sua revolucionária mecânica.

O primeiro conceito pode até parecer estranho, é o conceito de massa. Sim, até então havia muita confusão em relação ao assunto. Erroneamente a massa de um corpo era conhecida como peso. Mas peso é a força com que a terra atrai os corpos, assim, se sua massa é 10, será 10 aqui, na Lua e em Júpiter. Entretanto, seu peso variará de planeta para planeta. Seu peso será bem menor na Lua e muito, mas muito mesmo, maior em Júpiter.

A seguir, Newton prossegue com uma definição crucial: a quantidade de movimento. Pela definição de Newton, a quantidade de movimento de um corpo é o produto de sua massa por sua velocidade. Imagine uma mosca e uma moto viajando a 60 Km/h. Talvez você prefira interromper o vôo da mosca. A massa dela é menor, sua quantidade de movimento idem. Neste ponto ele define inércia. Inércia é a reação de um objeto a qualquer mudança em sua quantidade de movimento. Imagine agora que você seja solicitado por alguém para empurrar um carro com bateria arriada. Talvez um breve empurrão já faça o carro "pegar", mas provavelmente você vai torcer para que o carro seja um Ford Ka. Ou você prefere uma Besta? Ambos têm quantidade de movimento nulo pois estão em repouso, em outras palavras, velocidade zero. Entretanto devido a grande diferença entre a massa dos dois veículos, a Besta oferecerá uma resistência bem maior que o Ford Ka quando você tentar alterar a quantidade de movimento dela.

Definidos os conceitos de massa, quantidade de movimento e inércia, Newton entra com a idéia de força. Força é a ação exercida sobre um corpo de modo a mudar sua quantidade de movimento. Você teve que empurrar um carro para movê-lo, e fez isso aplicando uma força nele. Mas a mente de Newton fervilhava e ele descobriu que há duas maneiras de mudar o estado de movimento de um corpo: mudando a magnitude de sua quantidade de movimento, ou então, mudando a direção de sua quantidade de movimento. Pense, você dirigindo numa estrada a velocidade constante, de 40 Km/h. Você pode chegar aos 80 acelerando. Ao alcançar velocidade mais alta você muda a quantidade de movimento do conjunto (você e o carro). O resultado é que você sente uma pressão para trás. Tudo que você fez foi mudar a magnitude da quantidade de movimento.

O próximo trecho da estrada é uma curva e você calcula que pode entrar na mesma velocidade de 80 Km/h, ou seja, a magnitude da quantidade de movimento é a mesma, mas sua direção passa a mudar. Somente, veja bem, somente a ação de uma força pode fazer isso. Você até sente outra força empurrando-o "para fora" enquanto os pneus grudam no asfalto. Um observador externo concluirá que o carro desviou de sua trajetória em linha reta porque uma força o puxou na direção do centro da curva, como um braço invisível arrastando o carro para o centro. Newton chamou essa força de força centrípeta, pois ela aponta para a direção do centro. Exemplificando: imagine-se agora correndo com os braços abertos a uma velocidade constante. Em determinado momento sua mão direita segura um poste. Você contornará o poste e quando soltá-lo saíra tangente à trajetória.

3. DESENVOLVIMENTO DAS LEIS DE NEWTON

Primeira lei de Newton

INERCIA

Um corpo que está em movimento, tende a continuar em seu estado de movimento em linha reta e velocidade constante. E um corpo que está em repouso tende a continuar em repouso. Primeira Lei de Newton ou Princípio da Inércia A partir das idéias de inércia de Galileu, Isaac Newton enunciou sua Primeira Lei com as palavras:

"Todo corpo permanece em seu estado de repouso ou de movimento uniforme em linha reta, a menos que seja obrigado a mudar seu estado por forças impressas a ele".

A primeira lei de Newton pode parecer perda de tempo, uma vez que esse enunciado pode ser deduzido da Segunda Lei:

F=a.m

Se F=0, existem duas opções: Ou a massa do corpo é zero ou sua aceleração. Obviamente como o corpo existe, ele tem massa, logo sua aceleração é que é zero, e conseqüentemente, sua velocidade é constante. No entanto, o verdadeiro potencial da primeira lei aparece no quando se envolve o problema dos referenciais. Numa reformulação mais precisa:

"Se um corpo está em equilíbrio, isto é, a resultante das forças que agem sobre ele é nula, é possível encontrar ao menos um referencial, denominado inercial, para o qual esse corpo está em repouso ou em movimento retilíneo uniforme"

Essa reformulação melhora muito a utilidade da primeira lei de Newton. Para exemplificar tomemos um carro. Enquanto o carro faz uma curva, os passageiros têm a impressão de estarem sendo "jogados" para fora da curva. É o que chamamos de força centrífuga. Se os passageiros possuírem algum conhecimento de Física tentarão explicar o fenômeno com uma força. No entanto, se pararem para refletir, verão que tal força é muito suspeita. Primeiro: ela produz acelerações iguais em corpos de massas diferentes. Segundo: não existe lugar nenhum onde a reação dessa força esteja aplicada, contrariando a 3ª Lei de Newton. Como explicar a misteriosa força?

O erro dos passageiros foi simples. Eles não escolheram um referencial inercial. Logo, obviamente as leis de Newton falhariam, pois estas só valem nestes referenciais. Se um referencial inercial fosse escolhido, como um observador do lado de fora do carro, nada de anormal seria visto, apenas os passageiros tentando manter sua trajetória em linha reta e o carro forçando-os a virar. quem estava sob ação de forças era o carro. Muitos outros exemplos existem de forças misteriosas que ocorrem por tomarmos referenciais não-inerciais, podemos citar, além da força centrifuga, as forças denominadas de Einstein, e a força de Coriolis.Então é importante lembrar: A principal utilidade da primeira lei de Newton é estabelecer um referencial com o qual possamos trabalhar.Princípio da físicadinâmica enunciado pela primeira vez por Galileu Galilei e desenvolvido mais tarde por Isaac Newton, que descreve o movimento dos corpos desprezando o efeito do atrito. Pode ser formulado da seguinte forma:

-Se um corpo se deslocar em linha reta com uma certa velocidade, continuará indefinidamente em movimento na mesma direção e com a mesma velocidade se nenhuma força agir sobre ele.

A grande novidade deste princípio foi reconhecer pela primeira vez que o atrito é uma força a que todos os corpos estão sujeitos, exceto se se deslocam no vácuo, contrariando frontalmente as teorias de Aristóteles.

Segunda lei de Newton (ou Princípio Fundamental da dinâmica)

De acordo com o princípio da inércia, se a resultante das forças atuantes num corpo for nula, o corpo mantém, por inércia, a sua velocidade constante, ou seja não sofre aceleração. Logo a força consiste num agente físico capaz de produzir aceleração, alterando o estado de repouso ou de movimento dos corpos. Quando uma força resultante atua sobre uma partícula, esta adquire uma aceleração na mesma direção e sentido da força, segundo um referencial inercial. A relação, neste caso, entre a causa (força resultante) e o efeito (aceleração) constitui o objetivo principal da Segunda Lei de Newton, cujo enunciado pode ser simplificado assim:

A resultante das forças que agem num corpo é igual ao produto da sua massa pela aceleração adquirida pelo mesmo.Isso significa que, sendo a massa do corpo constante, a força resultante e aceleração produzida possuem intensidades diretamente proporcionais.

Resumindo: O segundo princípio consiste em que todo corpo em repouso precisa de uma força para se movimentar e todo corpo em movimento precisa de uma força para parar. O corpo adquire a velocidade e sentido de acordo com a força aplicada. Ou seja, quanto mais intensa for a força resultante, maior será a aceleração adquirida pelo corpo. A força resultante aplicada a um corpo é diretamente proporcional ao produto entre a sua massa inercial e a aceleração adquirida pelo mesmo . Se a força resultante for nula ( F = 0 ) o corpo estará em repouso (equilíbrio estático) ou em movimento retilíneo uniforme (equilíbrio dinâmico). A força poderá ser medida em Newton se a massa for medida em kg e a aceleração em m/s² pelo Sistema Internacional de Unidades de medidas ( S.I ).

Terceira lei de Newton (Lei da Ação e Reação)

Se um corpo A aplicar uma força sobre um corpo B, receberá deste uma força de mesma intensidade, mesma direção e sentido oposto à força que A aplicou em B.

"Para cada ação há sempre uma reação oposta e de igual intensidade."

As forças de ação e reação têm as seguintes características:

• estão associadas a uma única interação, ou seja, correspondem às forças trocadas entre apenas dois corpos;
• têm sempre a mesma natureza (ambas de contato ou ambas de campo), logo, possuem o mesmo nome ("de contato" ou "de campo");
• Ação e Reação, mesmo iguais e opostas, não se equilibram, pois agem em corpos distintos. Cada força que constitui o par tem o seu próprio efeito.
• Ação e Reação são sempre iguais em valor; seus efeitos é que podem ser diferentes, pois dependerão de outros fatores ( por exemplo, a massa).
• Ação e Reação ocorrem simultaneamente, e não uma primeiro e depois a outra, de modo que qualquer uma das forças podem ser chamada de ação ou reação
• Ação e Reação são iguais e opostas mesmo que o sistema não seja de equilíbrio

4. CONCLUSÃO

Com o desenvolvimento desse trabalho pode-se concluir da maneira mais simples e direta que a primeira lei de Newton se refere a um corpo,em que a resultante das forças é nula,estará em repouso ou em movimento retilíneo uniforme.Neste caso,diz-se que um corpo esta em equilíbrio.Já na segunda lei de Newton toda vez que sobre um corpo atuar uma força resultante de forças não-nulas ,este corpo ficará sujeito à ação de uma aceleração .Esta aceleração será maior quando um corpo tiver uma massa menor e menor se o corpo possuir uma massa maior.E por último a terceira lei de Newton resume em que toda ação estava associada a uma reação, de forma que, numa interação, enquanto o primeiro corpo exerce força sobre o outro, também o segundo exerce força sobre o primeiro. Assim, em toda interação teríamos o nascimento de um par de forças: o par ação-reação.

5. BIBLIOGRAFIA

SITES:

http://www.feiradeciencias.com.br/sala05/05_RE_01.asp.

http://astro.if.ufrgs.br/bib/newton.htm

http://fisica.cdcc.sc.usp.br/Cientistas/IsaacNewton.html

http://pt.wikipedia.org/wiki/Isaac_Newton

Fonte:www.fontedosaber.com