A.2 · Forças e momento

Foco HL suportado. Primeira avaliação 2025; guia completo de Física adquirido (84 páginas PDF). Guia restante, avaliação e requisitos práticos mantêm seus retidos registrados.

Pré-requisitos: leia as quantidades e unidades declaradas, use aritmética e as condições do modelo abaixo. Cada lição desenvolve seu próprio método antes da transferência independente.

Estes são exemplos didáticos originais ou explicitamente fictícios, não medições reais ou investigações avaliadas concluídas por aprendizes.

O que explicaria esta observação?

• Um passageiro continua se movendo quando um veículo freia. O cinto de segurança fornece a força necessária para alterar o momento linear do passageiro.
• Comece com uma previsão. Especifique as quantidades ou características que você compararia, depois decida quais evidências poderiam distinguir duas explicações.

Construa o modelo

• Força resultante causa aceleração, não o movimento em si. Momento é massa multiplicada por velocidade. Para um sistema isolado, o momento total é conservado mesmo quando a energia cinética não é.
• momento linear: Massa multiplicada pela velocidade; força resultante: A soma vetorial das forças atuantes em um objeto.

Escolha evidências que possam testá-lo

• Impulso é igual à variação de momento. Aumentar o tempo de parada para a mesma variação de momento reduz a força média. Identifique forças externas antes de aplicar a conservação do momento.
• Desenhe um diagrama de corpo livre contendo apenas as forças sobre o objeto selecionado. Para medições de mola, adicione cargas em etapas dentro da faixa elástica e meça a extensão a partir da posição sem carga.

Trabalhe a partir de quantidades conhecidas

• Indique os valores conhecidos e suas unidades. Escolha a relação porque suas premissas se adequam a este caso, então reorganize antes de substituir.
• Conhecido: um passageiro de 60 kg desacelera de 10 para 0 metros por segundo em 0.50 s. Δp = m(v-u) = 60(0-10) = -600 kg·m/s. Força média F = Δp/Δt = -600/0.50 = -1,200 N. O sinal indica que a força se opõe ao movimento inicial.

Exemplo:

Um carrinho de 2 kg viaja a 3 metros por segundo. Encontre seu momento linear. Use a mesma sequência: quantidades conhecidas → modelo → relação → substituição → unidade e interpretação.

Verifique a conclusão e seus limites

• Forças equilibradas não exigem que o objeto esteja em repouso. Massa e peso têm unidades e significados diferentes.
• Retorne à observação original. Explique o que o resultado apoia, quais condições ele assume e uma maneira de testar uma explicação concorrente.

Atenção:

Um objeto em movimento com velocidade constante deve ter uma força resultante não nula. Esta afirmação é falsa: Forças equilibradas não exigem que o objeto esteja em repouso. Massa e peso têm unidades e significados diferentes.

O guia nomeia cada força com um símbolo e, quando aplicável, uma equação. Forças de contato atuam onde os corpos tocam: a força normal $F_N$ atua perpendicular à superfície; atrito $F_f$ atua paralelo ao plano de contato — estático $F_f \le \mu_s F_N$ (até um limite) e dinâmico $F_f = \mu_d F_N$; tração puxa ao longo de uma corda ou fio; uma força restauradora elástica segue a lei de Hooke $F_H = -kx$; arrasto viscoso sobre uma pequena esfera é $F_d = 6\pi\eta rv$; e empuxo é $F_b = \rho V g$ sobre o volume de fluido deslocado. Forças de campo atuam sem contato: peso $F_g = mg$, força elétrica $F_e$, força magnética $F_m$.

Exemplo resolvido (atrito). Um bloco de 2.0 kg desliza sobre uma mesa ($\mu_d = 0.30$, g = 9.8 m/s²): $F_f = 0.30 \times 2.0 \times 9.8 = 5.9$ N. Uma tração horizontal de 5 N nem consegue iniciar o movimento se $\mu_s = 0.40$: o limite estático é $0.40 \times 19.6 = 7.8$ N.

Diagramas de corpo livre isolam um único corpo e mostram todas as forças atuando sobre ele; decomponha para encontrar a resultante. Primeira lei de Newton: resultante nula significa velocidade constante (equilíbrio translacional). Segunda lei: $F = ma$ para massa constante, ou mais geralmente:

O impulso $J$ fornecido por uma força resultante é igual à variação de momento linear que ele causa. O momento linear total permanece constante a menos que uma força externa resultante atue — portanto, colisões e explosões conservam momento linear em sistemas isolados.

Exemplo resolvido. Uma bola de 0.15 kg chega a 12 m/s e sai a 12 m/s na direção oposta: $\Delta p = 0.15 \times 24 = 3.6$ kg·m/s; se o contato dura 0.020 s, a força média é $3.6/0.020 = 180$ N. O guia trata colisões quantitativas em uma dimensão no SL e duas dimensões no HL; pares simultâneos de equações de energia e momento não são necessários.

Chave:

Forças, momento linear e parada segura: Impulso é igual à variação do momento linear. Aumentar o tempo de parada para a mesma variação de momento linear reduz a força média. Identifique as forças externas antes de aplicar a conservação do momento linear.