O que é a primeira lei de Newton?

Antes de Galileu e de Newton, muitas pessoas pensavam que os objetos abrandavam porque tinham uma tendência natural para o fazer. Mas essas pessoas não estavam a ter em consideração as várias forças—por exemplo: atrito, gravidade, e resistência do ar—aqui na Terra que fizessem com que os objetos mudassem de velocidade. Se pudéssemos observar o movimento de um objeto no espaço, seriamos capazes de observar as tendências naturais do movimento de um objeto livre de quaisquer influencias externas. No espaço, iríamos observar que se um objeto tivesse velocidade, continuaria a mover-se com essa velocidade até que alguma força externa causasse uma variação no seu movimento. De forma semelhante, se um objeto estivesse em repouso no espaço, continuaria em repouso até que houvesse uma força a causar uma mudança no seu movimento.

No vídeo abaixo, podemos ver que objetos na estação espacial internacional, ou permanecem em repouso ou continuam a deslocar-se com velocidade constante relativamente à estação espacial até que estejam sujeitos a alguma força.

A ideia de que a velocidade dos objetos apenas muda devido a uma força está encapsulada na primeira lei de Newton.

Primeira lei de Newton: Um objeto em repouso permanece em repouso, ou se em movimento, permanece em movimento com uma velocidade constante a menos que seja sujeito a uma força resultante externa.

Tem em consideração o uso repetido do verbo permanece. Podemos pensar nesta lei como sendo uma lei que preserva o estatuto do movimento. A primeira lei do movimento diz que tem de haver uma causa—que é uma força resultante externa—para que exista alguma mudança na velocidade, seja na magnitude ou na direção. Um objeto a deslizar numa mesa ou no chão abranda devido à resultante das forças de atrito a que está sujeito. Mas numa mesa de ar de hóquei, onde o ar impede que o disco toque na tabela, o disco de hóquei continua a mover-se com uma velocidade aproximadamente constante até que seja sujeito a uma força—tal como acontece quando bate nas laterais da mesa.

Uma força é a ação exercida por um objeto sobre outro objeto, empurrando ou puxando-o por exemplo. As unidades de força $F$F são o Newton ou simplesmente $\text{N}$start text, N, end text.

Uma força externa é uma força com origem exterior a um objeto, em vez de uma força interna do objeto. Por exemplo, a força da gravidade que a Terra exerce na Lua é uma força externa à Lua. No entanto, a força da gravidade que o núcleo interno da lua exerce na crosta externa da Lua é uma força interna da Lua. As forças internas de um objeto não são capazes de causar variações no movimento global do objeto.

A força resultante, escrita como $\Sigma F$\Sigma, F, que é exercida sobre um objeto, é a força total a que está sujeito. Se muitas forças atuarem sobre um objeto, a força resultante é a soma de todas as forças. Mas tem atenção—como a força $F$F é um vetor, para encontrar a força resultante $\Sigma F$\Sigma, F, as forças têm de ser somadas por soma vetorial.

Por outras palavras, se uma caixa de hambúrgueres congelados tivesse sujeita a uma força de 45 Newton exercida à direita e a uma força de 30 Newton exercida à esquerda, a força resultante na direção horizontal seria:

A primeira lei de Newton diz que se a força resultante a que um objeto está sujeito for zero ($\Sigma F=0$\Sigma, F, equals, 0), então esse objeto terá aceleração zero. Isto não significa necessariamente que o objeto esteja em repouso, mas significa que a velocidade é constante. Por outras palavras, velocidade constante igual a zero—em repouso—ou velocidade constante diferente de zero—a mover-se com velocidade constante.

Para a caixa de hambúrgueres congelados, se a força exercida à direita tivesse uma magnitude de 45 Newton e a força exercida à esquerda tivesse uma magnitude de 45 Newton, a resultante das forças seria zero. A caixa de hambúrgueres continuaria a mover-se com velocidade constante—se tivesse começado com velocidade constante antes das forças serem aplicadas—ou permanecido em repouso—se já tivesse estado em repouso antes das forças terem sido aplicadas.

A inércia é a propriedade que um corpo tem de se manter em repouso ou em movimento com velocidade constante. Normalmente a primeira lei de Newton é chamada de lei da inércia. Tal como sabemos por experiência, alguns objetos têm mais inércia do que outros. É óbvio que é mais difícil mudar o movimento de uma pedra grande do que o de uma bola de basquetebol, por exemplo.

A inércia de um objeto é medida através da sua massa. A massa pode ser determinada medindo o quão difícil é para um objeto acelerar. Quanto mais massa um objeto tiver, mais difícil será conseguir acelerar.

Além disso, falando de forma menos formal, quanto mais "coisas"—ou matéria—alguma coisa tiver, mais massa terá, e mais difícil será mudar a sua velocidade, ou seja, acelerar.

Uma sonda espacial está a deslocar-se para a direita com velocidade constante no espaço—longe de qualquer influência de planetas e estrelas—com os seus propulsores de fora. Se os dois propulsores exercessem forças idênticas em simultâneo mas em sentidos opostos tal como está na figura, o que é que aconteceria ao movimento da sonda?

a. A sonda continuaria em movimento com velocidade constante.
b. A sonda iria acelerar.
c. A sonda iria abrandar até eventualmente parar.
d. A sonda iria parar de imediato.

A resposta correta é a resposta a. De acordo com a primeira lei de Newton, é necessário uma resultante das forças não nula para mudar a velocidade de um objeto. A resultante das forças a que a sonda está sujeita é zero—pois as forças cancelam-se—por isso não há variação na velocidade da sonda.

Um elevador está a ser puxado para cima com velocidade constante por um cabo, tal como se pode ver no diagrama abaixo. Enquanto o elevador se está a mover para cima com velocidade constante, como é que a magnitude da força exercida pelo cabo (de baixo para cima)—$\redD{F_c}$start color #e84d39, F, start subscript, c, end subscript, end color #e84d39—se compara com a magnitude da força gravítica (de cima para baixo)—$\greenD{F_g}$start color #1fab54, F, start subscript, g, end subscript, end color #1fab54—exercida no elevador?

a. $\redD{F_c}$start color #e84d39, F, start subscript, c, end subscript, end color #e84d39 é maior do que $\greenD{F_g}$start color #1fab54, F, start subscript, g, end subscript, end color #1fab54.
b. $\redD{F_c}$start color #e84d39, F, start subscript, c, end subscript, end color #e84d39 é igual a $\greenD{F_g}$start color #1fab54, F, start subscript, g, end subscript, end color #1fab54.
c. $\redD{F_c}$start color #e84d39, F, start subscript, c, end subscript, end color #e84d39 é menor do que $\greenD{F_g}$start color #1fab54, F, start subscript, g, end subscript, end color #1fab54.
d. $\redD{F_c}$start color #e84d39, F, start subscript, c, end subscript, end color #e84d39 poderia ser maior ou menor do que $\greenD{F_g}$start color #1fab54, F, start subscript, g, end subscript, end color #1fab54 dependendo da massa do elevador.

A resposta correta é a b. Se o elevador se está a mover com velocidade constante, a resultante das forças deve ser zero. De forma a que a resultante das forças a que o elevador está sujeito seja zero, a força exercida pelo cabo tem de ser igual à força gravítica.

Uma sonda espacial está a deslocar-se para a direita com velocidade constante no espaço—longe de qualquer influência de planetas e estrelas. Se um propulsor se liga e desliga para um pequeno impulso na direção mostrada, qual dos caminhos é o que melhor representa o caminho da sonda depois do propulsor se desligar?

a. Caminho a
b. Caminho b
c. Caminho c
d. Caminho d

A resposta correta é a c. Depois do propulsor se desligar, a sonda não estará sujeita a nenhuma força resultante. Uma vez que a resultante das forças seja zero, a velocidade—tanto a magnitude como a direção—devem ser constantes. Por causa da primeira lei de Newton, a sonda tem um movimento rectilíneo e uma velocidade constante. O facto da sonda ter estado sujeita a uma força segundo a vertical, não afeta a componente vertical da velocidade da sonda, apenas muda a componente vertical da velocidade. Componentes vertical e horizontal constantes resultam numa trajetória rectilínea no espaço segundo a diagonal.