O que é força?

Força é uma grandeza vetorial física, representada em termos de módulo, sentido e direção. Na Física, o seu estudo é introduzido no princípio fundamental da Dinâmica, mais conhecido como segunda lei de Newton, na qual a força é resultado do produto da massa de um corpo pela sua aceleração.

Leia também: Aceleração — outra grandeza física do tipo vetorial

Resumo sobre força

• Força é uma grandeza física do tipo vetorial.

• As características gerais de todas as forças são módulo, sentido e direção.

• Os tipos de força são: força resultante, força normal, força peso, força de tração, força elástica, força de atrito, força de arrasto, força centrípeta, força gravitacional, força de empuxo, força elétrica e força magnética. 

• As forças podem ser de contato ou de campo, caso exista ou não contato com o corpo, respectivamente.

• Cada força possui uma fórmula específica para o seu cálculo.

• As forças físicas são medidas padronizadamente na unidade de medida Newton.

Características gerais da força

A força é uma grandeza física vetorial caracterizada através do módulo e orientação, dados pela sua direção e sentido.

• Módulo: também conhecido como intensidade ou valor numérico, trata-se do tamanho da grandeza vetorial, dado através de um número positivo.

• Direção: trata-se da posição da grandeza física, podendo ser horizontal, vertical ou diagonal.

• Sentido: trata-se do lado para o qual a grandeza é aplicada, podendo ser para a direita, esquerda, cima, baixo, norte, sul, leste, oeste e vários outros.

Quais são os tipos de força?

Existem diversos tipos de força, sendo eles:

• Força resultante: é o conjunto de forças que atuam sobre determinado corpo. Ela pode ser dada em termos do somatório das forças atuantes, caso as forças que atuam sobre o corpo estejam no mesmo sentido, ou dada em termos da subtração das forças atuantes, caso elas estejam em sentidos opostos.

• Força normal: é a força de contato entre as superfícies dos corpos, impedindo que os corpos afundem.

• Força peso: é a força de atração gravitacional exercida pelo planeta sobre os corpos em sua superfície ou próximo a ele.

• Força de tração: é a força aplicada aos corpos através de um cabo, fio, corrente e outros itens.

• Força elástica: é a força associada à deformação dos corpos que possuem propriedades elásticas, como molas, borrachas e elásticos.

• Força de atrito: é a força de contato que ocorre quando as superfícies não polidas dos corpos se atritam devido ao seu movimento, impedindo que os corpos deslizem.

• Força de arraste: é a força que se opõe ao movimento dos corpos que estão em um fluido (líquidos ou gases).

• Força centrípeta: é a força que mantém os corpos nas trajetórias circulares durante o seu movimento, sendo capaz de alterar a direção da velocidade do corpo.

• Força gravitacional: é a força de atração entre corpos providos de massa.

• Força de empuxo: é a força hidrostática sobre os corpos imersos em fluidos (líquidos ou gases).

• Força elétrica: força de interação atrativa ou repulsiva entre corpos eletrizados.

• Força magnética: força de interação entre corpos que apresentam propriedades magnéticas, como cargas elétricas, imãs e condutores elétricos.

Veja também: Quais são as forças fundamentais da natureza?

Classificação da força

As forças podem ser classificadas como forças de contato ou forças de campo.

→ Forças de contato

As forças de contato são forças que ocorrem mediante o contato direto entre os corpos ou suas superfícies. Quando o contato é finalizado, elas deixam de atuar sobre eles. Entre seus tipos, estão:

• força normal;

• força de atrito;

• força elástica.

→ Forças de campo

Já as forças de campo são forças que ocorrem sem o contato direto entre os corpos ou suas superfícies, incluindo:

• força peso;

• força gravitacional;

• força magnética;

• força elétrica.

Fórmulas para calcular diferentes tipos de força

→ Fórmula da força resultante

\(\mathbf{F_R=m\cdot a}\)

\(F_R\) é a força resultante, medida em Newton \([N] \).

\(m \) é a massa do corpo, medida em quilogramas \([kg] \).

\(a \) é a aceleração do corpo, medida em \([m/s2 ]\).

→ Fórmula da força peso

\(\mathbf{P=m\cdot g}\)

\(P \) é a força peso, medida em Newton \([N] \).

\(m \) é a massa do corpo, medida em quilogramas \([kg] \).

\(g \) é a aceleração da gravidade, que vale aproximadamente \([10\ m/s^2 ]\).

→ Fórmula da força elástica

\(\mathbf{F_{el}=- k\cdot ∆x}\)

\(F_{el}\) é a força elástica, medida em Newton \([N] \).

\(k\) é a constante da mola, medida em \([N/m ]\).

\(∆x\) é a variação da deformação da mola (também chamada de elongação), medida em metros \( [m ]\).

→ Fórmula da força de atrito

\(\mathbf{f_{at}= μ\cdot N}\)

\(f_{at}\) é a força de atrito, medida em Newton \([N ]\).

\(μ \) é o coeficiente de atrito, podendo ser estático ou cinético.

\(N\) é a força normal, medida em Newton \([N ]\).

→ Fórmula da força de arraste

\(\mathbf{F_a=-\frac{1}2\cdot C\cdot ρ\cdot A\cdot v^2}\)

\(F_a \) é a força de arraste, medida em Newton \([N ]\).

\(C \) é o coeficiente de arraste.

\(ρ \) é a densidade do fluido, medida em \([kg/m^3] \).

\(A \) é a área do corpo que resiste ao movimento do fluido, medida em \([m^2] \).

\(v \)  é a velocidade do corpo, medida em \([m/s] \).

→ Fórmula da força centrípeta

\(\mathbf{F_{cp}=m\cdot a_{cp}}\)

\(F_{cp}\) é a força centrípeta, medida em Newton \([N]\).

\(m\) é a massa do corpo, medida em quilograma \([kg] \).

\(a_{cp}\) é a aceleração centrípeta, medida em \([m/s^2 ]\).

→ Fórmula da força gravitacional

\(\mathbf{F=G\cdot \frac{M\cdot m}{d^2 }}\)

\(F\) é o módulo da força de atração gravitacional, medido em Newton \([N ]\).

\(G\) é a constante de gravitação universal, que vale \(\mathbf{6,67\cdot 10^{-11}\ N\cdot m^2/kg^2}\).

\(M\) é a massa do corpo 1, medida em quilogramas \([kg] \).

\(m\) é a massa do corpo 2, medida em quilogramas \( [kg] \).

\(d^2\) é a distância entre os planetas, medida em metros \( [m ]\).

→ Fórmula da força de empuxo

\(\mathbf{E=d_f\cdot V_{fd}\cdot g}\)

\(E\) é a força de empuxo, medida em Newton \( [N]\).

\(d_f\) é a densidade do fluido, medida em \([kg/m^3]\).

\(V_{fd}\) é o volume do fluido deslocado, medido em \(m^3 \).

\(g\) é a aceleração da gravidade, que vale aproximadamente \(10\ m/s^2 \).

→ Fórmula da força elétrica

\(\mathbf{F_e=k\cdot \frac{|Q_1 | \cdot |Q_2 |}{d^2 }}\)

\(F_e\) é a força elétrica, medida em Newton \([N]\).

\(k\) é a constante eletrostática do meio, medida em \( (N\cdot m)^2/C^2\).

\(|Q_1 | \) e \(|Q_2 |\) são os módulos das cargas das partículas, medidos em Coulomb \([C] \).

\(d\) é a distância entre as cargas, medida em metros \([m]\).

→ Fórmula da força magnética sobre partículas carregadas

\(\mathbf{F_m=|q|\cdot v\cdot B\cdot sin\ θ}\)

\(F_m\) é a força magnética, medida em Newton \([N]\).

\(q\) é o módulo da carga elétrica em excesso ou falta, medido em Coulomb \([C] \).

\(v\) é a velocidade da partícula em relação ao campo magnético, medida em \([m/s] \).

\(B\) é o campo magnético, medido em Tesla \([T] \).

\(θ \) é o ângulo formado entre a velocidade e o campo magnético, medido em graus \([°] \).

→ Fórmula da força magnética sobre condutores retilíneos

\(\mathbf{F_m=B\cdot i\cdot l\cdot sin\ θ }\)

\(F_m\) é a força magnética, medida em Newton \([N]\).

\(B\) é o campo magnético, medido em Tesla \([T] \).

\(i\) é a corrente elétrica, medida em Ampère \( [A] \).

\(l\) é o comprimento do fio, medido em metros \([m] \).

\(θ \) é o ângulo formado entre o comprimento do fio e o campo magnético, medido em graus \([°] \).

→ Fórmula da força magnética sobre dois condutores retilíneos

\(\mathbf{F_m=μ_o\cdot \frac{i_1\cdot i_2\cdot l}{2\cdot π\cdot d}}\)

\(F_m\) é a força magnética, medida em Newton \([N] \).

\(μo \) é a constante de permeabilidade magnética do vácuo, que vale \(4Ï€\cdot 10^{-7}\ T\cdot m/A\).

\(i_1\) é a corrente elétrica do condutor 1, medida em Ampère \([A] \).

\(i_2\) é a corrente elétrica do condutor 2, medida em Ampère \([A] \).

\(l\) é o comprimento do fio, medido em metros \( [m] \).

\(d\) é a distância entre os dois condutores, medida em metros \( [m] \).

Qual a unidade de medida da força?

Todas as forças são medidas em Newton, uma unidade de medida criada em homenagem ao físico Sir Isaac Newton (1643–1727), considerado o pai da Física Clássica. Em análise dimensional, 1 Newton equivale a \(1\ kg\cdot m/s^2\), que advém da equação da segunda lei de Newton, na qual a força é o produto da massa do corpo pela aceleração do corpo.

Saiba mais: Aplicações das leis de Newton — tema de Física muito recorrente nos vestibulares

Possíveis efeitos da força na Física

A força é capaz de produzir diversos efeitos, tais como:

• alterar a direção de um corpo;

• alterar o sentido de um corpo;

• modificar a velocidade de um corpo durante o seu movimento, ocasionando sua aceleração;

• retirar um corpo do seu estado de repouso ou de equilíbrio, provocando o seu movimento;

• causar deformações nos corpos. 

Exercícios resolvidos sobre força

Questão 1

(Cesgranrio) A lei de Coulomb afirma que a força de intensidade elétrica de partículas carregadas é proporcional:

I. às cargas das partículas;

II. às massas das partículas;

III. ao quadrado da distância entre as partículas;

IV. à distância entre as partículas.

Das afirmações acima

a) somente I é correta.

b) somente I e III são corretas.

c) somente II e III são corretas.

d) somente II é correta.

e) somente I e IV são corretas.

Resolução:

Alternativa A.

Através da fórmula da força elétrica é possível observar que essa força é diretamente proporcional às cargas elétricas e inversamente proporcional ao quadrado da distância.

Questão 2

(Mack) O conjunto mostrado está em movimento devido à ação da força horizontal de 50 N. Despreze os atritos. O coeficiente de elasticidade da mola ideal que está entre os blocos A e B, de massas respectivamente iguais a 6 kg e 4 kg, é 1.000 N/m. A deformação sofrida pela mola é:

a) 2 cm

b) 4 cm

c) 5 cm

d) 7 cm

e) 10 cm

Resolução

Alternativa A. 

Primeiramente, calcularemos a aceleração do sistema, através da fórmula da força resultante:

\(F_R=m\cdot a\)

A massa é dada em termos do somatório das massas dos dois blocos:

\(F_R=(M+m)\cdot a\)

\(50=(6+4)\cdot a\)

\(50=10\cdot a\)

\(a=\frac{50}{10}\)

\(a=5\ m/s^2 \)

Por fim, calcularemos a deformação sofrida pela mola no bloco A, através da fórmula da força resultante e da força elástica:

\(F_R=m\cdot a\)

Como a única força atuando sobre o bloco é a força elástica, então:

\(F_{el}=m\cdot a\)

\(k\cdot x=m\cdot a\)

\(1000\cdot x=4\cdot 5\)

\(1000\cdot x=20\)

\(x=\frac{20}{1000}\)

\(x=0,02\ m\)

Fontes

HALLIDAY, David; RESNICK, Robert; WALKER, Jearl. Fundamentos da Física: Mecânica. 8. ed. Rio de Janeiro, RJ: LTC, 2009.

NUSSENZVEIG, Herch Moysés. Curso de física básica: Mecânica (vol. 1). 5 ed. São Paulo: Editora Blucher, 2015.

Por Pâmella Raphaella Melo
Professora de Física