Mecânica Clássica

Mecânica Clássica é uma subárea da Mecânica voltada aos estudos dos movimentos dos corpos na Terra e imersos em fluidos abaixo da velocidade da luz e as causas desses movimentos. A Mecânica Clássica é dividida principalmente nas áreas de Cinemática, Dinâmica, Estática, Hidrostática e Hidrodinâmica. O estudo da Mecânica Clássica é de grande importância para uma enorme gama de profissões, além de ser o conteúdo de Física que é mais cobrado no Exame Nacional do Ensino Médio (Enem).

Leia também: Física Moderna — a área da Física que surgiu para explicar alguns conceitos que a Mecânica Clássica não conseguia explicar

Resumo sobre Mecânica Clássica

• A Mecânica Clássica é uma subárea da Mecânica, uma das principais áreas da Física.

• Ela estuda os movimentos dos corpos na Terra e imersos em fluidos abaixo da velocidade da luz e as causas desses movimentos.

• As principais áreas de estudo da Mecânica Clássica são a Cinemática, a Dinâmica, a Estática, a Hidrostática e a Hidrodinâmica.

• A Cinemática estuda as situações que ocorrem a partir do instante em que um corpo inicia o seu estado de movimento.

• A Dinâmica estuda as causas que deram origem a algum movimento.

• A Estática estuda as condições de equilíbrio em corpos extensos.

• A Hidrostática estuda os fluidos em condições de equilíbrio estático.

• A Hidrodinâmica estuda os fluidos em movimento quando sujeitos a forças externas não nulas.

• As três principais áreas da Mecânica são a Mecânica Clássica, a Mecânica Quântica e a Mecânica Relativística.

• A Mecânica Clássica é o conteúdo de Física que mais cai no Enem.

O que a Mecânica Clássica estuda?

A Mecânica Clássica estuda os movimentos dos corpos na Terra e imersos em fluidos abaixo da velocidade da luz, além das causas desses movimentos. Ela geralmente é dividida em Cinemática, Dinâmica, Estática, Hidrostática e Hidrodinâmica.

Principais áreas de estudo da Mecânica Clássica

→ Cinemática

Cinemática é a área da Mecânica Clássica que estuda o movimento dos corpos sem levar em conta as causas desse movimento. Em outras palavras, estudam-se situações que ocorrem a partir do instante em que um corpo inicia o seu estado de movimento. No âmbito da Cinemática, que é vista no ensino médio, estudam-se os tipos de movimento que veremos a seguir.

◦ Movimento uniforme (MU)

Movimento uniforme é o movimento em que a velocidade de um corpo é constante, deslocando-se apenas em linha reta. A principal equação usada para o estudo do movimento uniforme é a função horária da posição.

• Função horária da posição para o MU:

\(S_F =S_0 + vt\ ou\ v= \frac{ΔS}{Δt}\)

◦ Movimento uniformemente variado (MUV)

Movimento uniformemente variado é o movimento em que a velocidade de um corpo muda a taxas constantes. No caso em que o movimento tem a sua velocidade incrementada, dizemos tratar-se de um movimento acelerado; se a velocidade diminui, dizemos tratar-se de um movimento retardado.

As equações mais importantes para a descrição do movimento uniformemente variado são as funções horárias da posição e da velocidade e a equação de Torricelli.

• Função horária da posição para o MUV:

\(S_F =S_0 + v_0 t+\frac{at^2}2\ ou\ \triangle S=v_0 t+ \frac{at^2}2,\ com\ \triangle S =S_F -S_0 \)

• Função horária da velocidade para o MUV:

\(V_F =V_0 + at\)

ou

\( a= \frac{V_F- V_0}{t_F-t_0}\)

• Equação de Torricelli:

\(V_F ^2 =V_0 ^2 + 2a\triangle S\)

◦ Movimento circular uniforme (MCU)

Movimento circular uniforme é o movimento em que a direção da velocidade de um móvel muda constantemente, de modo que a sua distância a um ponto do espaço permaneça constante. Mesmo que chamado de movimento circular uniforme, esse movimento é acelerado, uma vez que para que se possa descrever uma trajetória circular, é necessária a existência de uma aceleração centrípeta.

No estudo do movimento circular, deparamo-nos com uma grande quantidade de equações, sendo que existem: equações que calculam deslocamento e velocidade escalar; equações que calculam grandezas angulares, tais como velocidade angular; e, por fim, equações que servem para relacionar esses dois tipos de grandezas. Confira algumas das mais importantes equações do movimento circular.

• Velocidade angular para o MCU:

\(ω = \frac{Δθ}{Δt}\)

ou

\(ω = 2πf\)

ou

\(ω = \frac{2π}T\)

• Relação entre velocidade escalar e velocidade angular:

\(V = ωR\)

• Frequência e período:

\(f = \frac{1}T\)

\(T = \frac{1}f\)

◦ Movimento circular uniformemente variado (MCUV)

Movimento circular uniformemente variado é o movimento que consiste em um caso um pouco mais geral do movimento circular uniforme. Nele, além de uma aceleração centrípeta, há acelerações angular e tangencial constantes, que fazem com que a velocidade angular do móvel varie de maneira uniforme. Assim como fazemos no movimento uniformemente variado, no estudo do MCUV usamos funções horárias de posição e velocidade bastante similares.

• Função horária da posição angular do MCUV:

\(θ_F =θ_0 + ω_0 t+\frac{at^2}2\)

• Função horária da velocidade angular do MCUV:

\(ω_F = ω_0 = at \)

Veja também: Técnicas para resolver exercícios de Cinemática

→ Dinâmica

A Dinâmica é a área da Mecânica Clássica que estuda as causas que deram origem a algum movimento. Nesse sentido, estudamos as forças que atuam sobre um corpo, as quantidades de movimento, a energia mecânica, o impulso e as grandezas relacionadas aos movimentos de rotação, tais como o torque e o momento angular.

Os fundamentos do estudo da Dinâmica do ensino médio são as três leis de Newton. Com base nelas, derivam-se as demais equações da subárea e também da Cinemática. Confira algumas das mais importantes fórmulas utilizadas no estudo da Dinâmica:

• Segunda lei de Newton:

\(F=m\cdot a\)

• Torque ou momento de uma força:

\(T=Fdsenθ\)

• Momento linear ou quantidade de movimento linear:

\(Q=mv\)

• Momento angular ou quantidade de movimento angular:

\(L=rQsenθ\)

• Energia cinética:

\(E_c=\frac{mv^2}2\)

→ Estática

Estática é a área da Mecânica Clássica que estuda as condições de equilíbrio em corpos extensos, ou seja, determina quais devem ser as medidas ou ainda a intensidade de forças e torques para que um corpo de dimensões não desprezíveis possa permanecer em equilíbrio. No estudo da Estática, as leis de Newton são largamente utilizadas.

→ Hidrostática

A Hidrostática é a área da Mecânica Clássica que estuda os fluidos em condições de equilíbrio estático. Nela, estudamos massa específica, pressão, princípio de Stevin, teorema de Pascal e teorema de Arquimedes.

→ Hidrodinâmica

A Hidrodinâmica é a área da Mecânica Clássica que estuda os fluidos em movimento quando sujeitos a forças externas não nulas. Nela, estudamos vazão, equação da continuidade e princípio de Bernoulli.

Importância da Mecânica Clássica

A Mecânica Clássica possui grande importância em diversos aspectos. A seguir, destacamos algumas compreensões que só foram possíveis pela pesquisa em Mecânica Clássica:

• As órbitas de planetas, satélites e asteroides, descritas pela lei da gravitação universal e pelas leis de Kepler.

• A trajetória de foguetes, balas, dardos e flechas, explicada por meio das equações de lançamento de projéteis.

• O escoamento de fluidos, descrito pela equação da continuidade, capaz de explicar o voo dos aviões, bem como as situações hidrostáticas, em que os fluidos encontram-se em repouso.

• O funcionamento de máquinas simples, tais como planos inclinados, roldanas, talhas, balanças etc.

• A trajetória de partículas eletricamente carregadas movendo-se sob a ação de campos elétricos e magnéticos, como ocorre no fenômeno da aurora boreal.

• Corpos em queda livre ou até mesmo corpos que caem acelerados pela gravidade, mas que sofrem a ação da resistência do ar.

Veja também: Astrofísica — o ramo da Astronomia que se dedica ao estudo do Universo por meio de aplicações das leis da Física e da Química

Mecânica Clássica no Enem

Entre todas as áreas da Física, a Mecânica Clássica é aquela que está presente em maior quantidade nas questões do Enem, por isso é de grande importância que você seja capaz de:

• compreender o significado por trás das equações da Cinemática, conseguindo relacioná-las a situações reais, bem como aos seus gráficos;

• identificar e classificar movimentos progressivos, regressivos, acelerados e uniformes;

• compreender o conceito de referencial e entender o que são movimentos relativos;

• saber aplicar as três leis de Newton nos mais diferentes contextos;

• compreender o conceito de energia mecânica, cinética e potencial e saber operar com essas quantidades;

• fazer cálculos de colisões utilizando a quantidade de movimento, bem como a conservação da energia mecânica;

• conhecer e compreender o funcionamento das leis de Kepler e de sua relação com a lei da gravitação universal;

• entender como devem ser aplicadas as condições de equilíbrio estático a corpos cujas dimensões não podem ser desprezadas;

• compreender as causas e efeitos dos movimentos de partículas e saber descrevê-las em forma de equações.

Quais são as principais áreas de estudo da Mecânica?

A Mecânica é uma das grandes áreas da Física. Ela é comumente dividida em:

• Mecânica Clássica: um ramo da Mecânica que estuda os movimentos dos corpos na Terra e imersos em fluidos abaixo da velocidade da luz e as causas desses movimentos. Relaciona-se com os conhecimentos da área que são aplicáveis às situações macroscópicas.

• Mecânica Quântica: um ramo da Mecânica que estuda o movimento de partículas diminutas, tais como átomos e moléculas.

• Mecânica Relativística: um ramo da Mecânica que estuda o comportamento de corpos que se movem a velocidades próximas à velocidade da luz. É proveniente das descobertas do físico Albert Einstein.

Fonte

e-Física – Ensino de Física Online; USP – Universidade de São Paulo. Mecânica. Disponível em: http://efisica2.if.usp.br/course/index.php?categoryid=132.

Por Rafael Helerbrock
Professor de Física