As Leis do Movimento de Newton e a Gravitação Universal: Fundamentos da Física Clássica

Por Lorran Batista Gonzaga

As contribuições de Sir Isaac Newton (1643–1727) para a ciência revolucionaram nossa compreensão do universo. Seu trabalho culminou na formulação das três leis do movimento e na lei da gravitação universal, publicadas em 1687 na obra Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica (Princípios Matemáticos da Filosofia Natural). Esses princípios não apenas descrevem o comportamento de objetos em movimento, mas também explicam fenômenos celestes, unificando a física terrestre e cósmica. Tais leis para a física é de importância singular. Por mais que a física clássica não explique tudo, suas leis e formulações continuam descrevendo os movimentos em baixa velocidade e matéria macroscópica. Em outras palavras, continuam descrevendo o dia-a-dia.

Contexto Histórico: Do Renascimento à Revolução Científica

Antes de Newton, a compreensão do movimento era baseada nas ideias de Aristóteles que afirmava que objetos tendiam a permanecer em repouso a menos que uma força contínua fosse aplicada. Ou seja, para Aristóteles era impossível mover sem a existência de uma força. No entanto, no século XVII, Galileu Galilei (1564–1642) desafiou essa visão ao demonstrar que, na ausência de forças externas como o atrito, um objeto em movimento permaneceria em movimento indefinidamente. Paralelamente, Johannes Kepler (1571–1630) formulou as leis do movimento planetário, descrevendo órbitas elípticas. Newton sintetizou essas ideias, incorporando-as a um quadro matemático coerente. Seu trabalho marcou a transição da filosofia natural para a física moderna, estabelecendo a mecânica clássica como disciplina fundamentada no que mais tarde foi chamado de método cientifico.

As Três Leis do Movimento de Newton

São três as leis do movimento de Newton, a saber: Lei da inércia, Princípio fundamental da dinâmica, princípio da ação e reação. Adentremos em cada uma delas.

Primeira Lei: Lei da Inércia

“Todo corpo permanece em seu estado de repouso ou de movimento retilíneo uniforme, a menos que seja obrigado a mudar seu estado por forças aplicadas sobre ele.”

A primeira lei de Newton introduz o conceito de inércia que já havia sido estudado por Galileu. Podemos dizer que a inércia é a resistência de um corpo a mudanças em seu estado de movimento. Podemos citar como exemplo um carro em movimento. Para para-lo você precisa acionar os freios (força de atrito) caso contrario o carro permaneceria em movimento retilíneo uniforme.

Essa lei define o contrario da noção aristotélica de que o movimento requer uma força constante, destacando que forças externas (e não internas) alteram o movimento. A inércia depende da massa: objetos mais massivos resistem mais a mudanças. Na prática, essa lei explica por que passageiros são arremessados para frente quando um veículo freia bruscamente. Vale ressaltar que, por mais que a teoria Aristotélica não defina o movimento físico como analisado por Newton, seu impacto é muito mais filosófico. A Ideia de ato e potência continua irrefutável no contexto da teoria newtoniana.

Segunda Lei: Princípio Fundamental da Dinâmica

A força resultante que atua sobre um corpo é igual à taxa de variação temporal do seu momento linear.”

Matematicamente, essa lei é expressa como:

\vec{F} = \frac{d \vec{p}}{d t} = m \cdot \vec{a}

Onde:

$\vec{F}$ = força resultante (em newtons, N)
$\vec{p}$ = momento linear ( $m \cdot \vec{v}$ )
$m$ = massa (kg)
$\vec{a}$ = aceleração (m/s²)

Essa equação mostra que a aceleração de um objeto é diretamente proporcional à força aplicada e inversamente proporcional à sua massa. Por exemplo, empurrar um carrinho de compras vazio (massa menor) resulta em maior aceleração do que empurrar um carrinho cheio. A segunda lei também é vetorial: a direção da aceleração coincide com a da força resultante. Isso explica por que um objeto lançado horizontalmente segue uma trajetória parabólica sob a influência da gravidade.

Terceira Lei: Princípio da Ação e Reação

“Para toda ação, há uma reação igual e oposta.”

Terceira Lei de Newton, também conhecida como Princípio da Ação e Reação, afirma que para toda ação, existe uma reação de igual intensidade, mesma direção e sentido oposto. Isso significa que, sempre que um corpo exerce uma força sobre outro, este segundo corpo também exerce uma força de mesma intensidade e direção, mas em sentido contrário, sobre o primeiro. Podemos citar como exemplo prático da Terceira Lei o lançamento de um foguete para o espaço. Os motores do foguete queimam combustível (geralmente uma mistura de hidrogênio líquido e oxigênio líquido) em uma câmara de combustão. Essa queima produz gases quentes e de alta pressão, que são expelidos para baixo através do bocal do foguete. Essa expulsão massiva de gases é a ação descrita por Newton. Conforme os gases são acelerados para trás (ação), o foguete experimenta uma força de reação na direção oposta (para cima), conforme prescrito pela Terceira Lei. Essa força é chamada de empuxo ou thrust e é responsável por vencer a força gravitacional e acelerar o foguete em direção ao espaço.

A Lei da Gravitação Universal

A lei da gravitação Universal de Newton, baseada nas leis de Kepller, é fundamental para entender o cosmos. Newton estendeu suas leis ao cosmos, propondo que a mesma força que faz uma maçã cair atrai a Lua em direção à Terra. A lei da gravitação universal afirma:

F = G \cdot \frac{m_{1} \cdot m_{2}}{r^{2}}

Onde:

$F$ = força gravitacional (N)
$G$ = constante gravitacional 6,67408.10-11 N.m²/kg²
$m_{1}, m_{2}$ = massas dos corpos (kg)
$r$ = distância entre os centros de massa (m)

Essa lei descreve uma força atrativa, proporcional ao produto das massas e inversamente proporcional ao quadrado da distância (lei do inverso do quadrado). Com a relatividade Geral, a Ideia de força gravitacional da lugar para uma curvatura no tecido do espaço tempo e a gravitação passa a ser melhor descrita pelas equações de Einstein.

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quarta-feira, 19 de março de 2025