As leis do movimento de Newton, ou simplesmente as leis de Newton são as três leis fundamentais que a mecânica clássica se baseia, a disciplina científica que explica o movimento de objetos macroscópicos sob a influência das forças que agem sobre ele.
Mecânica clássica é um termo que começou a ser usado no início do século XX para descrever a física com base nas teorias que Isaac Newton desenvolveu durante o século XVII. A formulação das leis do movimento de Newton foi publicada em 1687 em sua obra Philosophiæ naturalis principia mathematica (Princípios Matemáticos da Filosofia Natural).
Ao combinar as leis do movimento e a lei da gravitação universal, também desenvolvido por ele, Newton conseguiu deduzir matematicamente teorias astronômicas anteriores, como as teorias do movimento planetário Kepler e estudos de Galileu Galilei no movimento de projéteis.
As leis de Newton
As leis e teorias de Newton nos ajudaram a entender o comportamento mecânico de objetos em repouso, objetos em movimento e as leis que agem sobre eles. As leis de Newton baseiam-se no conceito de massa como a quantidade de matéria e o conceito de força. Para Newton, para gerar movimento é necessário que uma força atue sobre a massa e modifique sua velocidade ou trajetória, isto é, que uma força acelere ou desacelere o objeto.
Uma das ideias brilhantes de Newton foi um vislumbre da velocidade de um objeto não indica que a força está agindo sobre ele, como ele seguiu a física aristotélica, mas é a aceleração, ou seja, não se acelerar mas a mudança de velocidade ou trajetória.
1. Primeira Lei de Newton: Lei da Inércia
A primeira lei ou lei da inércia de Newton afirma que um objeto em movimento permanecerá em movimento uniforme e retilíneo indefinidamente se não houver força atuando sobre ele e forçar a mudança de velocidade (acelerar ou desacelerar) ou mudar a direção de deslocamento.
O estado de repouso é considerado velocidade zero e, similarmente, um objeto em repouso permanecerá em repouso indefinidamente, a menos que uma força atue nele e faça com que ele mude de velocidade.
Isto é, se está em repouso ou em movimento, um objeto manterá seu estado até que uma força atue nele:
“Todo corpo persevera em seu estado de repouso ou movimento uniforme e retilíneo, a menos que seja forçado a mudar seu estado pelas forças nele impressas”.
Basicamente, a primeira lei de Newton afirma que um objeto não começa a se mover espontaneamente, apenas quando uma força externa age sobre ele. Uma vez em movimento, o movimento seria constante, uniforme e retilíneo. O movimento do objeto só mudará se outras forças agirem nele para lhe dar mais movimento ou para remover o movimento, isto é, mudar sua velocidade ou mudar a direção do movimento.
Essa lei supunha uma mudança radical na física aristotélica predominante até então. De acordo com a física aristotélica, um objeto permanece em movimento enquanto uma força de aceleração é aplicada, assim que a força pára de se aplicar, o objeto para. Para Newton é o oposto, se você parar de aplicar uma força no objeto, o objeto continuará em movimento retilíneo, a velocidade constante e indefinidamente; é necessário que outra força atue para detê-lo.
Por exemplo, se um projétil é jogado de um canhão, o projétil seguiria um movimento retilíneo indefinido e escaparia do planeta. Se isso não acontecer, é porque a força da gravidade da Terra e a resistência do ar restringem o projétil e fazem com que ele finalmente caia no chão quando neutralizaram a força motriz inicial.
O que vem a explicar é que a velocidade do objeto não é indicativa de que há uma força atuando sobre o objeto, é a mudança de velocidade (aceleração). No caso de objetos em repouso, sua velocidade é zero e, se mudar, é porque uma força agiu para acelerá-la.
Segue-se, portanto, que o estado de repouso mecânico e estado de movimento uniforme são equivalentes estados na ausência de forças externas ou a força líquida é (vetor soma de todas as forças que atuam sobre o objeto) zero:
ΣF= 0 —– dv/dt = 0
Onde F é a força, v é a velocidade e t é o tempo.
Ao aplicar esta Lei, Newton percebeu que a Lua não foi disparada para o espaço em um movimento retilíneo porque havia outra força agindo sobre ela, mudando constantemente a direção do movimento até se tornar um movimento circular. Essa força chamou a gravidade e é o mesmo princípio usado para manter os satélites artificiais em órbita.
2. Segunda Lei de Newton ou Lei Fundamental da Dinâmica
A segunda lei de Newton, ou lei fundamental da dinâmica, estabelece que a taxa de mudança do movimento de um objeto, isto é, a aceleração, é proporcional à força aplicada ao objeto. Além disso, a mudança de movimento ocorre na direção em que a força é aplicada, uma vez que a força é uma magnitude vetorial.
A segunda lei de Newton só é válida para sistemas de massa constante e matematicamente é descrita como a força é igual à massa do objeto pela aceleração que ela experimenta:
F= m . dv/dt = ma
Onde F é a força líquida aplicada, “m” é a massa do objeto e “a” é a aceleração.
Daí resulta que, se a massa permanece constante, a mudança de movimento é proporcional à força aplicada. Para sistemas de massa variável, a equação é:
F + u . dm/dt = m . dv/dt
Onde u é a velocidade de entrada ou saída do material do sistema.
3. Terceira Lei de Newton ou Lei de ação-reação
A terceira lei de Newton, também conhecida como lei de ação-reação, afirma que para cada ação há uma reação oposta de igual magnitude. Isso significa que, para qualquer força aplicada a um objeto, existe uma força de igual magnitude, mas na direção oposta, isto é, se um objeto é empurrado para frente, outro objeto é empurrado para trás com a mesma intensidade.
A terceira lei de Newton, essencialmente, significa que todas as forças mecânicas são as interações entre dois ou mais objetos e se objeto exerce uma força sobre um objeto B (FA), objeto B vai exercer uma força de igual magnitude, mas em direção oposta no objeto B (FB). Isto é, FA = – FB.
Por exemplo, os motores de um foguete empurram a terra para baixo (ação) e a terra empurra o foguete com a mesma intensidade (reação). Mas a força exercida pelo foguete na Terra não é suficiente para mover o planeta, mas é o suficiente para superar o peso do foguete. A força de reação do planeta, equivalente à força exercida pelos reatores, pode então fazê-lo decolar. Da mesma forma, uma pessoa caminhando está empurrando o chão para baixo e para trás, e o chão empurra a pessoa para cima e para frente.
A lei da ação e reação é o único que é considerado completamente original Newton, porque os outros dois já haviam sido feitas por outros cientistas como Galileu Galilei, Robert Hooke e Christiaan Huygens, ainda que de forma diferente ou menos preciso.
Mecânica Clássica, Relativista e Quântica
As leis de Newton e a mecânica clássica foram verificadas por experimentos e observações feitas ao longo dos séculos. No entanto, eles não representam mais do que uma aproximação para descrever o movimento de objetos macroscópicos.
Nos tamanhos e velocidades diárias para o ser humano, as aproximações de Newton têm uma excelente precisão, até para descrever o movimento de objetos astronômicos, mas os desvios tornam-se muito notáveis quando os objetos são extremamente massivos (o campo gravitacional é muito forte) , quando a velocidade se aproxima da velocidade da luz ou quando o tamanho é tão pequeno que se torna clara a dualidade onda-corpúsculo da matéria.
Para explicar os fenômenos que aparecem nestas escalas teorias físicas mais sofisticados, como a relatividade geral ou teoria quântica de campos, as teorias que não são mais do que outras abordagens para a realidade são necessárias, como também não conseguem extremamente altas e extremamente pequenas escalas.