Quais são as leis do movimento de Newton?

Paul M. Sutter é astrofísico em SUNY Stony Brook e o Flatiron Institute, anfitrião de Pergunte a um astronauta e Rádio Espacial , e autor de Como morrer no espaço .

Há uma razão - na verdade, várias - pela qual Sir Isaac Newton é frequentemente considerado o cientista nº 1 de todos os tempos. E embora sejamos todos forçados a aprender sobre seu leis do movimento e conceitos de gravidade no ensino médio, raramente temos um vislumbre de por que sua obra seminal, 'Philosophiae Naturalis Principia Mathematica' (ou, em inglês, 'Princípios Matemáticos da Filosofia Natural'), é tão importante. Então, vamos cavar um pouco na mente de um gênio:

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Os filósofos ao longo do tempo têm buscado leis fundamentais, regras simples do universo que possam explicar a ampla e selvagem variedade de fenômenos que vemos no mundo ao nosso redor. Eles estavam trabalhando, e em grande parte falhando, nessa tarefa por alguns milênios, até que Newton apareceu no final dos anos 1600 e mostrou-lhes como fazê-lo.



Em 'Principia', Newton expôs três regras simples do universo. À primeira vista, mais de trezentos anos depois, eles parecem simples, intuitivos e óbvios, mas isso é apenas porque tivemos mais de trezentos anos para deixá-los afundar. Na época, eles eram uma revolução total no pensamento.

Vídeo: As três leis do movimento de Newton explicadas
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Seu primeira lei afirmou que objetos em repouso tendem a permanecer em repouso, e objetos em movimento tendem a permanecer em movimento. Em outras palavras, existe essa coisa chamada 'inércia', que é uma medida da resistência de um objeto ao movimento.

Essa ideia era ... nova. Anteriormente, a maioria dos pensadores pensava que os objetos individuais tinham uma inclinação natural para se mover ou não se mover (por exemplo, para explicar por que o vento tendia a soprar, mas as rochas preferiam ficar paradas). Da mesma forma, alguns objetos preferiram flutuar (como nuvens), enquanto outros não (como pessoas). Mas Newton virou isso de cabeça para baixo: todos os objetos tinham uma resistência inata a novos movimentos e era necessária uma força para fazê-los mudar.

Um pequeno empurrão

Falando em forças, isso foi Segunda lei de newton : as forças aplicadas a um objeto dão-lhes aceleração, com a quantidade de aceleração dependente da massa do objeto. Isso também ia contra a sabedoria prevalecente, que pensava que as forças aplicadas a um objeto lhes conferiam velocidade. Isso é parcialmente verdade, porque a aceleração é uma mudança de velocidade, mas perde o panorama geral que Newton estava buscando. Uma vez acelerado até uma determinada velocidade, um objeto manterá essa velocidade a menos e até que uma nova força seja aplicada para acelerá-lo ou desacelerá-lo.

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A segunda lei de Newton é realmente a lei da conservação do momento, escrita de outra maneira. Os objetos manterão seu momentum até que uma força seja aplicada, e essa força mudará seu momentum. Todas as interações entre objetos (por exemplo, colisões, solavancos, batidas, esmagamentos e assim por diante) preservarão a quantidade total de momentum entre eles.

Se você nunca conheceu a conservação de momentum antes, deve saber que esse conceito é a base de cada ramo da física. Sério, tudo isso: geral e especial relatividade , mecânica quântica, termodinâmica, física de partículas e assim por diante. Todos eles descansam e contam com a conservação do momento para guiá-los. Toda a física moderna se resume, nos níveis mais profundos, a expressar a conservação do momento em diferentes cenários.

Dos elétrons em um átomo à expansão do universo, tudo está vinculado ao mesmo conceito, que pode ter suas raízes na segunda lei de Newton.

Igual e oposto

A última lei de Newton, de que cada força tem uma força igual e oposta, parece uma adição menor. Mas também foi uma grande revolução no pensamento.

Quando você empurra algo, você está aplicando uma força e fazendo com que acelere. Fácil de usar, certo? Mas você sabia que o objeto está simultaneamente empurrando você?

Como poderia ser, se você não está se movendo e o objeto está?

A chave é que, embora as forças sejam iguais, as acelerações não são. Se você for mais maciço do que uma bola de futebol, quando você chutá-la, sua aceleração será pequena, enquanto a bola de futebol irá voar. Mas essa força de volta em você é o que lhe dá a sensação de resistência. Outro exemplo: quando você se senta em uma cadeira, você está aplicando uma força nela, mas a cadeira também está aplicando uma força em você - é o que você sente empurrando para cima.

Este último insight é como Newton desbloqueou todo o cosmos. Enquanto observava uma maçã cair de uma árvore, ele percebeu que, como a Terra está aplicando uma força à maçã, a maçã também deve estar aplicando uma força à Terra. Mas não vemos o movimento da Terra porque é muito massivo.

Vídeo: A gravitação universal explica basicamente tudo

Com essa linha de raciocínio, Newton foi capaz de argumentar que a força gravitacional não era apenas algo sentido perto da superfície da Terra, mas que era verdadeiramente universal: todos os objetos no cosmos estavam ligados a todos os outros objetos por meio de cadeias invisíveis de gravidade . Armado com essa percepção e suas leis recém-descobertas, Newton foi capaz de explicar tudo, desde as órbitas dos planetas até os ciclos das marés.

Esse é o poder que você obtém ao compreender corretamente as leis fundamentais da natureza, leis que foram o único paradigma por mais de 200 anos (até o desenvolvimento da relatividade e da mecânica quântica), e continuam a desempenhar um papel central em nossa vida cotidiana.

Saiba mais ouvindo o episódio 'Qual foi o grande problema de Newton?' no podcast Ask A Spaceman, disponível em iTunes e na web em http://www.askaspaceman.com . Obrigado a Chris C. pelas perguntas que levaram a esta peça! Faça sua própria pergunta no Twitter usando #AskASpaceman ou seguindo Paul @PaulMattSutter e facebook.com/PaulMattSutter .