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Física Universitária · Feynman Vol. I · Cap. 9

As Leis de Newton da Dinâmica

Esta aula acompanha o capítulo 9 das Feynman Lectures, em que as leis de Newton deixam de ser um enunciado e passam a ser uma ferramenta de cálculo. As duas primeiras simulações tratam da força, do momento e da velocidade como vetor; as outras usam essas ideias para prever um movimento passo a passo, com uma receita que se pode seguir à mão, numa tabela, ou entregar a uma máquina. A mesma receita serve para uma massa presa a uma mola e para um planeta em volta do Sol. O capítulo original pode ser lido de graça no site do Caltech.

  1. 1Força e momento
  2. 2Velocidade vetorial
  3. 3A mola passo a passo
  4. 4A precisão
  5. 5A órbita
PASSO 1

O que uma força muda num corpo?

Na bancada há dois carrinhos parados num trilho sem atrito, o A com 1 kg e o B com 4 kg. O botão Empurrar aplica a cada um a mesma força, 2 N, durante os mesmos 2 s, e depois os deixa correr sozinhos. Enquanto a força age, a velocidade do A cresce quatro vezes mais depressa que a do B; quando ela acaba, o A segue a 4 m/s e o B a 1 m/s.

Do fim do empurrão em diante, as duas retas do gráfico ficam horizontais. Sem força, nenhum carrinho ganha ou perde velocidade, e o B seguiria a 1 m/s por quanto trilho houvesse. Os carrinhos parados, antes do botão, são o mesmo caso com velocidade zero. Essa é a inércia, que Galileu já tinha percebido.

A segunda lei fala do momento, o produto da massa pela velocidade, e diz que a força é a taxa com que ele varia no tempo. Com massa constante, a derivada só alcança a velocidade e a lei vira \(F = ma\): os mesmos 2 N dão ao carrinho de 1 kg uma aceleração de 2 m/s² e ao de 4 kg uma de 0,5 m/s². É nesse sentido que a massa mede a inércia, a resistência de um corpo a ter a velocidade mudada, e a bancada mostra isso nas inclinações das duas retas durante o empurrão.

força, enquanto age   velocidade

Os momentos finais guardam a parte mais curiosa. O A termina com 1 kg vezes 4 m/s, o B com 4 kg vezes 1 m/s, e os dois têm os mesmos 4 kg·m/s. Somando a segunda lei ao longo do empurrão, a variação do momento é a força vezes o tempo em que ela agiu, o impulso \(F\,T\), e a massa não entra na conta. Qualquer par de massas nos controles termina com momentos iguais; o que a massa decide é como esse momento se reparte entre muita massa e pouca velocidade ou o contrário. A aula de ensino médio sobre impulso usa a mesma relação para explicar por que um choque mais longo machuca menos.

A lei deixa uma coisa em aberto, e convém dizer qual. Ela não diz o que é uma força nem de onde vem; diz quanto o momento muda por segundo enquanto ela age. Para prever um movimento falta uma segunda informação, a lei da força de cada caso, e o passo 3 usa a da mola para calcular um movimento inteiro. A aula de ensino médio sobre a segunda lei trabalha \(F = ma\) com forças dadas; aqui interessa a forma com o momento, que é a que o próprio Newton escreveu, falando em quantidade de movimento.

\(\vec F = \dfrac{d\vec p}{dt},\quad \vec p = m\vec v\)\(F\,T = \Delta p\)\(\vec F\) é a força, \(\vec p\) o momento, \(m\) a massa e \(\vec v\) a velocidade; \(F\,T\) é o impulso de uma força constante que age durante o tempo \(T\), e \(\Delta p\) a variação do momento que ele produz.

No Feynman: §9-1 Momentum and force ↗

Para conversar

  • Ponha A em 0,5 kg e B em 8 kg. Quantas vezes a velocidade final do A é maior que a do B? E os momentos finais?
  • Reduza a força à metade e dobre o tempo do empurrão. O que muda no gráfico? E nos momentos finais?
  • Com as duas massas iguais, o que acontece com as duas retas do gráfico?
  • Durante o empurrão, os dois momentos aparecem sempre iguais nos quadros, embora as velocidades sejam bem diferentes. Por quê? Compare com o quadro F·t.
  • Para pensar, já que a bancada não tem atrito: num trilho de verdade, como ficariam as retas depois do empurrão? O que isso diz sobre o atrito?
Velocidades A · B (m/s)
Momentos A · B (kg·m/s)
Impulso F·t (N·s)
PASSO 2

Um carro em curva com velocímetro parado está acelerando?

A bancada põe um ponto a girar num círculo de 2 m de raio, com uma volta a cada 6,28 s e 2 m/s o tempo todo. Um velocímetro preso a ele ficaria parado nos 2 m/s, e mesmo assim a seta azul da velocidade nunca é a mesma em dois instantes, porque gira junto com o ponto. Por isso a física separa rapidez de velocidade. A rapidez é o tamanho da velocidade, o número que o velocímetro mostra; a velocidade é esse número acompanhado de uma direção, e mudar só a direção já é mudar a velocidade.

Para ver de quanto ela muda, a bancada marca o ponto em dois instantes separados por \(\Delta t\) e desenha, ao lado, as duas velocidades saindo de uma mesma origem. A seta vermelha que vai da ponta da primeira à ponta da segunda é \(\Delta\vec v\), o que foi preciso somar à primeira para chegar à segunda. Com \(\Delta t = 0{,}1\) s as duas setas quase coincidem e \(\Delta\vec v\) mede só 0,2 m/s, mas dividida pelos 0,1 s ela dá 1,999 m/s², uma aceleração que não desaparece quando o intervalo encolhe.

Copiada para o círculo, no ponto da volta que fica no meio dos dois instantes, a mesma seta aponta exatamente para o centro, para qualquer \(\Delta t\). É ela que curva a trajetória sem mexer na rapidez, e a razão \(|\Delta\vec v|/\Delta t\) tende a \(v^2/R\), 2 m/s² nos valores iniciais, a aceleração centrípeta da aula de ensino médio sobre movimento circular. O carro do título, portanto, acelera, e a força que o faz virar vem do chão, pelo atrito dos pneus.

As barras à direita do quadro guardam a mesma seta azul em dois números. Escolhidos dois eixos, \(v_x\) diz quantos metros por segundo o ponto anda na direção x e \(v_y\) na direção y, e as barras da bancada mostram as duas trocando de valor ao longo da volta, enquanto \(\sqrt{v_x^2+v_y^2}\) fica nos 2 m/s. A aceleração e a força se decompõem do mesmo jeito, e a segunda lei vale em cada eixo separadamente. Uma força sem componente horizontal não muda a velocidade horizontal, e é por isso que a bola do cenário Lançamento, no passo 6 da aula do capítulo 8, mantém os 5 m/s na horizontal do começo ao fim do voo.

\(\vec v = (v_x, v_y),\ |\vec v| = \sqrt{v_x^2 + v_y^2}\)\(\vec a = \lim_{\Delta t\to0} \dfrac{\Delta \vec v}{\Delta t}\)\(F_x = m\,a_x,\ F_y = m\,a_y\)\(v_x\) e \(v_y\) são as componentes da velocidade nos dois eixos, \(|\vec v|\) é a rapidez e \(\vec a\) a aceleração; \(F_x\), \(F_y\), \(a_x\) e \(a_y\) são as componentes da força e da aceleração.

No Feynman: §9-2 Speed and velocity ↗ · §9-3 Components of velocity, acceleration, and force ↗

Para conversar

  • Leve \(\Delta t\) de 1 s a 0,01 s. De que valor \(|\Delta\vec v|/\Delta t\) se aproxima? A partir de que \(\Delta t\) a diferença para \(v^2/R\) fica abaixo de 1 %?
  • Com \(\Delta t = 1\) s as duas velocidades já são bem diferentes. A seta vermelha copiada no círculo continua apontando para o centro?
  • Dobre a velocidade angular sem mudar o raio. Quantas vezes cresce a rapidez? E a aceleração?
  • Em que pontos da volta \(v_x\) é zero? Para onde aponta a velocidade ali?
Rapidez |v|
|Δv|/Δt
v²/R
PASSO 3

Como prever o movimento de uma mola sem resolver equação?

A bancada prende uma massa de 1 kg a uma mola de 2 N/m, puxa a massa 0,6 m para a direita e a solta. Ninguém precisa saber de antemão que movimento vem daí. Basta a tabela embaixo do gráfico, preenchida linha a linha com contas de somar e multiplicar, e cada clique em Mais um passo acrescenta uma linha à tabela e um ponto ao gráfico.

A segunda lei, sozinha, não faria esse trabalho. Ela liga a força à variação da velocidade, mas alguém precisa dizer quanto vale a força em cada posição, e para a mola a resposta é a lei de Hooke: esticada \(x\) metros, ela puxa de volta com \(kx\) newtons. Com as duas juntas, a aceleração vale \(-(k/m)\,x\) em cada instante, e essa regra diz como a velocidade vai mudar logo adiante a partir de onde a massa está agora.

A tabela usa a regra com um passo \(\varepsilon\) de 0,05 s. Em t = 0 a massa está em 0,6 m e a aceleração vale −2 × 0,6 = −1,2 m/s². A velocidade da primeira linha não é a do instante zero, que é nula, mas a do meio do primeiro intervalo, em 0,025 s, e meio passo de aceleração a leva a −0,03 m/s. Com ela a posição em 0,05 s fica 0,6 − 0,05 × 0,03 = 0,5985 m, a aceleração ali passa a −1,197 m/s², e a velocidade em 0,075 s sai −0,03 − 0,05 × 1,197 = −0,0899 m/s. Cada linha nova repete essas três contas.

força da mola sobre a massa   velocidade

As colunas da tabela andam desencontradas: x e a valem nos instantes 0; 0,05; 0,10 s, e v vale entre eles, em 0,025; 0,075; 0,125 s. Cada velocidade leva a posição de uma linha à seguinte, e cada aceleração corrige a velocidade de um meio intervalo para o próximo. O desencontro é de propósito. A velocidade do começo do intervalo já está desatualizada no fim dele, e andar com ela erra sempre para o mesmo lado, um erro que se acumula volta após volta, como o método de Euler do passo 4 deixa ver; a do meio fica perto da média do intervalo, e os desvios para um lado e para o outro quase se cancelam. O Feynman monta a conta desse jeito no capítulo, com outros números iniciais e outra tabela.

Calcular uma volta preenche a tabela por um período inteiro. Os pontos caem sobre a curva tracejada, \(x_0\cos\omega t\) com \(\omega = \sqrt{k/m}\), a solução exata que o cálculo diferencial fornece e que a tabela nunca usou. O período sai das passagens por x = 0, interpoladas entre os dois pontos vizinhos: a massa cruza o zero indo para a esquerda em 1,11 s e voltando em 3,33 s, o que dá uma volta de 4,44 s, igual a \(2\pi\sqrt{m/k}\) nas duas casas da tela. A amplitude não entra nessa fórmula, e a bancada pode confirmar que puxar a mola mais ou menos não muda o período.

\(m\,\dfrac{d^2x}{dt^2} = -k\,x\)\(x(t+\varepsilon) = x(t) + \varepsilon\,v(t+\tfrac{\varepsilon}{2})\)\(v(t+\tfrac{3\varepsilon}{2}) =\) \(v(t+\tfrac{\varepsilon}{2}) + \varepsilon\,a(t+\varepsilon)\)\(T = 2\pi\sqrt{m/k}\)\(k\) é a constante da mola, \(m\) a massa, \(x\) o deslocamento a partir do equilíbrio e \(\varepsilon\) o passo de tempo; a aceleração em cada instante é \(a = -(k/m)\,x\), e \(T\) é o período.

No Feynman: §9-4 What is the force? ↗ · §9-5 Meaning of the dynamical equations ↗ · §9-6 Numerical solution of the equations ↗

Para conversar

  • Em que linha da tabela a aceleração troca de sinal? Onde está a massa nesse instante, e o que faz a velocidade dali em diante?
  • Ponha k = 1 N/m, m = 1 kg e ε = 0,2 s e calcule uma volta. Que período sai? Compare com 2π.
  • Quadruplique a massa sem mudar a mola. Quantas vezes cresce o período? E se a amplitude for de 0,6 m para 1 m?
  • Leve ε a 0,5 s. Quantos pontos cabem numa volta, e quanto o período medido se afasta de 2π√(m/k)?
t em s, x em m, v em m/s no meio do intervalo, a em m/s²
txv(t+ε/2)a
Período medido
2π√(m/k)
PASSO 4

Quão pequeno precisa ser o passo?

A bancada pega a mola do passo 3, com 1 kg, 2 N/m e 0,6 m de amplitude, e a faz dar 5 voltas por dois métodos, com o mesmo passo de 0,05 s. O primeiro, o de Euler, anda cada intervalo com a velocidade do começo e muda a velocidade com a força do começo. O segundo é o do meio passo, o da tabela do passo 3. O meio passo fica em cima da curva exata, e a curva de Euler se abre a cada volta, até a amplitude triplicar.

A energia mostra o defeito sem precisar olhar o gráfico de perto. Sem atrito, ela deveria ficar constante, e no método de Euler cresce na mesma proporção a cada passo, 0,5 % com esses números, sem nunca diminuir. Ao fim das 5 voltas está 9,16 vezes maior que no começo, energia que nenhuma força forneceu. No meio passo ela oscila numa faixa estreita, no máximo 0,13 % abaixo do valor inicial, e não se afasta dele volta após volta.

O gráfico pequeno, com escala logarítmica nos dois eixos, mede o erro da posição em t = 2 s para oito passos diferentes. Os pontos de cada método caem quase numa reta (a de Euler entorta nos passos grandes), e a inclinação da reta é o expoente de \(\varepsilon\) no erro: 1 para Euler, 2 para o meio passo. Passar de 0,05 s para 0,025 s leva o erro do meio passo de 0,109 mm a 0,0272 mm, quatro vezes menos, enquanto o de Euler só cai de 58,9 mm para 29 mm. O mesmo trabalho dobrado rende quatro vezes mais precisão num método e duas no outro.

Mais precisão custa só mais linhas da mesma conta: as 5 voltas pedem 444, e um passo dez vezes menor pediria mais de 4.400. Nada na receita depende de a força ser a da mola: trocada a lei da força, a mesma tabela calcula outro movimento, e o passo 5 faz isso com a gravidade do Sol.

meio passo   Euler   exata, tracejada

\(E = \tfrac12 m v^2 + \tfrac12 k x^2\)\(\text{erro} \propto \varepsilon^2\)\(E\) é a energia da massa na mola, cinética mais a guardada na mola; o erro é o do método do meio passo, que cai com o quadrado do passo \(\varepsilon\).

No Feynman: §9-6 Numerical solution of the equations ↗

Para conversar

  • Com ε = 0,025 s, quantas vezes a energia de Euler cresce em 5 voltas? E com 0,01 s?
  • Compare os erros dos quadros em ε = 0,1 s e em 0,05 s. Qual a razão para o meio passo? E para Euler?
  • Com ε = 0,5 s, o meio passo ainda acompanha a curva exata? O que sobra da curva de Euler?
  • Quantos passos de 0,01 s cada método precisa para as 5 voltas?
Erro do meio passo em t = 2 s
Erro de Euler em t = 2 s
Energia final de Euler / inicial
PASSO 5

Dá para calcular a órbita de um planeta à mão?

A bancada deixa o Sol parado na origem e lança um planeta de x = 1, a uma unidade de distância, com velocidade 1,2 apontada na direção y. As unidades são escolhidas para que GM valha 1, a mesma simplificação que o Feynman faz no capítulo. Deixar o Sol imóvel é uma aproximação, boa enquanto a massa dele for muito maior que a do planeta. Cada passo de ε = 0,01 acrescenta um ponto à curva, calculado com a receita do passo 3, agora com duas posições e duas velocidades em vez de uma de cada.

A única coisa nova é a lei da força. A gravitação dá ao planeta uma aceleração de tamanho GM/r², apontada para o Sol, e a direção para o Sol é a do vetor (−x, −y) dividido pelo seu comprimento r. O produto das duas coisas tem componentes −GMx/r³ e −GMy/r³, as da caixa ao lado. Em cada passo da conta, portanto, sai r de x e y, saem dele as duas acelerações, e as duas velocidades e as duas posições avançam como avançava a única da mola.

O que os pontos desenham é uma elipse com o Sol num dos focos, e a palavra elipse não aparece em lugar nenhum da conta. O planeta se afasta até 2,57 do Sol e chega lá a 0,47, menos de 40 % da velocidade de partida. Depois de uns 1.500 passos volta a x = 1, em cima da curva tracejada, que é a elipse de Kepler com a mesma energia. O período medido nessa volta é 14,994. A energia por unidade de massa, \(\tfrac12 v^2 - GM/r\), vale −0,28 na partida e dá um semieixo de 1,786. Com ele, a terceira lei de Kepler, a mesma que o passo 2 da aula do capítulo 7 usa para chegar ao 1/r², prevê 14,993, e com ε = 0,001 os dois números coincidem nas três casas.

Os setores sombreados da primeira volta juntam o mesmo número de passos cada um, 125, ou seja, o mesmo tempo. Perto do Sol eles saem curtos e largos, do outro lado compridos e estreitos, e todos varrem a mesma área, 0,750. É a lei das áreas, que a conta nunca recebeu como regra. Ela decorre só de a força apontar para o Sol, como mostra o passo 4 da aula do capítulo 7, que já calculava uma órbita em passos curtos. O método do meio passo a cumpre à risca para qualquer ε, porque cada correção da velocidade aponta para o Sol e deixa intacta a área do triângulo seguinte.

O passo grande cobra o preço onde o planeta corre mais. Com v = 0,6 ele parte do afélio e mergulha até 0,22 do Sol, onde gira muito mais depressa. Com ε = 0,05 a volta medida já sai 4,7 % mais longa que a de Kepler, a órbita calculada gira alguns graus por volta em relação à tracejada, e com ε = 0,2 ela se desfaz. A órbita de v = 1,2, que nunca chega a menos de 1 do Sol, aguenta o mesmo ε = 0,2 errando o período em 1,8 %.

As tabelas de posição dos planetas usadas hoje por observatórios e missões espaciais saem de integrações numéricas passo a passo, com métodos mais refinados que o desta bancada. A receita de fundo é a mesma, e nada nela exige um Sol parado e um planeta só. Com vários corpos, a aceleração de cada um passa a ser a soma das atrações de todos os outros, cada uma com o seu termo do tipo −GMx/r³, e o próprio Sol entra na conta como mais um corpo que se move. Com passos pequenos o bastante, a conta acompanha os desvios que um planeta provoca no outro, as perturbações.

\(a_x = -\dfrac{GM\,x}{r^3},\quad a_y = -\dfrac{GM\,y}{r^3}\)\(E = \tfrac12 v^2 - \dfrac{GM}{r}\)\(\Rightarrow a = -\dfrac{GM}{2E}\)\(T = 2\pi\sqrt{a^3/GM}\)\(x\) e \(y\) são as coordenadas do planeta, com o Sol na origem, e \(r = \sqrt{x^2+y^2}\) a distância entre os dois; \(GM\) é a constante da gravitação vezes a massa do Sol, \(E\) a energia por unidade de massa do planeta, \(a\) o semieixo maior da elipse e \(T\) o período.

No Feynman: §9-7 Planetary motions ↗

Para conversar

  • Ponha v = 1. Que forma tem a órbita, e que período aparece nos quadros? Compare com 2π.
  • Com v = 1,2, suba ε de 0,001 até 0,2. Em que passo o período medido se afasta mais de 1 % do de Kepler?
  • Com v = 0,6, a partir de que ε o quadro avisa que o passo é grande demais? Por que a órbita de v = 1,2 aguenta passos maiores?
  • A área varrida por unidade de tempo muda quando ε cresce? Divida a área de um setor pela duração dele, que o rótulo da bancada mostra.
  • Leve v a 1,45. Que sinal tem a energia, e por que o período de Kepler some dos quadros?
Período medido
Período de Kepler
Semieixo a

Para onde vamos

Em toda a aula a força veio de fora, dada pela mola ou por um Sol que não se mexe, e só a segunda lei foi usada. O capítulo 10 do Feynman, Conservation of Momentum, traz a terceira lei, a da ação e reação, e dela tira a conservação do momento quando dois corpos se empurram um ao outro, o que também tiraria o Sol da imobilidade. Ele também está no site do Caltech, e a aula desta trilha que o acompanha vem logo a seguir.