F = ma é uma lei ou uma definição?
A bancada põe um carrinho de 1 kg num trilho e o puxa com uma mola de 20 N/m. A outra ponta da mola vai na mão de alguém que anda à frente do carrinho, ajustando o passo para que a mola fique sempre 0,10 m mais comprida do que em repouso. A mola foi calibrada antes, pendurando pesos conhecidos, e por isso se sabe quanto ela puxa com cada esticamento: com 0,10 m, 2 N. Aperte Puxar e a velocidade sobe em linha reta no gráfico, 2 m/s a cada segundo, até 4 m/s no fim dos 2 s da corrida.
Com a mola esticada 0,20 m, a reta seguinte sai duas vezes mais inclinada, 4 m/s². Com o esticamento de volta em 0,10 m e um carrinho de 2 kg, a inclinação cai pela metade, para 1 m/s². As corridas anteriores ficam no gráfico em cinza, e em todas elas o produto da massa pela aceleração medida reproduz o \(k\,x\) da mola, como a mensagem embaixo da bancada confere a cada corrida.
força da mola velocidade medida previsão \(k\,x/m\) corridas anteriores
Nada disso seria notícia se força fosse só um nome para o produto \(m\,a\). Bastaria medir a aceleração, multiplicar pela massa e chamar o resultado de força, e a segunda lei ficaria certa por construção, sem poder errar sobre carrinho nenhum. Ela passa a afirmar alguma coisa quando a força tem uma medida independente, como o esticamento de uma mola calibrada, porque aí a previsão \(k\,x/m\) pode ser posta ao lado da inclinação da reta e pode falhar. O teste está em usar a mesma mola, com o mesmo esticamento, em corpos de massas diferentes: se ela faz sempre a mesma força, \(m\,a\) tem de dar o mesmo número em todos, e um mundo em que isso não acontecesse seria perfeitamente imaginável.
A terceira lei acrescenta uma exigência que também nenhuma definição garante. O carrinho puxa a mola para trás com a mesma força com que a mola o puxa para a frente, e o mesmo vale entre a mola e a mão, de modo que o que se mede num corpo diz quanto vale uma força que age em outro. A aula de ensino médio sobre a segunda lei usa \(F = m\,a\) como regra de cálculo; esta bancada pergunta o que, na lei, poderia ter dado errado, e o resto da aula olha de onde vêm as forças que se põem do lado esquerdo.
No Feynman: §12-1 What is a force? ↗
Para conversar
- Com 20 N/m e 1 kg, faça corridas com 0,10 m, 0,20 m e 0,30 m de esticamento. Quanto vale a aceleração dividida pelo esticamento em cada uma?
- Mantenha 0,10 m e troque a massa por 2 kg e depois por 4 kg. Quanto vale \(m\,a\) em cada corrida, e por que esse é o número que importa?
- Com uma mola de 40 N/m, que esticamento dá a mesma aceleração da mola de 20 N/m esticada 0,20 m?
- Há alguma combinação de mola e esticamento que dê 2 m/s² a um carrinho de 4 kg?