Física Geral · 1.º ano (indicativo)

Como desenhar um diagrama de corpo livre?

  • 10 min de leitura
  • 4 exemplos resolvidos
  • 5 exercícios com solução
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Resposta curta

Um diagrama de corpo livre mostra um único corpo isolado e, desenhadas a partir dele, todas as forças que o ambiente exerce sobre esse corpo: peso, normal, tensão, atrito, forças aplicadas. Escolha os eixos, decomponha o que for inclinado e escreva ΣF = m·a em cada eixo.

Quando se aplica

Sempre que um problema de dinâmica tem forças em jogo: corpos em repouso (equilíbrio), a deslizar, em planos inclinados, ligados por cordas ou em elevadores. O diagrama é o primeiro passo antes de aplicar a 2.ª lei de Newton, ΣF = m·a.

Pré-requisitos

  • Distinguir massa (kg) de peso (P = m·g, em N, com g ≈ 9,8 m/s2).
  • Saber decompor um vetor em componentes (seno e cosseno).
  • Conhecer os tipos de força de contacto: normal (perpendicular à superfície), atrito (paralelo à superfície, a opor-se ao deslizamento) e tensão (ao longo da corda, a puxar).

As forças que mais aparecem

ForçaOrigemDireção
Peso P = m·gTerravertical, para baixo
Normal Nsuperfície de apoioperpendicular à superfície, para fora dela
Tensão Tcorda, caboao longo da corda, a puxar o corpo
Atrito fsuperfície rugosaparalela à superfície, contra o deslizamento
Força aplicada Fpessoa, motora indicada no problema

Método passo a passo

  1. Escolha o corpo cujo movimento quer estudar. Se houver vários corpos, faça um diagrama para cada um.
  2. Isole-o mentalmente: represente-o como um ponto ou uma pequena caixa, sem desenhar as superfícies ou as cordas em si.
  3. Procure o que o toca: cada superfície ou corda em contacto exerce uma força. Depois acrescente as forças à distância (o peso).
  4. Desenhe cada força como uma seta com origem no corpo e direção correta, com um nome e um símbolo (P, N, T, f, F).
  5. Escolha os eixos: num plano inclinado, x ao longo do plano e y perpendicular a ele; nos restantes casos, x horizontal e y vertical.
  6. Decomponha as forças que não estão sobre os eixos.
  7. Aplique ΣF = m·a a cada eixo. Em repouso ou a velocidade constante, a = 0.
  8. Teste: nenhuma força «de aceleração» ou «de inércia» aparece no diagrama, e cada seta tem um agente exterior identificável.

Exemplos resolvidos

Exemplo 1 — Livro em repouso numa mesa

Enunciado: Um livro de 2 kg está em repouso sobre uma mesa horizontal. Faça o diagrama de corpo livre e calcule a normal (g = 9,8 m/s2).

Resolução:

  1. Corpo: o livro. Forças: peso P (para baixo) e normal N (para cima). Mais nenhuma.
  2. P = m·g = 2 × 9,8 = 19,6 N.
  3. Eixo y (para cima): N − P = 0, pois a = 0.

Resposta: N = 19,6 N. Verificação: duas setas verticais, de sentidos opostos e igual módulo, resultante nula. (A normal não é a «reação» do peso: essa é a força que o livro faz na Terra.)

Exemplo 2 — Caixa puxada no chão com atrito

Enunciado: Uma caixa de 10 kg é puxada por uma força horizontal de 40 N sobre o chão, onde o atrito vale 15 N. Calcule a aceleração e a normal (g = 9,8 m/s2).

Resolução:

  1. Forças: P = 98 N (baixo), N (cima), F = 40 N (para a direita), f = 15 N (para a esquerda).
  2. Eixo y: N − P = 0, logo N = 98 N.
  3. Eixo x: F − f = m·a, isto é, 40 − 15 = 10·a.
  4. a = 25/10 = 2,5 m/s2.

Resposta: N = 98 N e a = 2,5 m/s2, para a direita. Verificação: 10 kg × 2,5 m/s2 = 25 N = 40 N − 15 N.

Exemplo 3 — Plano inclinado sem atrito

Enunciado: Um bloco de 5 kg escorrega num plano inclinado de 30°, sem atrito. Calcule a normal e a aceleração (g = 9,8 m/s2).

Resolução:

  1. Forças sobre o bloco: P (vertical, para baixo) e N (perpendicular ao plano). Eixo x ao longo do plano (para baixo); eixo y perpendicular.
  2. O peso decompõe-se em Px = m·g·sen 30° e Py = m·g·cos 30°.
  3. Eixo y: N = m·g·cos 30° = 5 × 9,8 × 0,866 ≈ 42,4 N.
  4. Eixo x: m·g·sen 30° = m·a, logo a = g·sen 30° = 9,8 × 0,5 = 4,9 m/s2.

Resposta: N ≈ 42,4 N e a = 4,9 m/s2 ao longo do plano. Verificação: a massa não influencia a aceleração e, para 30°, a = g/2.

Exemplo 4 — Nível de exame: dois corpos ligados por uma corda

Enunciado: Um bloco de 4 kg está sobre uma mesa sem atrito, ligado por uma corda, que passa por uma roldana, a um corpo suspenso de 1 kg. Calcule a aceleração e a tensão (g = 9,8 m/s2).

Resolução:

  1. Diagrama do bloco (4 kg): P e N (verticais, se anulam) e T (horizontal, para a roldana). Equação: T = 4·a.
  2. Diagrama do corpo suspenso (1 kg): P = 9,8 N (para baixo) e T (para cima). Equação: 9,8 − T = 1·a.
  3. Somando as duas equações: 9,8 = 5·a, logo a = 1,96 m/s2.
  4. T = 4 × 1,96 = 7,84 N.

Resposta: a = 1,96 m/s2 e T = 7,84 N. Verificação: 9,8 − 7,84 = 1,96 = 1 × 1,96. A tensão (7,84 N) é menor do que o peso do corpo suspenso (9,8 N), porque ele acelera para baixo.

Erros frequentes

  • Desenhar forças que o corpo exerce sobre os outros. O diagrama só tem as forças exercidas sobre o corpo escolhido.
  • Inventar uma «força do movimento» ou «força de aceleração» na direção do movimento. A aceleração resulta da soma das forças, não é uma força.
  • Supor sempre N = P. Isso só vale numa superfície horizontal sem outras forças verticais; num plano inclinado N = m·g·cos θ e num elevador acelerado muda.
  • Desenhar o atrito no sentido do movimento. O atrito cinético opõe-se ao deslizamento relativo.
  • Incluir as mesmas forças em dois corpos sem pensar nos pares ação-reação: a tensão que a corda faz num bloco e no outro tem módulo igual, mas ação e reação estão em corpos distintos.
  • Misturar os eixos: decompor o peso com cosseno onde devia ser seno. Verifique no caso limite θ = 0 (plano horizontal): Px deve ser 0.

Exercícios propostos

Tente resolver primeiro no caderno; depois confira.

1Exercício 1

Um candeeiro de 3 kg está pendurado do teto por um cabo e em repouso. Desenhe o diagrama de corpo livre e calcule a tensão (g = 9,8 m/s2).

Ver solução

Forças: P = 3 × 9,8 = 29,4 N (para baixo) e T (para cima). Em repouso, ΣF = 0, logo T = 29,4 N.

2Exercício 2

Uma pessoa de 60 kg está de pé numa balança dentro de um elevador que acelera para cima a 2 m/s2. Qual é a leitura da balança (força normal)? (g = 9,8 m/s2)

Ver dica

Tome o eixo y para cima: N − P = m·a.

Ver solução

N − 60 × 9,8 = 60 × 2, logo N = 588 + 120 = 708 N. A balança marca mais do que o peso (588 N) porque o elevador acelera para cima.

3Exercício 3

Um bloco de 8 kg é empurrado por uma força horizontal de 30 N num chão com atrito de 6 N. Calcule a aceleração.

Ver solução

ΣFx = 30 − 6 = 24 N. a = 24/8 = 3 m/s2.

4Exercício 4

Um bloco de 10 kg desliza para baixo num plano inclinado de 30° com atrito de 20 N. Calcule a normal e a aceleração (g = 9,8 m/s2).

Ver solução

Eixo y: N = m·g·cos 30° = 98 × 0,866 ≈ 84,9 N. Eixo x (para baixo): m·g·sen 30° − f = m·a, isto é, 49 − 20 = 10·a, logo a = 2,9 m/s2.

5Exercício 5

Dois corpos, de 3 kg e 2 kg, estão pendurados nas extremidades de uma corda que passa por uma roldana sem atrito. Calcule a aceleração e a tensão (g = 9,8 m/s2).

Ver dica

Faça um diagrama por corpo. O de 3 kg desce e o de 2 kg sobe.

Ver solução

Corpo de 3 kg (desce): 29,4 − T = 3·a. Corpo de 2 kg (sobe): T − 19,6 = 2·a. Somando: 9,8 = 5·a, logo a = 1,96 m/s2. T = 19,6 + 2 × 1,96 = 23,52 N. Verificação: 29,4 − 23,52 = 5,88 = 3 × 1,96.

Perguntas frequentes

Quando se usa o diagrama de corpo livre?

Em qualquer problema de dinâmica ou de equilíbrio de forças. É a condição prévia para aplicar a 2.ª lei de Newton sem esquecer nem inventar forças. Em problemas com vários corpos, faz-se um diagrama por corpo.

Existe um método mais rápido?

Em casos muito simples (um corpo em repouso com duas forças verticais), pode equacionar-se de cabeça. Em planos inclinados e sistemas de corpos, saltar o diagrama é a principal causa de erros; o desenho poupa tempo no total.

O peso é sempre perpendicular à superfície?

Não. O peso aponta sempre na vertical, para o centro da Terra. A força perpendicular à superfície é a normal. Num plano inclinado, o peso decompõe-se numa componente ao longo do plano e noutra perpendicular.

Que erros são mais comuns?

Desenhar forças que o corpo faz em vez das que recebe, acrescentar uma «força do movimento», assumir N = P em todos os casos e decompor mal o peso nos planos inclinados. Veja «Erros frequentes».

Resumo

  • O diagrama de corpo livre mostra um corpo e só as forças exercidas sobre ele.
  • Cada seta tem um agente: Terra (peso), superfície (normal e atrito), corda (tensão) ou uma força aplicada.
  • Escolha eixos convenientes (no plano inclinado, ao longo e perpendicular ao plano) e decomponha o que for oblíquo.
  • Aplique ΣF = m·a em cada eixo; em equilíbrio, ΣF = 0.
  • Não existem «forças de movimento»: a aceleração é consequência da resultante.
  • Com vários corpos, desenhe um diagrama para cada um e resolva o sistema.

Onde aprofundar

  • O manual de Física da sua classe e o programa oficial (INIDE / Ministério da Educação de Angola) — confirme a edição em vigor.
  • Halliday, Resnick e Walker, Fundamentos de Física, capítulos sobre força e movimento.
  • Young e Freedman, Física; e o manual aberto OpenStax University Physics, volume 1.

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