Física · 9.ª–12.ª classe

Como calcular o momento de uma força?

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  • 4 exemplos resolvidos
  • 5 exercícios com solução
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Resposta curta

O momento de uma força em relação a um ponto (ou eixo) calcula-se multiplicando a intensidade da força pela distância perpendicular do ponto à linha de ação da força: M = F × d, em newton-metro (N·m). Exemplo: 50 N aplicados a 0,3 m do eixo dão M = 50 × 0,3 = 15 N·m. Mede a capacidade de a força provocar rotação.

Fórmula e significado de cada termo

Empurrar uma porta junto às dobradiças custa muito; empurrá-la longe delas é fácil. A força é a mesma, mas o seu efeito de rotação é diferente. A grandeza que mede esse efeito é o momento da força.

Momento de uma força

M = F × d M = F × r × sen θ (se a força fizer um ângulo θ com a barra ou o raio vetor)

  • M é o momento da força, em N·m.
  • F é a intensidade da força, em newtons (N).
  • d é o braço da força: a distância perpendicular entre o eixo de rotação e a linha de ação da força, em metros (m).
  • r é a distância do eixo ao ponto de aplicação da força, e θ o ângulo entre a força e a direção de r. Quando a força é perpendicular à barra, sen 90° = 1 e fica M = F × r.

Condições de aplicação

O momento depende do ponto ou eixo escolhido: muda se mudar o eixo. Tem sinal: por convenção, costuma tomar-se como positivo o sentido anti-horário e negativo o horário (confirme no manual qual a convenção adotada no seu programa). Se a linha de ação da força passar pelo eixo, d = 0 e o momento é nulo: a força não faz rodar.

Atenção

O N·m do momento não é o joule, apesar de a unidade ser dimensionalmente igual. O momento é uma grandeza de rotação; o joule mede energia. Escreva sempre N·m para momentos.

Passo a passo

  1. Marque o eixo de rotação (a dobradiça, a porca, o apoio do balancé).
  2. Identifique cada força e o ponto onde atua.
  3. Determine o braço d: a distância perpendicular do eixo à linha da força. Se a força for oblíqua, use d = r × sen θ.
  4. Converta as unidades: força em N e distância em m (30 cm = 0,3 m).
  5. Calcule M = F × d para cada força.
  6. Atribua o sinal pelo sentido da rotação e some os momentos, se houver várias forças.
  7. Interprete: se a soma for zero, não há rotação (equilíbrio de rotação); caso contrário, o corpo roda no sentido do momento resultante.

Exemplos resolvidos

Exemplo 1 — Chave de roda

Enunciado: Para apertar uma roda de um carro, uma pessoa faz uma força perpendicular de 50 N na ponta de uma chave de 0,3 m. Calcule o momento da força.

Resolução:

  1. F = 50 N e d = 0,3 m.
  2. M = F × d = 50 × 0,3 = 15.

Resposta: 15 N·m. Verificação: 15 ÷ 0,3 = 50 N, a força inicial.

Exemplo 2 — Empurrar uma porta

Enunciado: Uma porta é empurrada com 20 N, perpendicularmente a ela. Compare o momento quando a força é aplicada a 0,8 m da dobradiça e a 0,2 m da dobradiça.

Resolução:

  1. A 0,8 m: M = 20 × 0,8 = 16 N·m.
  2. A 0,2 m: M = 20 × 0,2 = 4 N·m.
  3. Razão: 16 ÷ 4 = 4.

Resposta: 16 N·m e 4 N·m; aplicar a força quatro vezes mais longe da dobradiça dá um momento quatro vezes maior. Verificação: 0,8 ÷ 0,2 = 4.

Exemplo 3 — Força oblíqua

Enunciado: Uma força de 40 N é aplicada na extremidade de uma barra de 0,5 m, fazendo um ângulo de 30° com a barra. Calcule o momento em relação à outra extremidade, fixa.

Resolução:

  1. Só a componente perpendicular à barra provoca rotação: Fperp = F × sen 30° = 40 × 0,5 = 20 N.
  2. M = Fperp × r = 20 × 0,5 = 10.

Resposta: 10 N·m. Verificação: M = F r sen θ = 40 × 0,5 × 0,5 = 10 N·m. Se a força fosse perpendicular, seria 40 × 0,5 = 20 N·m, o dobro.

Exemplo 4 — Nível de exame: equilíbrio de um balancé

Enunciado: Num balancé, uma criança de peso 300 N está a 2 m do eixo, do lado esquerdo. Onde deve sentar-se, do lado direito, uma criança de peso 400 N para que o balancé fique em equilíbrio na horizontal?

Resolução:

  1. Equilíbrio de rotação: soma dos momentos = 0, ou seja, momento anti-horário = momento horário.
  2. Lado esquerdo: M = 300 × 2 = 600 N·m.
  3. Lado direito: M = 400 × x.
  4. 400 x = 600, logo x = 600 ÷ 400 = 1,5.

Resposta: a 1,5 m do eixo. Verificação: 400 × 1,5 = 600 N·m = 300 × 2 N·m. A criança mais pesada senta-se mais perto do eixo.

Erros frequentes

  • Usar a distância ao ponto de aplicação em vez da distância perpendicular à linha de ação, quando a força é oblíqua.
  • Esquecer sen θ quando a força não é perpendicular à barra.
  • Medir d a partir de um ponto que não é o eixo de rotação. O momento só tem sentido em relação a um eixo definido.
  • Misturar centímetros com metros: 30 cm = 0,3 m.
  • Ignorar os sinais na soma de momentos de sentidos opostos, ou somar apenas os valores.
  • Confundir momento com força: a unidade é N·m, não N, e uma força maior não implica sempre momento maior.

Exercícios propostos

Tente resolver primeiro no caderno; depois confira.

1Exercício 1

Uma força perpendicular de 30 N é aplicada a 0,4 m de um eixo. Calcule o momento.

Ver solução

M = F × d = 30 × 0,4 = 12 N·m.

2Exercício 2

Para abrir uma porca é necessário um momento de 24 N·m. Se a chave tem 0,6 m, que força perpendicular é preciso aplicar?

Ver dica

Isole F: F = M ÷ d.

Ver solução

F = 24 ÷ 0,6 = 40 N.

3Exercício 3

Uma força de 100 N atua na extremidade de uma barra de 0,5 m, a 30° com a barra. Calcule o momento em relação à outra extremidade.

Ver dica

Use M = F r sen θ, com sen 30° = 0,5.

Ver solução

M = 100 × 0,5 × 0,5 = 25 N·m.

4Exercício 4

Em relação a um eixo, uma força de 12 N faz rodar no sentido anti-horário a 0,5 m, e outra de 5 N faz rodar no sentido horário a 1,2 m. Calcule o momento resultante. O que se conclui?

Ver dica

Dê sinal positivo ao anti-horário e negativo ao horário.

Ver solução

M1 = +12 × 0,5 = +6 N·m. M2 = −5 × 1,2 = −6 N·m. Soma = 6 − 6 = 0 N·m. O corpo está em equilíbrio de rotação: não roda.

5Exercício 5

Uma porca exige um momento de 45 N·m. Que força perpendicular é necessária com uma chave de 0,3 m? E com uma chave de 0,6 m? Que conclui?

Ver solução

Com 0,3 m: F = 45 ÷ 0,3 = 150 N. Com 0,6 m: F = 45 ÷ 0,6 = 75 N. Duplicando o comprimento da chave, a força necessária reduz-se a metade, porque o momento é F × d e o produto tem de se manter 45 N·m.

Perguntas frequentes

Qual é a fórmula para calcular o momento de uma força?

É M = F × d, onde d é a distância perpendicular do eixo à linha de ação da força. Para uma força oblíqua, M = F r sen θ. A unidade é o N·m.

Como verificar se o resultado está correto?

Divida o momento pelo braço: deve recuperar a força. Confirme também que a distância está em metros e que, em duas forças em sentidos opostos, usou sinais contrários.

O momento de uma força é o mesmo que binário?

Não. O momento mede o efeito de rotação de uma força em relação a um ponto. Um binário é um par de forças iguais e de sentidos opostos que provoca só rotação. Confirme no manual se o seu programa aborda o binário.

Que erros se cometem ao calcular o momento de uma força?

Usar a distância ao ponto de aplicação em vez da distância perpendicular, esquecer o seno do ângulo e ignorar os sinais. Veja "Erros frequentes".

Resumo

  • M = F × d, em N·m, com d a distância perpendicular do eixo à linha de ação da força.
  • Para força oblíqua, M = F r sen θ.
  • O sentido da rotação dá o sinal (anti-horário positivo, por convenção; confirme no manual).
  • Em equilíbrio de rotação, a soma dos momentos é nula.
  • Aumentar o braço aumenta o momento, por isso as chaves compridas apertam melhor.
  • O momento depende do eixo escolhido; defina-o sempre no início.

Onde aprofundar

  • O manual de Física da sua classe e o programa oficial (INIDE / Ministério da Educação de Angola) — confirme a edição em vigor.
  • O manual aberto OpenStax Physics (em inglês), capítulos sobre equilíbrio estático e torque.
  • O Sistema Internacional de Unidades, descrito pelo Bureau Internacional de Pesos e Medidas (BIPM).

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