Física · 8.ª–12.ª classe
O que é a queda livre?
Resposta curta
Queda livre é o movimento de um corpo sujeito apenas ao seu peso, isto é, sem resistência do ar. A aceleração é constante, vertical e dirigida para baixo, e vale cerca de 9,8 m/s2 (g), igual para todos os corpos, qualquer que seja a sua massa.
Definição e características
Na vida real o ar trava os corpos, por isso a queda livre é um modelo: aplica-se bem quando a resistência do ar é desprezável (uma pedra pesada largada de pouca altura) e rigorosamente no vácuo. Na Física do secundário, o enunciado diz quase sempre «despreze a resistência do ar» ou «queda livre».
Características
- A única força é o peso (P = m × g).
- A aceleração é constante e vale g ≈ 9,8 m/s2 junto à superfície da Terra. Nos exercícios usa-se muitas vezes 10 m/s2; siga o que o enunciado indicar.
- Não depende da massa: uma bola de ténis e uma de chumbo, largadas juntas do mesmo ponto, chegam ao chão ao mesmo tempo (sem ar). A massa maior sofre mais peso, mas também tem mais inércia, e os dois efeitos compensam-se.
- A velocidade aumenta sempre o mesmo valor em cada segundo (cerca de 10 m/s por segundo).
- O movimento é retilíneo e uniformemente variado, por isso valem as equações do movimento uniformemente acelerado.
Queda livre, largando do repouso (v₀ = 0), com g = 10 m/s2
Velocidade: v = g × t Altura percorrida: h = ½ × g × t2 Sem o tempo: v2 = 2 × g × h
Se o corpo for lançado para cima com velocidade v₀, a aceleração continua a ser g para baixo: o corpo sobe, pára no ponto mais alto (v = 0) e volta a descer. Tempo de subida = v₀ ÷ g; altura máxima = v₀2 ÷ (2g).
Distâncias percorridas (g = 10 m/s2, largado do repouso)
| Tempo (s) | Velocidade (m/s) | Altura percorrida (m) |
|---|---|---|
| 1 | 10 | 5 |
| 2 | 20 | 20 |
| 3 | 30 | 45 |
| 4 | 40 | 80 |
Exemplos do quotidiano
- Um fruto que se desprende de uma mangueira e cai: aproxima-se da queda livre por poucos segundos.
- Um objeto que cai de uma varanda de um prédio de Luanda: enquanto a velocidade é pequena, a resistência do ar é desprezável.
- Astronautas na Lua largam um martelo e uma pena e ambos chegam ao mesmo tempo, porque lá não há ar.
- Não é queda livre: um paraquedista com o paraquedas aberto, uma folha a planar ou uma bola que alguém empurra para baixo (há outra força além do peso).
Exemplos resolvidos
Exemplo 1 — Tempo e velocidade de chegada
Enunciado: Larga-se uma pedra do topo de um prédio com 20 m de altura. Com g = 10 m/s2 e sem resistência do ar, calcule o tempo de queda e a velocidade ao chegar ao solo.
Resolução:
- h = ½ × g × t2 → 20 = 5 × t2 → t2 = 4 → t = 2 s.
- v = g × t = 10 × 2 = 20 m/s.
Resposta: t = 2 s e v = 20 m/s. Verificação: v2 = 2 × g × h = 2 × 10 × 20 = 400, e 202 = 400.
Exemplo 2 — Altura a partir do tempo
Enunciado: Um objeto, largado do repouso, demora 3 s a chegar ao chão. De que altura caiu e com que velocidade chega? (g = 10 m/s2)
Resolução:
- h = ½ × 10 × 32 = 5 × 9 = 45 m.
- v = 10 × 3 = 30 m/s.
Resposta: h = 45 m e v = 30 m/s. Verificação: 302 = 900 e 2 × 10 × 45 = 900.
Exemplo 3 — Lançamento para cima
Enunciado: Uma bola é lançada na vertical, para cima, com 20 m/s. Calcule o tempo de subida, a altura máxima e o tempo total até regressar ao ponto de lançamento. (g = 10 m/s2)
Resolução:
- No ponto mais alto v = 0. Tempo de subida: 20 ÷ 10 = 2 s.
- Altura máxima: v₀2 ÷ (2g) = 400 ÷ 20 = 20 m.
- A descida demora o mesmo que a subida, logo o tempo total é 2 × 2 = 4 s.
Resposta: subida 2 s; altura máxima 20 m; tempo total 4 s. Verificação: a bola regressa com 20 m/s, a velocidade com que partiu (em sentido oposto).
Exemplo 4 — Nível de exame: distância no segundo segundo
Enunciado: Um corpo é largado do repouso. Que distância percorre durante o 2.º segundo da queda? (g = 10 m/s2)
Resolução:
- Em 2 s cai h(2) = 5 × 22 = 20 m.
- Em 1 s cai h(1) = 5 × 12 = 5 m.
- No 2.º segundo percorre a diferença: 20 − 5 = 15 m.
Resposta: 15 m. Verificação: a velocidade média nesse segundo é (10 + 20) ÷ 2 = 15 m/s, e 15 m/s × 1 s = 15 m.
Erros e confusões frequentes
- Pensar que corpos mais pesados caem mais depressa. Sem resistência do ar, caem ao mesmo tempo. A diferença que vemos no dia a dia vem do ar.
- Dizer que a velocidade é constante. É a aceleração que é constante; a velocidade cresce.
- Misturar massa com peso e multiplicar pela massa nas fórmulas de queda: nem t nem v dependem da massa.
- Esquecer que no ponto mais alto v = 0, mas a aceleração continua a ser g (não é zero).
- Chamar queda livre a qualquer queda. Se há resistência do ar relevante, ou outra força, já não é queda livre.
- Trocar h = ½ g t2 por h = g t2, esquecendo o ½.
Exercícios propostos
1Exercício 1
Um corpo é largado do repouso. Com g = 10 m/s2, qual é a sua velocidade ao fim de 4 s e que altura percorreu?
Ver solução
v = 10 × 4 = 40 m/s; h = ½ × 10 × 16 = 80 m.
2Exercício 2
Largou-se uma fruta de uma árvore com 45 m de altura (queda livre, g = 10 m/s2). Quanto tempo demora a chegar ao chão?
Ver solução
45 = 5 × t2 → t2 = 9 → t = 3 s.
3Exercício 3
Um objeto, largado do repouso, atinge o solo com 30 m/s. De que altura caiu?
Ver dica
Use v2 = 2 g h.
Ver solução
900 = 2 × 10 × h → h = 900 ÷ 20 = 45 m.
4Exercício 4
Uma pedra é lançada para cima com 15 m/s. Calcule o tempo de subida e a altura máxima. (g = 10 m/s2)
Ver solução
Tempo de subida: 15 ÷ 10 = 1,5 s. Altura máxima: 152 ÷ (2 × 10) = 225 ÷ 20 = 11,25 m.
5Exercício 5
Largam-se, ao mesmo tempo e da mesma altura, uma esfera de 1 kg e outra de 5 kg, sem resistência do ar. Qual chega primeiro? Se a altura for 80 m, quanto tempo demoram e com que velocidade chegam? (g = 10 m/s2)
Ver dica
A massa aparece em alguma das fórmulas de queda?
Ver solução
Chegam ao mesmo tempo, porque a aceleração é g para ambas. 80 = 5 × t2 → t2 = 16 → t = 4 s. Velocidade: 10 × 4 = 40 m/s para as duas.
Perguntas frequentes
Qual é a diferença entre queda livre e queda com resistência do ar?
Na queda livre só atua o peso. Com resistência do ar surge uma força que se opõe ao movimento e cresce com a velocidade; a aceleração diminui e pode chegar a zero, quando o corpo atinge uma velocidade constante chamada velocidade terminal.
Porque é que uma folha cai mais devagar do que uma pedra?
Porque a resistência do ar tem um efeito relativamente grande numa folha, leve e larga. Num tubo sem ar, a folha e a pedra caem juntas.
O valor de g é igual em todo o lado?
Aproximadamente. Varia ligeiramente com a latitude e a altitude, e é muito diferente noutros astros: na Lua é cerca de 1,6 m/s2, por isso um objeto largado de 1 m demora mais tempo a cair.
Um corpo lançado para cima está em queda livre?
Sim, desde que largue a mão e só atue o peso. A subida e a descida são ambas queda livre, com a mesma aceleração g para baixo.
Resumo
- Queda livre: movimento sob a ação exclusiva do peso.
- A aceleração é constante, g ≈ 9,8 m/s2 (frequentemente 10 m/s2 nos exercícios), e não depende da massa.
- Do repouso: v = g t, h = ½ g t2, v2 = 2 g h.
- Num lançamento vertical para cima, v = 0 no ponto mais alto e a aceleração mantém-se g.
- É um modelo: só vale quando a resistência do ar é desprezável.
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), secção sobre queda livre de corpos.
- O Sistema Internacional de Unidades, do Bureau Internacional de Pesos e Medidas (BIPM).
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