quarta-feira, 1 de outubro de 2014

Forças Fictícias ou pseudoforças. A Força de Coriolis é uma força que não existe mas parece existir.

Esta é uma tentativa de explicação da Força de Coriolis e, também, de outras forças fictícias como a Força Centrífuga. Acompanhe a explanação, que começa dando os conceitos da Lei da Inércia e dos referenciais.


A força de Coriolis e a Força Centrífuga são forças inerciais, ou seja forças fictícias, pseudoforças ou não-forças.
by Roberto M.
Um efeito físico, a força de Coriolis, determina que ciclones e correntes marítimas girem em sentidos contrários em cada um dos hemisférios. Sentido anti-horário no norte e sentido horário no sul.

Mas vamos, primeiro,  tentar entender o que é essa tal de “Força de Coriolis” para, depois, explicar o efeito dela no nosso Planeta Terra.

Sabendo tudo isso, poderemos, em seguida, analisar tranquilamente aquele mito sobre o giro da água nos ralos de pia  ou na descarga da privada.

Mas, vamos começar relembrando alguns conceitos físicos e, paulatinamente, chegar ao nosso objetivo que é entender as pseudoforças, dentre elas, a “Força de Coriolis”.


LEI DA INÉRCIA

Quando estamos sentados em um ponto de ônibus e vemos um ônibus frear, observamos que os passageiros inclinam seus corpos para frente.
Dizemos então, que essa tendência de continuar o movimento é causada pela inércia. Esta é uma lei da física, conhecida como primeira lei de Newton, ou Lei da Inércia, e diz que na ausência de forças, um corpo parado continua parado e um corpo em movimento retilíneo uniforme continua em movimento retilíneo uniforme, andando sempre com a mesma velocidade.

Mas e se nós estivéssemos no interior do ônibus no momento da freada?
Neste caso não poderíamos dizer que a inclinação dos passageiros foi causada pela inércia, afinal sentimos claramente a ação de uma força nos levando para a frente, ou seja, não estamos mais na ausência de forças.

Observe como as duas situações descritas são diferentes.
Na primeira situação, o observador se encontra em repouso (sentado no ponto de ônibus) e observa um corpo (ônibus) em movimento acelerado (o ônibus quando freia está acelerando negativamente).
Na segunda situação o observador se encontra dentro do ônibus que freia, portanto também está acelerado.

REFERENCIAIS INERCIAL E NÃO INERCIAL

Acontece que as leis de Newton só se aplicam a fenômenos observados de um referencial em repouso ou em movimento retilíneo uniforme (com velocidade constante ou seja,aceleração igual à zero), conhecido como referencial inercial.

Logo, a primeira situação pode ser explicada usando-se as leis de Newton e o conceito de inércia.
Já na segunda situação, o referencial é não-inercial - pois o observador possui aceleração - e não podemos explicar a inclinação dos passageiros para frente usando a lei da Inércia.

A FORÇA FICTÍCIA

Este tipo de "força" que aparece em referenciais acelerados é chamado de força de inércia, força inercial ou pseudoforça.
Um outro exemplo do aparecimento de uma força inercial é quando um carro faz uma curva e sentimos como se uma força nos empurrasse para fora, nos pressionando contra a parede do carro. Se a porta estivesse aberta, seríamos lançados para fora do carro. Essa força que nos empurra para fora da curva é uma força de inércia conhecida como Força Centrífuga.

Alguma força tirou o carro de sua trajetória mas essa força não nos atingiu. Desse modo, a tendencia seria continuarmos na nossa trajetória anterior e, por isso, “parece” que somos empurrados para a parede do carro e sairíamos dele se não houvesse a porta fechada.
Caso a porta estivesse aberta, um observador fora do carro nos veria, simplesmente, seguindo nossa trajetória retilínea anterior. Já um observador de dentro do carro “teria a impressão” de que fomos lançados para fora do carro por uma força inexplicável.

E então, essa força existe ou não?
A resolução desse enigma se encontra, exatamente, nas expressões “parece” e “teria a impressão” escritas anteriormente. O observador interno supõe a existência de uma “força” que lança o passageiro para fora do carro e, até, dá o nome de “força centrífuga” para ela.

Já o observador externo tem a certeza de que essa “força” não passa de uma mera ilusão na cabeça do obsevador que está dentro do referencial não inercial girante (o carro).
Essa “força centrífuga” e aquela “força” que inclinou o passageiro na freada do ônibus são exemplos característicos daquilo que chamamos, na física, de Forças Fictícias ou pseudoforças. Elas parecem existir para quem está dentro do sistema acelerado (caso do carro que faz a curva e do ônibus que freia). 

Aliás, é normal surgirem essas “forças fictícias” nos sistemas acelerados. Isso em decorrência dos “parece” e “ter impressão” daqueles que estão dentro do sistema.
A “Força de Coriolis” é uma dessas pseudoforças. Elas podem aparecer nos sistemas acelerados em movimento de rotação.

REFERENCIAL NÃO INERCIAL EM ROTAÇÃO

Um corpo em um referencial em rotação, portanto não-inercial, estará sujeito à ação de dois tipos de força de inércia, a Força Centrífuga que atuará na direção do raio para fora da curva e uma outra força que tenderá a desviar lateralmente o movimento do corpo, essa última conhecida como Força de Coriolis.
A pseudoforça “Força centrífuga” já foi exemplificada no ítem anterior. Vamos, agora, exemplificar a pseudoforça “Força de Coriolis”.

Para isso, vamos imaginar um carrossel girando no sentido anti-horário e duas pessoas dentro dele.
Um homem está no centro do carrossel e uma mulher está na periferia do carrossel, um de frente para o outro.
Em um certo instante, o homem faz deslizar uma bolinha, pela superfície completamente sem atrito do carrossel, em direção à mulher.

Qual será a trajetória visualizada por um observador que está fora do carrossel? E qual será a trajetória visualisada pelos dois que estão dentro do carrossel?

É lógico, por tudo que vimos anteriormente, que o observador externo verá a bolinha sair do centro e se deslocar em linha reta para a periferia do carrossel, obedecendo a Primeira Lei de Newton, a Lei da Inércia. Mas, enquanto isso, ele verá, também, a mulher se deslocar acompanhando o movimento giratório do carrossel.
Assim, quando a bolinha chegar à borda, ela estará em um ponto à esquerda da mulher.

Bolinha lançada no carrossel girando na visão de um observador externo em repouso.

Entretanto, do ponto de vista dos dois que estão dentro do carrossel, a coisa será um pouco diferente.
Como eles permanecem de frente, um para o outro, cara a cara, durante todo o tempo, a bolinha seguirá uma trajetória que encurva para a esquerda da mulher e para a direita do homem.

Daí, seguindo as leis de Newton, é lógico eles pensarem que, se a bolinha fez uma trajetória curva é porque deve existir uma força agindo sobre ela.
É, exatamente, a essa nova manifestação de uma força fictícia que chamamos Força de Coriolis.

Bolinha lançada no carrossel girando, na visão dos que estão no carrossel girando junto.


A FORÇA DE CORIOLIS

Tal força foi batizada em homenagem ao engenheiro e matemático francês, Gaspard-Gustave Coriolis ou Gaspard-Gustave de Coriolis ou ainda Gustave Coriolis (nascido em Nancy em 21/maio/1792 e falecido em Paris em 19/setembro/1843) que em 1835 descreveu as leis da mecânica para um sistema referencial em rotação.
Ele foi o primeiro a escrever uma fórmula física para a força de Coriolis ( F=2mvw ; onde F é a força, m é a massa do objeto, v é a velocidade do objeto e w é a velocidade angular de rotação do sistema).

Podemos, depois de tudo isso, tirar mais algumas conclusões:
A força de Coriolis só age sobre corpos que estão em movimento.
Quem está parado não sofre a ação da força de Coriolis. Se v = 0, isto é, se o objeto está em repouso, a força de Coriolis será nula.

A força de Coriolis só age sobre corpos que estão em sistemas girantes.Nós, por exemplo, estamos em um sistema girante, a Terra, que gira em torno de seu próprio eixo Norte-Sul dando uma volta completa cada 24 horas. Logo, sempre que nos movimentamos somos candidatos a sofrer a ação da força de Coriolis. No caso da Terra, a velocidade de rotação w é de uma volta por dia. Se a Terra não estivesse girando, w seria zero e não haveria força de Coriolis agindo sobre os corpos que se movem em sua superfície.

A força de Coriolis não existe realmente.
Bem, ela não existe mas “parece” existir. Essa força é do tipo que os físicos chamam de "força fictícia", uma "não-força" que parece ser real para quem está sobre sistemas girantes.

Uma das consequências mais interessantes da "força de Coriolis", na atmosfera terrestre, é o movimento giratório dos furacões. Acompanhem no próximo artigo “Os efeitos e as consequências da Força de Coriolis no Planeta Terra”.

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