Exercícios da Terceira lei de Newton com resolução comentada

A análise da primeira afirmação revela que ela é verdadeira. Ao aplicar uma força horizontal contra a parede, o estudante aciona a Terceira Lei de Newton, também conhecida como Princípio da Ação e Reação. Esse princípio estabelece que, para toda força de ação exercida por um corpo sobre outro, surge uma força de reação de igual magnitude e mesma direção, porém com sentido oposto, aplicada pelo segundo corpo sobre o primeiro. Portanto, a parede exerce sobre as mãos do estudante uma força com o mesmo módulo e trajetória linear, mas apontando na direção contrária à força empurrada.

Quanto à segunda afirmação, ela é classificada como falsa devido a uma confusão conceitual entre equilíbrio de forças e pares de ação e reação. Embora o estudante permaneça em repouso horizontal, isso ocorre porque a resultante das forças que atuam sobre ele é nula. No entanto, para que as forças sejam consideradas um par de ação e reação, elas devem obrigatoriamente atuar em corpos distintos. No caso do equilíbrio estático descrito, as forças mencionadas (a força das mãos na parede e a força da parede nas mãos) são justamente o par de ação e reação entre o estudante e a estrutura, mas o enunciado sugere uma interpretação que desconsidera a natureza dessas interações para justificar o repouso apenas como um equilíbrio interno, quando na verdade o equilíbrio é o resultado da soma vetorial das forças aplicadas ao corpo do estudante.

A terceira afirmação também é falsa. Para identificar um par de ação e reação, é fundamental observar que as forças devem ser exercidas por corpos diferentes. A força peso é a interação gravitacional entre a Terra e o estudante, enquanto a força normal é a interação de compressão entre o solo e os pés do atleta. Como essas duas forças atuam sobre o mesmo corpo (o estudante) e possuem origens distintas (gravidade e contato com a superfície), elas não constituem um par de ação e reação, mas sim forças que compõem o equilíbrio vertical do sistema.

Em conclusão, ao avaliar as proposições sob a ótica das Leis de Newton, percebe-se que apenas a primeira descreve corretamente a interação entre o estudante e a parede. As demais falham ao tentar aplicar o conceito de par ação e reação em situações onde as forças ou atuam no mesmo corpo ou possuem naturezas físicas divergentes, resultando na sequência correta V, F, F, que corresponde à alternativa B.

Análise das afirmativas

[I] Verdadeira. Ao empurrar a caixa, o astronauta exerce uma força sobre ela. De acordo com a Terceira Lei de Newton, também chamada de princípio da ação e reação, a caixa exerce simultaneamente uma força sobre o astronauta. Essas duas forças têm o mesmo módulo, atuam na mesma direção, possuem sentidos opostos e agem em corpos diferentes: uma força atua na caixa e a outra atua no astronauta.

[II] Verdadeira. A aceleração de um corpo tem a mesma direção e o mesmo sentido da força resultante que atua sobre ele. Como, na situação descrita, a força exercida pelo astronauta é a força resultante relevante sobre a caixa, a caixa acelerará na direção em que o astronauta a empurra.

[III] Falsa. O astronauta também sofre a força de reação exercida pela caixa. Portanto, ele também será acelerado, em sentido oposto ao da aceleração da caixa. Pela Segunda Lei de Newton:

\[F_{R} = m \cdot a\]

Nessa relação, \(F_{R}\) representa a força resultante, \(m\) representa a massa do corpo e \(a\) representa sua aceleração. Como as forças de ação e reação têm o mesmo módulo, a maior massa do astronauta faz com que sua aceleração tenha menor módulo que a aceleração da caixa. Entretanto, sua aceleração não é nula. Por isso, a afirmativa é falsa.

[IV] Verdadeira. Enquanto o astronauta empurra a caixa, ele exerce uma força que altera o movimento dela. Quando o empurrão termina, essa força deixa de atuar. Como o problema considera o espaço profundo, sem atrito e sem outras forças relevantes atuando sobre a caixa, a força resultante sobre ela passa a ser nula. Pela Primeira Lei de Newton, um corpo que está em movimento, quando submetido a uma força resultante nula, mantém sua velocidade constante, isto é, continua em movimento retilíneo uniforme.

[V] Falsa. A interrupção do empurrão não significa que uma força contrária passe a atuar sobre a caixa. Sem atrito ou resistência do meio, não há mecanismo que a faça parar imediatamente. A caixa continuará se movendo com a velocidade que adquiriu durante o empurrão, até que alguma força externa altere esse movimento.

Assim, as proposições verdadeiras são I, II e IV, enquanto as proposições III e V são falsas. Portanto, a alternativa correta é a) Somente as proposições I, II e IV são verdadeiras.

Para compreender a dinâmica do movimento do atleta no cenário descrito, é fundamental aplicar os conceitos da Terceira Lei de Newton, também conhecida como o Princípio da Ação e Reação. Esta lei estabelece que, sempre que um corpo exerce uma força sobre outro, este segundo corpo responde aplicando uma força de mesma intensidade e direção, porém em sentido oposto, sobre o primeiro corpo.

No contexto do treinamento, quando o atleta deseja se deslocar de forma acelerada, ele precisa interagir com a superfície onde pisa. Para gerar movimento para frente, os pés do indivíduo aplicam uma força mecânica direcionada para trás contra o solo. De acordo com o princípio da ação e reação, o chão não permanece passivo; ele reage instantaneamente aplicando uma força de igual magnitude sobre os pés do atleta, empurrando-o para a frente.

Essa força de interação entre as superfícies de contato (os pés e o solo) é precisamente o que define a força de atrito cinético ou estático necessário para sustentar o deslocamento. Portanto, a força de atrito mencionada no problema não surge de forma isolada, mas é o resultado direto da reação ao esforço que o atleta realiza contra o chão.

A alternativa E está correta, pois identifica corretamente que a força de atrito atua como a resposta do solo à força exercida pelos pés do atleta para trás, permitindo que ele vença a resistência da fita elástica e consiga acelerar seu movimento.

A análise das proposições exige o conhecimento profundo dos princípios fundamentais da dinâmica clássica. A primeira afirmação é verdadeira, pois descreve com precisão o Princípio da Inércia, que constitui a Primeira Lei de Newton. Esse conceito estabelece que um objeto tende a preservar sua condição cinemática atual — seja ela o repouso ou um movimento em linha reta com velocidade constante — desde que não ocorra a aplicação de uma força resultante externa capaz de alterar esse estado. Portanto, se a soma vetorial de todas as forças que atuam sobre um corpo for igual a zero, ele permanecerá inalterado em sua trajetória ou posição.

Por outro lado, a segunda afirmação é incorreta devido a uma confusão conceitual entre grandezas vetoriais. Embora a força resultante seja o agente causador da mudança de movimento, ela não determina diretamente a direção e o sentido da velocidade instantânea do objeto. De acordo com a Segunda Lei de Newton, a força resultante aplicada sobre uma massa produz uma aceleração que possui exatamente a mesma direção e o mesmo sentido dessa força. A velocidade, contudo, é uma grandeza que depende do histórico de movimento do corpo; ela pode apontar para uma direção diferente da força aplicada se o objeto já possuía um movimento prévio em outro sentido.

A terceira afirmação também é falsa por violar os critérios estabelecidos pela Terceira Lei de Newton, conhecida como o Princípio da Ação e Reação. Para que duas forças formem um par de ação e reação, elas devem obrigatoriamente atuar em corpos distintos, possuir a mesma intensidade, a mesma direção e sentidos opostos. No caso mencionado, a força peso é uma interação gravitacional entre o objeto e o planeta Terra, enquanto a força normal é uma interação de contato entre o objeto e a superfície de apoio. Como essas forças resultam de interações com agentes diferentes (a Terra e a superfície, respectivamente), elas não podem ser um par de ação e reação. A reação ao peso do objeto é uma força exercida pela Terra sobre o corpo, enquanto a reação à força normal aplicada pelo plano é uma força exercida pelo corpo sobre o próprio plano.

Conclui-se, portanto, que apenas a primeira proposição apresenta conceitos fisicamente corretos.

Para compreender a natureza da força solicitada, é fundamental aplicar os conceitos estabelecidos pela Terceira Lei de Newton, também conhecida como o Princípio da Ação e Reação. Segundo essa lei física, sempre que um corpo exerce uma força sobre outro, ocorre simultaneamente uma força de igual intensidade e mesma direção, porém com sentido oposto, aplicada pelo segundo corpo no primeiro.

No cenário descrito, a ação consiste na força vertical exercida pela mão da pessoa sobre o livro, direcionada para baixo. Consequentemente, a reação deve apresentar as mesmas características de magnitude e orientação espacial (vertical), mas obrigatoriamente inverter o sentido, apontando para cima. Além disso, essa força de reação não atua no livro, mas sim na mão da pessoa que realiza a pressão, completando assim o par de forças interativas.

A dinâmica de ascensão do foguete ilustrada no segundo quadrinho fundamenta-se na Terceira Lei de Newton, que estabelece a relação de ação e reação entre dois corpos. Nesse processo, o sistema de propulsão realiza a expulsão de gases em alta velocidade para baixo, configurando uma força de ação direcionada ao sentido descendente.

Simultaneamente, como consequência direta desse fenômeno físico, os gases exercem sobre a estrutura do veículo uma força de reação de igual intensidade e direção vertical, porém com sentido oposto, ou seja, para cima. É essa força resultante ascendente que permite ao foguete superar a atração gravitacional da Terra e atingir a órbita necessária para o funcionamento dos satélites de comunicação.

Ao examinarmos a primeira proposição, observamos um equívoco conceitual sobre a dinâmica do movimento de lançamento vertical. Quando um indivíduo é projetado para cima em um trampolim, ele está sujeito à aceleração da gravidade durante todo o percurso. No instante exato em que atinge o ápice de sua trajetória, sua velocidade instantânea torna-se zero, marcando a transição entre a subida e a descida, porém a aceleração gravitacional permanece constante e atuante. Portanto, a afirmação I é incorreta, pois a ausência de velocidade não implica na anulação da aceleração.

No que diz respeito à segunda proposição, devemos aplicar a Primeira Lei de Newton, também conhecida como Princípio da Inércia. Esta lei estabelece que um corpo em movimento retilíneo uniforme, ou seja, percorrendo uma trajetória em linha reta com velocidade constante em módulo, não possui aceleração resultante. Consequentemente, para que essa condição de equilíbrio dinâmico se mantenha, a soma vetorial de todas as forças que atuam sobre o veículo deve ser obrigatoriamente nula. Como a afirmação sugere que a força resultante teria um módulo diferente de zero, ela contraria os fundamentos da mecânica clássica, sendo, portanto, falsa.

Por fim, ao analisarmos a terceira proposição, é necessário distinguir o conceito de equilíbrio estático do conceito de par ação e reação. Embora as forças peso e normal atuem sobre o livro em repouso e possuam módulos iguais e sentidos opostos para manter o objeto parado, elas não constituem um par ação e reação. De acordo com a Terceira Lei de Newton, as forças de um par ação e reação devem obrigatoriamente atuar em corpos distintos, sendo uma a resposta da ação sobre o outro corpo. No caso descrito, ambas as forças (peso e normal) estão aplicadas no mesmo objeto, o livro, caracterizando apenas um equilíbrio de forças sobre um único corpo. Assim, a afirmação III também é falsa.

Conclui-se que todas as sentenças apresentadas contêm erros conceituais fundamentais, validando a opção E como a única resposta correta.

A compreensão do funcionamento de um foguete exige a aplicação direta da Terceira Lei de Newton, também conhecida como o Princípio da Ação e Reação. Este princípio estabelece que, sempre que um corpo exerce uma força sobre outro, ocorre uma interação em que o segundo corpo aplica uma força de mesma intensidade e direção, porém com sentido oposto, sobre o primeiro.

No contexto da propulsão espacial, o motor do foguete funciona através da expulsão de gases em altíssima velocidade para trás. Nesse processo, o sistema de propulsão exerce uma força de ação sobre a massa de gases que está sendo expelida, empurrando-os para baixo ou para trás. Em contrapartida, conforme determina a lei de Newton, os gases exercem simultaneamente uma força de reação sobre o próprio foguete, direcionada no sentido oposto à expulsão, o que resulta no impulso necessário para elevar o veículo verticalmente.

Portanto, a força que impulsiona o foguete para cima não é gerada pelo contato com o ar ou com o solo, mas sim pela interação mútua entre o veículo e os gases de exaustão. Assim, se a ação consiste no empuxo dos gases para fora do motor, a reação correspondente atua diretamente sobre esses mesmos gases, confirmando que a alternativa B é a correta.

A análise da proposta de alterar a órbita terrestre por meio de saltos humanos exige o entendimento dos princípios fundamentais da mecânica clássica, especificamente no que diz respeito às Leis de Newton e ao conceito de sistemas isolados. Para que ocorra uma mudança significativa no estado de movimento de um corpo celeste como a Terra, é indispensável a aplicação de uma força externa resultante que atue sobre o sistema.

No cenário descrito, as pessoas fazem parte do próprio sistema terrestre. Quando um indivíduo salta, ele exerce uma força contra a superfície do planeta para se impulsionar para cima. Simultaneamente, conforme estabelecido pela Terceira Lei de Newton, a Terra exerce uma força de reação de igual magnitude e direção, porém em sentido oposto, sobre o saltador. Como essas interações ocorrem entre componentes que integram o mesmo sistema (pessoas e planeta), elas são classificadas como forças internas.

Em um sistema físico, as forças internas não possuem a capacidade de alterar o centro de massa ou o movimento global do conjunto, pois o somatório vetorial dessas forças é nulo. As ações e reações se cancelam mutuamente dentro do sistema Terra-humanidade, impedindo qualquer deslocamento orbital ou mudança na trajetória da Terra ao redor do Sol.

Para que uma alteração na órbita fosse fisicamente possível, seria necessário o envolvimento de um agente externo ao sistema terrestre. Um exemplo prático seria a interação gravitacional com um corpo massivo vindo do espaço, como um asteroide ou outro objeto celeste que passasse próximo à Terra, exercendo uma força externa capaz de modificar sua velocidade orbital.

Portanto, a afirmação de que o salto coletivo poderia mover o planeta é cientificamente incorreta, uma vez que as forças envolvidas são internas e não produzem um efeito líquido sobre o movimento do sistema planetário.

No cenário do carro A, se a superfície da vela fosse perfeitamente plana, as forças envolvidas anulariam o movimento, uma vez que a pressão exercida pelo ar sobre a cartolina e a força de reação gerada seriam equivalentes em magnitude, mas opostas em direção, conforme estabelece o princípio de ação e reação. Entretanto, devido ao formato parabólico da vela, ocorre um desvio no fluxo do ar, fazendo com que parte do vento seja redirecionado, o que resulta em uma força resultante que permite o deslocamento do veículo para a direita, embora com uma velocidade menor do que a observada no segundo modelo.

Em relação ao carro B, o mecanismo de propulsão funciona de maneira direta: a ventoinha exerce uma força sobre o ar direcionando-o para a esquerda, o que provoca uma força de reação de mesma intensidade aplicada sobre o conjunto do carro no sentido oposto. Esse fenômeno impulsiona o veículo para a direita com maior eficiência, resultando em uma velocidade média superior àquela alcançada pelo carro A.