Estática e Hidrostática
A estática é a parte da divisão da Mecânica Clássica que estuda os corpos que não se movimentam. Trata-se do estudo da situação em que todas as forças que atuam sobre um corpo se equilibram.
A ausência de movimento dos corpos resulta na chamada aceleração nula. A aceleração nula é explicada pelas Leis de Newton que dizem que em uma situação em que todas as forças se equilibram a soma vetorial delas é nula.
A estática analisa tanto as condições de equilíbrio dos corpos cujo o tamanho influencia no estudo – chamados corpos extensos –, quanto dos corpos cujo as dimensões são desprezíveis – chamados ponto material.
Na estática todo objeto possui massa, independentemente de ser um ponto material ou corpo extenso, porém só os corpos extensos podem ter rotação.
Portanto, para que um ponto esteja em equilíbrio é preciso que a resultante de todas as forças aplicadas ao ponto seja nula. Existem três tipos de equilíbrio: equilíbrio estável, equilíbrio instável e equilíbrio indiferente.
Equilíbrio estável – ocorre quando a tendência das forças do sistema é retornar o corpo ao estado de equilíbrio, mesmo que haja perturbação.
Equilíbrio instável – ocorre quando uma perturbação no sistema acaba com o estado de equilíbrio, fazendo com que forças que estavam equilibradas sobreponham-se sobre outras.
Equilíbrio indiferente – ocorre quando o corpo assume o estado de inércia e não muda, independente do que ocorra.
Para conhecer o equilíbrio dos corpos é necessário que se estabeleça dois conceitos fundamentais como centro de massa, momento de força, equilíbrio do ponto material, equilíbrio dos corpos rígidos.
Fundamentos necessários para entender estática
Compreender os estudos de Estática, implica entender que duas forças atuando em uma partícula podem ser substituídas por uma única força chamada força resultante. Para isso, é necessário entender alguns conceitos básicos.
Centro de massa
A massa total de um corpo é a resultante das massas das partículas. O ponto no qual toda a massa do corpo é concentrada se chama centro de massa. No caso de corpos simétricos, os quais sua distribuição é uniforme, o centro de massa é o próprio centro geométrico.
Nos casos de corpos assimétricos, o centro de massa é identificado através do cálculo da média aritmética ponderada das distâncias de cada ponto do sistema. Para fazer esse cálculo é necessário saber quais são as coordenadas de cada eixo do plano cartesiano, bem como levar em consideração a massa de cada partícula.
A fórmula matemática para calcular o centro de massa é a seguinte:
Momento de uma força
O momento de força é uma grandeza vetorial proporcional à força e à distância da aplicação em relação ao ponto de rotação. Ou seja, o momento de força é a capacidade de uma força provocar o giro ou a tendência de giro de um corpo ao redor de um eixo.
Trata-se de uma grandeza com módulo, direção, sentido e unidade de medida, na qual a unidade de medida é o Newton-metro (N.m), e o sentido pode ser positivo – quando girado em sentido horário –, ou negativo – quando girado em sentido anti-horário.
O momento de força pode ser determinado através da seguinte fórmula:
Equilíbrio de um ponto material
Ponto material são todos os corpos cujo as dimensões não interferem no estudo. A estática considera ponto material um corpo pequeno o bastante para que as forças que agem sobre ele se cruzem em um mesmo ponto.
Dessa forma, a noção de ponto material é uma idealização da realidade que tem por objetivo simplificar a compreensão e resolução de problemas.
Para que ponto material esteja em equilíbrio, é necessário que as forças atuantes neles sejam nulas.
A condição de equilíbrio material se baseia na Primeira Lei de Newton, também chamada de Princípio da Inércia.
Dessa forma, quando a força resultante for igual a zero, o ponto material analisado pode estar em equilíbrio estático – quando o corpo está em repouso - ou em equilíbrio dinâmico – quando o corpo está em movimento retilíneo uniforme.
Os cálculos que envolvem os conceitos de estática têm por objetivo definir as forças que atuam sobre um ponto material em equilíbrio. Para resolver os problemas de forma simples, é preciso estabelecer a condição de que a força resultante sobre ele será nula.
Assim, só há equilíbrio do ponto material de FR = 0, na qual FR = Força Resultante.
Equilíbrio dos corpos rígidos
A massa é a propriedade da matéria utilizada para comparar os corpos. Em estática, corpo rígido é um conjunto de partículas se distanciam entre si. Essas partículas mantêm distancias tanto antes como depois da aplicação de forças.
Desse modo, o equilíbrio dos corpos rígidos ou corpos extensos, ocorre quando eles estão sujeitos à ação de várias forças e ainda assim não sofrem movimento de translação nem movimento de rotação relativamente a um referencial.
Ou seja, para que um corpo rígido esteja em equilíbrio, além de não se mover, ele não pode girar. Por isso precisa atender às seguintes condições básicas:
O resultante das forças aplicadas sobre o centro de massa do corpo precisa ser nulo de modo que faça com ele não se mova, ficando em equilíbrio estático; ou que se mova com velocidade constante, o deixará o corpo em equilíbrio dinâmico;O resultante dos momentos da força aplicados ao corpo também deve ser nulo, ou seja não deve girar ou deve girar com velocidade angular constante, mantendo-se em equilíbrio estático e dinâmico, respectivamente.
É importante ressaltar que quando não for possível considerar o cruzamento de todas as forças em um único ponto, ou seja, quando as dimensões do corpo em questão não podem ser desprezadas, o estudo passa a considerar movimentos de rotação