Teorema do IMPULSO e a CONSERVAÇÃO da Quantidade de Movimento | Aula de FÍSICA completa

Nesta aula completa, será explorado o Teorema do Impulso e a Conservação da Quantidade de Movimento, conceitos fundamentais da física para entender colisões. Aborda-se a definição de impulso e momento linear, destacando a importância dessas grandezas para a análise de sistemas. O objetivo é construir a base teórica necessária para compreender e resolver problemas envolvendo colisões entre corpos. É uma oportunidade de aprofundar o conhecimento em um tópico crucial da mecânica.

O impulso, representado pela letra 'I', e o momento linear, denotado por 'P' (ou 'Q' para quantidade de movimento), são grandezas vetoriais. Diferente de grandezas escalares como trabalho e energia, que possuem apenas magnitude, impulso e momento linear possuem magnitude, direção e sentido, indicados pela seta sobre a letra. Esta natureza vetorial é crucial para a compreensão de suas interações em sistemas físicos e para a aplicação das leis da mecânica.

Para construir a definição dessas grandezas, analisa-se um bloco de massa 'M' empurrado por uma força 'F' constante, gerando uma aceleração constante. A partir da função horária da velocidade do movimento uniformemente variado (V = v0 + at) e da Segunda Lei de Newton (F = ma), manipulando algebricamente a equação, multiplica-se por 'm' para introduzir a força. A equação resultante, F . Δt = m.V - m.v0, é o que se define como o Teorema do Impulso, que relaciona o impulso com a variação da quantidade de movimento.

Essa equação recebe um nome importante: Teorema do Impulso. Mas, por enquanto, entenda o seguinte: a gente vai definir e tentar ler essa equação de um jeito diferente.

O conteúdo físico do Teorema do Impulso não é revolucionário; ele é, de fato, a Segunda Lei de Newton (F = ma) escrita de uma forma mais elaborada e com terminologia específica para grandezas como momento linear e impulso. Ao rearranjar a fórmula, é possível demonstrar que F = ma, mostrando que essa nova linguagem permite uma nova ótica para problemas, sendo de grande aplicabilidade e uso na análise de sistemas dinâmicos. A nova nomenclatura facilita a compreensão de interações complexas.

O momento linear (P), ou quantidade de movimento (Q), de um corpo é definido como o produto de sua massa pelo seu vetor velocidade (P = m.v). Sendo o vetor velocidade uma grandeza vetorial, a quantidade de movimento também o é. No Sistema Internacional (SI), a unidade de medida para massa é quilograma (kg) e para velocidade é metro por segundo (m/s), resultando na unidade de quilograma-metro por segundo (kg.m/s) para o momento linear.

O impulso (I) é definido como o produto de uma força (F) pelo intervalo de tempo (Δt) durante o qual essa força atua (I = F.Δt). Assim como o momento linear, o impulso é uma grandeza vetorial, apontando na mesma direção e sentido da força que o gerou. Sua unidade no SI é Newton-segundo (N.s). É importante notar que N.s é equivalente a kg.m/s, o que reforça a coerência física da relação entre impulso e quantidade de movimento.

O Princípio da Conservação da Quantidade de Movimento é uma lei fundamental da física que estabelece que, em um sistema isolado de forças externas, a quantidade de movimento total do sistema permanece constante. Isso significa que, independentemente das interações internas entre os corpos (como colisões), a soma vetorial das quantidades de movimento de todos os corpos do sistema antes e depois de um evento será a mesma. Este princípio é uma consequência direta da Terceira Lei de Newton, que afirma que as forças de ação e reação são iguais e opostas.

Durante uma colisão entre dois corpos, como um corpo 'A' colidindo com um corpo 'B', a Terceira Lei de Newton é crucial. As forças que eles trocam entre si são iguais em magnitude e opostas em direção. Como o tempo de contato (Δt) é o mesmo para ambos, eles trocam impulsos iguais e opostos (I = F.Δt). Uma vez que o impulso causa a variação da quantidade de movimento, o que um corpo ganha em quantidade de movimento, o outro perde, resultando na conservação da quantidade de movimento total do sistema.

A conservação da quantidade de movimento ocorre apenas em um sistema isolado de forças externas. Forças internas, aquelas trocadas entre os próprios corpos do sistema (como na colisão de A com B), resultam em impulsos que se cancelam mutuamente, mantendo a QDM total constante. Contudo, se uma força externa atuar no sistema (por exemplo, uma pessoa empurrando um dos blocos), ela gerará um impulso que não será compensado internamente, alterando a quantidade de movimento total do sistema.

Em um sistema isolado de forças externas, a quantidade de movimento total do sistema se conserva. É uma lei de conservação excelente para a física!

As colisões são eventos em que corpos interagem por um curto período de tempo, trocando forças e, consequentemente, quantidade de movimento. Existem três tipos principais: colisão perfeitamente elástica, colisão parcialmente elástica e colisão totalmente inelástica. Em todos os tipos de colisões, a quantidade de movimento do sistema sempre se conserva, pois as forças envolvidas são internas. A principal distinção entre elas reside no comportamento da energia cinética durante o impacto, que pode ou não ser conservada.

A colisão perfeitamente elástica é um cenário idealizado onde a energia cinética do sistema também se conserva, além da quantidade de movimento. Ao aplicar as equações de conservação para dois blocos de massas iguais, um se aproximando a 3 m/s e o outro parado, observa-se um resultado notável. O problema, que inicialmente exige duas equações para duas incógnitas (as velocidades finais), demonstra que o bloco que estava em movimento para, e o bloco que estava parado ganha a velocidade inicial do outro, ilustrando uma troca de velocidades, tal qual ocorre no Pêndulo de Newton.

Na colisão totalmente inelástica, os corpos se movem juntos como um único sistema após o choque. Isso significa que a velocidade de afastamento relativa entre eles após a colisão é zero, comportando-se como um único corpo com a massa combinada. Enquanto a quantidade de movimento total do sistema ainda se conserva, há uma perda máxima de energia cinética durante o processo, geralmente transformada em outras formas de energia, como calor ou deformação. Este é o tipo de colisão com a maior dissipação de energia cinética.

Na colisão inelástica, a energia não conserva, em maiúsculo, filho! É a colisão que tem mais perda de energia, inclusive perdeu os metais de energia assim, para metade.