Forças dissipativas
Forças dissipativas são aquelas capazes de transformar, de maneira irreversível, energia mecânica em formas menos úteis de energia, como a energia térmica. Forças de atrito e de arrasto são exemplos comuns de forças dissipativas, as quais estão presentes em praticamente todos os sistemas físicos, como máquinas e meios de transporte. O estudo das forças dissipativas faz parte das leis de Newton, além de ser de grande importância para algumas áreas específicas da dinâmica, como a aerodinâmica, fluidodinâmica etc.
Veja também: O que é força?
O que são forças dissipativas?
Forças dissipativas são aquelas que ocasionam “perdas” de energia mecânica em sistemas não conservativos, isto é, aqueles em que a energia mecânica total diminui em função do tempo. Forças de atrito e forças de arraste são bons exemplos.
Quando essas forças atuam sobre um corpo em movimento, parte de sua energia cinética e potencial é convertida em energia térmica, por exemplo. Além disso, a energia que é dissipada por esse tipo de força não pode ser convertida espontaneamente em energia mecânica, ou seja, essa energia não pode ser usada depois de ter sido dissipada. Em outras palavras, forças dissipativas não são capazes de gerar energia potencial, como fazem as forças conservativas.
Forças conservativas e forças dissipativas
Forças conservativas e forças dissipativas diferem no fato de que essas primeiras, quando realizam trabalho sobre um corpo, são capazes de dotá-lo de energia potencial, que é uma forma de energia que pode ser novamente convertida em energia cinética.
Além disso, independentemente de sua natureza, toda energia potencial está relacionada com as diferentes posições ocupadas por um corpo. Dessa forma, ela não depende do caminho pelo qual um corpo ou partícula se moveu sob a ação de uma força conservativa, mas apenas de suas posições final e inicial.
Um exemplo da ação de uma força conservativa é quando se abandona, em uma região de vácuo, uma bolinha a uma certa altura, para que caia em queda livre rumo ao chão, e, em seguida, repete-se o experimento, mas deixando que a bolinha escorregue por um plano inclinado e perfeitamente liso. Nesses dois casos, as energias cinéticas e potencial gravitacional possuem módulos iguais, para quaisquer instantes iguais de tempo e quaisquer alturas iguais, independentemente da trajetória percorrida pela bolinha. Por isso, pode-se afirmar que a força gravitacional, ou força peso, apresenta natureza conservativa.
Por outro lado, analisando-se as forças dissipativas que poderiam atuar sobre o sistema descrito, a situação seria completamente diferente. Caindo livremente em linha reta, a bolinha poderia sofrer a ação das forças de arrasto provocadas por sua movimentação no ar, as quais dependem de fatores como forma, massa, velocidade inicial etc. Rolando sobre o plano inclinado, a bolinha também sofreria majoritariamente a ação de uma força de atrito dinâmico, que depende, dentre outros fatores, da compressão que a bolinha faz sobre o plano, bem como do ângulo formado entre o plano e a direção horizontal, por exemplo.
Veja também: Forças internas e externas
Exemplo sobre forças dissipativas
Vamos resolver um exemplo de situação que ilustra o funcionamento de um sistema não conservativo. Nesse sistema há ação de uma força de atrito.
Exemplo: Um condutor está dirigindo um carro com velocidade de 20 m/s quando avista o sinal vermelho. No instante que pisa no freio, o condutor encontra-se a uma distância de 30 m do semáforo. Sabendo que o freio imprime uma força de atrito de 8000 N aos pneus do carro, determine qual é o espaço necessário para que o carro pare completamente. Além disso, responda: o carro conseguirá parar completamente antes de ultrapassar o semáforo fechado?
Resolução:
Primeiramente, vamos calcular qual é a variação de energia cinética do veículo. Uma vez que essa variação equivale ao trabalho total realizado pela força de atrito, de acordo com o teorema do trabalho e energia cinética, faremos o seguinte cálculo:
Com base no resultado obtido acima e com a fórmula utilizada para calcular o trabalho, basta fazermos o seguinte:
Como o carro percorre 25 m até parar completamente, e o semáforo encontrava-se a 30 m após o início da frenagem, o veículo não ultrapassará o sinal vermelho.