Cinemática: referencial, espaço, movimento e repouso

A Cinemática é um campo da física, ligado à Mecânica, que se dedica ao estudo do movimento dos corpos, mas sem se preocupar com as causas. Trata-se do ponto de partida para o estudo da física, por isso é a primeira matéria ensinada a alunos na escola.

Os objetos de análise da Cinemática são corpos chamados “móveis”, normalmente partículas e pontos materiais. Por não determinas as causas, a gravidade e a aceleração passam a ser constantes e as dimensões são totalmente ignoradas. O estudo geral pode ser dividido em quatro partes: movimento retilíneo uniforme, movimento circular uniforme, movimento retilíneo uniformemente variado e movimento de queda livre.

Um estudo de Cinemática tem por objetivo compreender o deslocamento de uma partícula, buscando descobrir o tempo e a velocidade média instantânea que ela levou no movimento, e a aceleração tomada pelo móvel. O tempo é essencial no estudo de qualquer movimento, sendo aceito sem nenhuma definição nessa matéria. Vamos agora entender alguns conceitos importantes para a Cinemática.

Referencial, espaço, movimento e repouso

Se um corpo se desloca para mudar de posição no decorrer de um determinado tempo, ele está em movimento. Mas para sabermos se houve a movimentação é preciso de um referencial. A partir de um corpo, que será usado como referência, descobrimos se o móvel se deslocou ou permaneceu em repouso em relação a ele.

Então quando afirmamos que um corpo fez uma movimentação, estamos dizendo que, em relação a um referencial (outro corpo), ele deslocou-se. A forma que descreverá seu movimento também depende do seu referencial.

Para exemplificar imaginemos um homem sentado em um banco de praça. Passa por ele um ciclista em velocidade. Concluímos que a pessoa na bicicleta está em movimento em relação à pessoa sentada. Observadores que veem os dois percebem o ciclista movimentando-se, tendo como referencial o homem no banco da praça.

Mas quando um corpo permanece numa posição e, em relação a um referencial, não muda no espaço com o passar do tempo, dizemos que ele está em repouso. Peguemos nosso exemplo anterior para pensar em como seria nesse caso. Se o ciclista, ao invés de passar na bicicleta, estivesse sentado do lado do homem, e ambos vissem carros passar na rua, poderíamos dizer que ele está em repouso em relação a seu referencial. Não há mudança de posição do ciclista no decorrer do tempo.

O quarto conceito importante na Cinemática é o espaço, pois sem ele não seria possível chegar a essas conclusões. A posição do móvel em determinado instante e em relação a seu referencial é chamada de espaço. Quando há um deslocamento devemos utilizar a variação de espaço, que é uma medida para calcular a trajetória do corpo desde seu ponto de partida (chamado de marco zero) até a posição que se encontra em outro momento. Esse valor pode ser dado por várias unidades de medida, como centímetro, metro, quilômetros, etc.

Ao utilizar o nosso exemplo podemos dizer que o espaço é o lugar onde está o ciclista. Quando ele passa pelo homem no banco da praça ele se locomoveu no espaço. Para descobrirmos sua trajetória deveríamos utilizar o cálculo de variação de espaço, cuja fórmula é Δs = s2 – s1. No segundo exemplo, o espaço do ciclista é a posição que ele ocupa no banco da praça.

Os graus de liberdade dos movimentos

É importante entender que o movimento é um conceito relativo, já que um corpo pode estar em repouso em relação a um primeiro referencial, mas em deslocamento em relação a um segundo. Para determinarmos a posição exata do móvel é necessário utilizar um sistema de variáveis chamado de graus de liberdade. Cada grau é um fator referencial para descobrir com precisão o deslocamento no espaço de um corpo.

Quando se trata de um corpo rígido, podemos descobrir um dos três movimentos que ele faz: translação, rotação ou translação e rotação (movimento sobreposto). Para fazer isso é preciso determinar por 3 variáveis principais: a posição de um ponto no corpo, a direção de um eixo fixo em relação ao corpo e um ângulo de rotação acerca do eixo. No cálculo são utilizadas 3 coordenadas de posição, somando 6 graus de liberdade para a determinação da posição de um corpo rígido.

A movimentação de um ponto no espaço geralmente possui três dimensões (normalmente representados por x, y e z), devido aos graus de liberdade que variam com o tempo. Na translação de um corpo rígido os 3 graus de liberdade podem ser reduzidos de acordo com cada caso. Por exemplo, um automóvel viajando pela rodovia é um corpo em movimento de apenas uma dimensão.

A distância em uma estrada é o único grau de liberdade. A prova disso é que se o motor do carro estragar, o motorista precisará ligar para um mecânico para dizer sua posição na rodovia. Ele simplesmente dirá o quilometro em que se encontra, sem precisar determinar nenhuma outra variável.