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| Inércia nos estados de repouso e movimento: a bola tende a permanecer em repouso (à esquerda) ou em movimento (à direita), a menos que esse estado seja modificado pela intervenção de uma força externa. |
A inércia é a tendência natural dos objetos em movimento permanecerem em movimento e dos objetos em repouso permanecerem em repouso, a menos que uma força provoque uma mudança em sua velocidade. É um dos princípios fundamentais da física clássica e foi descrita por Isaac Newton em sua primeira lei do movimento (também conhecida como Princípio da Inércia). É uma das principais manifestações da massa, uma das propriedades quantitativas essenciais dos sistemas físicos. Newton escreve:
“LEI I. Todo objeto permanece em seu estado de repouso ou de movimento uniforme em linha reta, exceto na medida em que for compelido a mudar esse estado por forças que sobre ele sejam impressas.”
— Isaac Newton, Principia, Os Princípios Matemáticos da Filosofia Natural, Tradução de Cohen e Whitman, 1999
Em sua obra Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica de 1687, Newton definiu a inércia como uma propriedade:
“DEFINIÇÃO III. A vis insita, ou força inata da matéria, é um poder de resistência pelo qual todo corpo, na medida do possível, se esforça para perseverar em seu estado atual, seja de repouso ou de movimento uniforme para a frente em linha reta.”
INÉRCIA ROTACIONAL
Uma grandeza relacionada à inércia é a inércia rotacional (→ momento de inércia), a propriedade de um corpo rígido em rotação manter seu estado de movimento rotacional uniforme. Seu momento angular permanece inalterado, a menos que um torque externo seja aplicado; isso é chamado de conservação do momento angular. A inércia rotacional é frequentemente considerada em relação a um corpo rígido. Por exemplo, um giroscópio utiliza a propriedade de resistir a qualquer mudança no eixo de rotação.
ETIMOLOGIA
O termo inércia vem da palavra latina INERS, que significa ocioso ou lento.
HISTÓRIA E DESENVOLVIMENTO
Compreensão inicial do movimento inercial: O professor John H. Lienhard destaca o Mozi – baseado em um texto chinês do período dos Reinos Combatentes (475–221 a.C.) – como tendo fornecido a primeira descrição da inércia. Antes do Renascimento europeu, a teoria predominante do movimento na filosofia ocidental era a de Aristóteles (384–322 a.C.). Na superfície da Terra, a propriedade de inércia dos objetos físicos é frequentemente mascarada pela gravidade e pelos efeitos do atrito e da resistência do ar, que tendem a diminuir a velocidade dos objetos em movimento (geralmente até o ponto de repouso). Isso levou o filósofo Aristóteles a acreditar erroneamente que os objetos se moveriam apenas enquanto uma força fosse aplicada a eles. Aristóteles afirmou que todos os objetos em movimento (na Terra) eventualmente param, a menos que uma força externa continue a movê-los. Aristóteles explicou o movimento contínuo dos projéteis, após serem separados de seu lançador, como uma ação (em si mesma inexplicada) do meio circundante que continua a mover o projétil.
Apesar de sua aceitação geral, o conceito de movimento de Aristóteles foi contestado em diversas ocasiões por filósofos notáveis ao longo de quase dois milênios. Por exemplo, Lucrécio (seguindo, presumivelmente, Epicuro) afirmou que o "estado padrão" da matéria era o movimento, não a estase (estagnação). No século VI, João Filopono criticou a inconsistência entre a discussão de Aristóteles sobre projéteis, onde o meio mantém os projéteis em movimento, e sua discussão sobre o vazio, onde o meio impediria o movimento de um corpo. Filopono propôs que o movimento não era mantido pela ação de um meio circundante, mas por alguma propriedade conferida ao objeto quando este era posto em movimento. Embora este não fosse o conceito moderno de inércia, pois ainda havia a necessidade de uma força para manter um corpo em movimento, representou um passo fundamental nessa direção. Esta visão foi fortemente contestada por Averróis e por muitos filósofos escolásticos que apoiavam Aristóteles. No entanto, esta visão não ficou sem contestação no mundo islâmico, onde Filopono teve vários apoiadores que desenvolveram ainda mais as suas ideias.
No século XI, o polímata persa Ibn Sina (Avicena) afirmou que um projétil no vácuo não pararia a menos que uma ação fosse tomada sobre ele.
Teoria do Ímpeto: No século XIV, Jean Buridan rejeitou a noção de que uma propriedade geradora de movimento, que ele denominou ímpeto, se dissipava espontaneamente. A posição de Buridan era a de que um objeto em movimento seria parado pela resistência do ar e pelo peso do corpo, que se oporia ao seu ímpeto. Buridan também sustentava que o ímpeto aumentava com a velocidade; assim, sua ideia inicial de ímpeto era semelhante em muitos aspectos ao conceito moderno de momento. Apesar das óbvias semelhanças com ideias mais modernas de inércia, Buridan considerava sua teoria apenas uma modificação da filosofia básica de Aristóteles, mantendo muitas outras visões peripatéticas, incluindo a crença de que ainda havia uma diferença fundamental entre um objeto em movimento e um objeto em repouso. Buridan também acreditava que o ímpeto poderia ser não apenas linear, mas também circular, fazendo com que objetos (como corpos celestes) se movessem em círculo. A teoria de Buridan foi continuada por seu aluno Alberto da Saxônia (1316–1390) e pelos Calculadores de Oxford, que realizaram vários experimentos que minaram ainda mais o modelo aristotélico. O trabalho deles, por sua vez, foi elaborado por Nicole Oresme, que foi pioneira na prática de ilustrar as leis do movimento com gráficos.
Pouco antes da teoria da inércia de Galileu, Giambattista Benedetti modificou a teoria do ímpeto, que estava em desenvolvimento, para envolver apenas o movimento linear:
“[Qualquer] porção de matéria corpórea que se move por si mesma quando um ímpeto é impresso nela por qualquer força motriz externa tem uma tendência natural a se mover em um caminho retilíneo, não curvo.”
Benedetti cita o movimento de uma pedra em um estilingue como um exemplo do movimento linear inerente aos objetos, forçado a um movimento circular.
Inércia clássica: Segundo o historiador da ciência Charles Coulston Gillispie, a inércia "entrou na ciência como uma consequência física da geometrização do espaço-matéria de Descartes, combinada com a imutabilidade de Deus". O primeiro físico a romper completamente com o modelo aristotélico de movimento foi Isaac Beeckman em 1614.
O termo "inércia" foi introduzido pela primeira vez por Johannes Kepler em seu Epitome Astronomiae Copernicanae (publicado em três partes de 1617 a 1621). No entanto, o significado do termo de Kepler, que ele derivou da palavra latina para "ociosidade" ou "PREGUIÇA", não era exatamente o mesmo que sua interpretação moderna. Kepler definiu inércia apenas em termos de resistência ao movimento, mais uma vez baseado na suposição axiomática de que o repouso era um estado natural que não precisava de explicação. Foi somente com o trabalho posterior de Galileu e Newton que unificou repouso e movimento em um único princípio que o termo "inércia" pôde ser aplicado a esses conceitos como é hoje.
O princípio da inércia, tal como formulado por Aristóteles para "movimentos no vazio", inclui que um objeto mundano tende a resistir a uma mudança de movimento. A divisão aristotélica do movimento em mundano e celeste tornou-se cada vez mais problemática face às conclusões de Nicolau Copérnico no século XVI, que argumentou que a Terra nunca está em repouso, mas está na verdade em constante movimento em torno do Sol.
Galileu, no desenvolvimento posterior do modelo copernicano, reconheceu esses problemas com a natureza do movimento então aceita e, pelo menos em parte, como resultado, incluiu uma reformulação da descrição de Aristóteles sobre o movimento no vácuo como um princípio físico básico:
“Um corpo que se move sobre uma superfície plana continuará na mesma direção a uma velocidade constante, a menos que seja perturbado.”
Galileu escreve que "removidos todos os impedimentos externos, um corpo pesado sobre uma superfície esférica concêntrica com a Terra manter-se-á no estado em que se encontra; se colocado em movimento para oeste (por exemplo), manter-se-á nesse movimento." Esta noção, denominada "inércia circular" ou "inércia circular horizontal" pelos historiadores da ciência, é um precursor da noção de inércia retilínea de Newton, mas distinta desta. Para Galileu, um movimento é "horizontal" se não leva o corpo em movimento para perto ou para longe do centro da Terra, e para ele, "um navio, por exemplo, tendo recebido um impulso através do mar tranquilo, mover-se-ia continuamente ao redor do nosso globo sem nunca parar." Galileu mais tarde (em 1632) concluiu que, com base nesta premissa inicial da inércia, é impossível distinguir entre um objeto em movimento e um estacionário sem alguma referência externa para comparação. Esta observação acabou por ser a base para ALBERT EINSTEIN desenvolver a teoria da relatividade especial.
Os conceitos de inércia nos escritos de Galileu seriam posteriormente refinados, modificados e codificados por Isaac Newton como a primeira de suas leis do movimento (publicada pela primeira vez na obra de Newton, Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica, em 1687):
“Todo corpo permanece em seu estado de repouso ou de movimento uniforme em linha reta, a menos que seja compelido a mudar esse estado por forças impressas sobre ele.”
Apesar de ter definido o conceito em suas leis do movimento, Newton não usou o termo "inércia". Na verdade, ele originalmente considerava os respectivos fenômenos como sendo causados por "forças inatas" inerentes à matéria que resistem a qualquer aceleração. Partindo dessa perspectiva, e inspirando-se em Kepler, Newton concebeu a "inércia" como "a força inata possuída por um objeto que resiste a mudanças em seu movimento", definindo, assim, "inércia" como a causa do fenômeno, e não o fenômeno em si.
Contudo, as ideias originais de Newton sobre a "força resistiva inata" revelaram-se problemáticas por diversos motivos, e, portanto, a maioria dos físicos já não pensa nesses termos. Como nenhum mecanismo alternativo foi prontamente aceito, e atualmente é geralmente aceito que talvez não exista nenhum que possamos conhecer, o termo "inércia" passou a significar simplesmente o próprio fenômeno, e não qualquer mecanismo inerente. Assim, em última análise, "inércia" na física clássica moderna tornou-se o nome do mesmo fenômeno descrito pela primeira lei do movimento de Newton, e os dois conceitos são agora considerados equivalentes.
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| Experimento simples que demonstra a diferença entre massa inercial e massa gravitacional. Se puxado lentamente, o fio superior se rompe (a). Se puxado rapidamente, o fio inferior se rompe (b). |
Na relatividade geral, o conceito de movimento inercial adquiriu um significado mais amplo. Levando em consideração a relatividade geral, o movimento inercial é qualquer movimento de um corpo que não é afetado por forças de origem elétrica, magnética ou outra, mas que está apenas sob a influência de massas gravitacionais. Fisicamente falando, isso é exatamente o que um acelerômetro de três eixos funcionando corretamente indica quando não detecta nenhuma aceleração adequada.
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Andrew Motte's English translation:Newton, Isaac (1846), Newton's Principia: the mathematical principles of natural philosophy, New York: Daniel Adee, p. 83 This usual statement of Newton's law from the Motte-Cajori translation, is however misleading giving the impression that 'state' refers only to rest and not motion whereas it refers to both. So the comma should come after 'state' not 'rest' (Koyre: Newtonian Studies London 1965 Chap III, App A)
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