Em física, movimento é a mudança de posição de um objeto ou fluido em relação a um referencial ao longo de um intervalo de tempo. O movimento pode ser expresso matematicamente por grandezas vetoriais, como o deslocamento, que tem módulo, direção e sentido, a velocidade, cujo módulo é a velocidade escalar, e a aceleração. O movimento relativo de um objeto em relação a um observador é o movimento expresso no referencial que acompanha esse observador, por meio de grandezas como a posição relativa e a velocidade relativa. O ramo da física que estuda o movimento dos objetos sem considerar suas causas é a cinemática. A dinâmica estuda as forças e seus efeitos sobre o movimento. A estática estuda o equilíbrio dos corpos. Para um corpo rígido permanecer em repouso em um referencial inercial, a força resultante e o torque resultante precisam ser nulos.
Quando um objeto não se move em relação a um dado referencial, diz-se que está em repouso, parado, imóvel ou estacionário. Sua posição permanece constante nesse referencial. Na física moderna, não existe um referencial absoluto que permita determinar o movimento absoluto proposto por Isaac Newton em sua concepção de espaço absoluto. Tudo no universo pode estar em movimento em relação a algum referencial.
O conceito de movimento se aplica a objetos, corpos, partículas de matéria, campos de matéria, radiação, campos e partículas de radiação, curvatura e espaço-tempo. Também se aplica a imagens, formas e limites. Em geral, movimento é uma mudança contínua na posição ou na configuração de um sistema físico no espaço. Pode-se falar, por exemplo, no movimento de uma onda ou de uma partícula quântica. Nesse caso, a configuração pode ser expressa pelas probabilidades de a onda ou a partícula ocupar determinadas posições.
Descrição do movimento O movimento de um ponto material pode ser acompanhado por suas coordenadas em um referencial. No espaço tridimensional, a posição em cada instante é dada por um vetor . A trajetória é o caminho percorrido por esse ponto. O deslocamento entre dois instantes é a diferença entre os vetores posição, . Seu módulo pode ser menor que a distância percorrida, pois esta mede o comprimento de todo o caminho.
A velocidade instantânea é a derivada da posição em relação ao tempo. Quando diferente de zero, aponta na direção tangente à trajetória e no sentido do movimento. A aceleração é a derivada da velocidade e pode alterar seu módulo ou sua direção. Por isso, um corpo que percorre uma circunferência com rapidez constante tem aceleração.
Composição de movimentos As componentes de um movimento em direções perpendiculares podem ser calculadas separadamente e reunidas para obter a trajetória. No lançamento de um projétil perto da superfície terrestre, se a resistência do ar for desprezada e a gravidade for considerada uniforme, a componente horizontal da velocidade permanece constante, enquanto a componente vertical varia com aceleração constante. Quando há velocidade horizontal, a combinação produz uma trajetória parabólica.
Corpos rígidos e fluidos O modelo de ponto material permite estudar o deslocamento de um corpo sem acompanhar sua forma ou orientação. Para um corpo rígido, as distâncias entre seus pontos permanecem constantes, mas é preciso considerar também a rotação. O movimento pode ser decomposto no deslocamento do centro de massa e no movimento em torno dele.
Uma roda que rola combina translação e rotação. Sua energia cinética é a soma da energia de translação do centro de massa com a energia de rotação em torno do eixo que passa por ele,
em que é a massa da roda, é a rapidez do centro de massa, é o momento de inércia em torno desse eixo e é a velocidade angular.
Em um fluido, a velocidade pode variar de um ponto para outro. No escoamento laminar, as camadas deslizam de maneira ordenada. No escoamento turbulento, surgem movimentos irregulares e redemoinhos que misturam o fluido.
Equações de movimento
miniaturadaimagem|Gráfico da velocidade v em função do tempo t para uma partícula com aceleração a variável. As equações de movimento são equações que expressam o comportamento de um sistema físico em função do tempo. Mais precisamente, elas expressam o movimento por um conjunto de funções matemáticas de variáveis dinâmicas. Essas variáveis costumam ser as coordenadas espaciais e o tempo, mas também podem incluir componentes do momento linear. A escolha mais geral é a de coordenadas generalizadas, que podem ser quaisquer variáveis convenientes para caracterizar o sistema físico. Na mecânica clássica, as funções são definidas em um espaço euclidiano. Na relatividade, podem ser usados espaços curvos. Quando a dinâmica do sistema é conhecida, as funções que expressam seu movimento são obtidas pela resolução das equações diferenciais que o governam.
Leis do movimento miniaturadaimagem|Um automóvel em alta velocidade durante um campeonato. Sua posição em relação ao solo muda com o tempo, ou seja, o carro está em movimento em relação ao solo. O movimento de corpos com massa é expresso por dois conjuntos relacionados de leis da mecânica. A mecânica clássica se aplica a objetos maiores que os átomos, como carros, projéteis, planetas, células e seres humanos. A mecânica quântica se aplica à escala atômica e subatômica, como aos átomos de hélio, aos prótons e aos elétrons. Os trabalhos de Newton e Euler estabeleceram a formulação clássica das leis do movimento. As leis de Newton podem ser enunciadas da seguinte forma:
Primeira lei Em um referencial inercial, um objeto permanece em repouso ou em movimento retilíneo com velocidade constante, a menos que uma força resultante atue sobre ele. Segunda lei Em um referencial inercial, a soma vetorial das forças que atuam sobre um objeto de massa constante m é igual ao produto dessa massa pela aceleração do objeto, . Se a força resultante for diferente de zero, o objeto terá uma aceleração com a mesma direção e o mesmo sentido dessa força. Terceira lei Quando um corpo exerce uma força sobre outro, o segundo exerce simultaneamente sobre o primeiro uma força de mesma intensidade e direção, mas de sentido oposto.
Mecânica clássica
A mecânica clássica permite calcular o movimento de objetos macroscópicos com velocidades muito menores que a velocidade da luz. Suas aplicações vão de projéteis e peças de máquinas a corpos celestes e naves espaciais, e abrangem planetas, estrelas e galáxias. Nesses domínios, seus resultados são muito precisos. É uma das teorias mais antigas e abrangentes da ciência, com aplicações na engenharia e na tecnologia.
A mecânica clássica se baseia nas leis de Newton, que relacionam as forças exercidas sobre um corpo ao seu movimento. Newton as reuniu em Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica, publicado pela primeira vez em 5 de julho de 1687.
Um corpo em repouso permanece em repouso, e um corpo em movimento mantém seu movimento retilíneo uniforme, a menos que uma força externa resultante atue sobre ele. Essa é a lei da inércia. A força é igual à taxa de variação do momento linear no tempo, . Quando a massa é constante, a força é igual ao produto da massa pela aceleração, . A toda ação corresponde uma reação de mesma intensidade e sentido oposto. Quando um corpo exerce uma força sobre outro, que pode estar inicialmente em repouso, o segundo exerce uma força sobre o primeiro. As duas forças têm a mesma intensidade e direção, mas sentidos opostos. O corpo que exerce a primeira força recebe, assim, uma força no sentido contrário.
As três leis de Newton forneceram o primeiro modelo matemático preciso para o movimento dos corpos em órbita no espaço sideral. Essa formulação reuniu sob as mesmas leis os movimentos dos corpos celestes e dos objetos na Terra.
Mecânica relativística Na relatividade, o percurso de uma partícula pontual no espaço-tempo forma uma linha de universo. Cada ponto dessa linha reúne a posição da partícula e o instante em que ela ocupa essa posição.
A cinemática moderna se desenvolveu com o estudo do eletromagnetismo e relaciona a velocidade à velocidade da luz . A velocidade pode então ser expressa pela rapidez, um ângulo hiperbólico que satisfaz a relação , na qual é a tangente hiperbólica. A aceleração, ou variação da velocidade com o tempo, altera a rapidez conforme as transformações de Lorentz. Essa parte da mecânica pertence à relatividade restrita. William Kingdon Clifford e Albert Einstein procuraram incorporar a gravidade à mecânica relativística. O uso da geometria diferencial para formular a gravidade em um espaço-tempo curvo deu origem à relatividade geral.
Mecânica quântica A mecânica quântica reúne os princípios que permitem estudar os sistemas físicos na escala das moléculas e dos átomos, bem como as partículas subatômicas, como elétrons, prótons, nêutrons e partículas elementares menores, como os quarks. Nessa escala, a matéria e a radiação apresentam propriedades de ondas e de partículas, comportamento chamado de dualidade onda-partícula.
Na mecânica clássica, a posição e a velocidade dos objetos podem ser determinadas por medições e cálculos, que permitem fazer previsões sobre seu estado. Na mecânica quântica, o princípio da incerteza de Heisenberg impede a determinação simultânea e exata da posição e do momento linear de uma partícula subatômica.
A mecânica quântica também permite compreender fenômenos em escalas maiores, como a superfluidez e a supercondutividade, além de processos em sistemas biológicos, entre eles o funcionamento dos receptores olfatórios e a estrutura das proteínas.
Ordens de grandeza Os seres humanos, como tudo o que se conhece no universo, participam continuamente de movimentos. Alguns são fáceis de perceber, como os movimentos das partes externas do corpo e a locomoção. Outros só podem ser detectados com instrumentos e observação cuidadosa. Em grandes escalas, pode ser difícil perceber um movimento porque o observador se desloca junto com o corpo em que está e não dispõe de um referencial externo evidente. Os fenômenos observados em um sistema que se move em linha reta com velocidade constante são os mesmos que ocorreriam se ele estivesse em repouso. Em escalas muito pequenas, os movimentos ficam abaixo dos limites de percepção dos sentidos humanos.
Universo O espaço-tempo está em expansão. Em grandes escalas, as distâncias entre as galáxias aumentam, de modo comparável ao alongamento de um elástico. Esse movimento envolve a expansão do próprio espaço. Isso não significa que todos os objetos se expandam, nem que todas as galáxias se afastem umas das outras, pois a gravidade pode mantê-las unidas. Edwin Hubble estabeleceu uma relação entre as distâncias das galáxias e suas velocidades de afastamento, a lei de Hubble, compatível com a expansão do universo.
Galáxia A Via Láctea se desloca pelo espaço, e sua velocidade depende do referencial escolhido. Além das galáxias vizinhas, a radiação cósmica de fundo em micro-ondas fornece um referencial para medir esse movimento. Nesse referencial, a velocidade do Grupo Local, do qual a Via Láctea faz parte, foi estimada em 627 ± 22 km/s com os dados do primeiro ano do satélite COBE.
Sol e Sistema Solar As estrelas da Via Láctea giram em torno de seu centro, onde há maior concentração de matéria. O Sol percorre sua órbita sob a ação da gravidade da galáxia. Fora do bojo central, as velocidades orbitais típicas das estrelas ficam entre 210 e 240 km/s. Os planetas e seus satélites acompanham o Sol nesse movimento, de modo que todo o Sistema Solar se desloca pela galáxia.
Terra A Terra realiza um movimento de rotação em torno de seu eixo, que produz a alternância entre o dia e a noite. No equador, a superfície terrestre se move para leste a 0,4651 km/s. A Terra também percorre uma órbita em torno do Sol, em seu movimento de translação. Uma volta completa leva um ano, cerca de 365 dias, e sua velocidade orbital média é de aproximadamente 30 km/s.
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