Física II · Dinâmica de rotação

Mesma massa,
rotações diferentes.

Três bastões idênticos. Seis quilos em cada um. A balança não distingue nenhum deles — mas o eixo de rotação distingue, e muito. Onde a massa está importa mais do que quanta massa existe.

Bancada — mesmo torque aplicado aos três

A 1,5 kg·m²

voltas 0,00

B 0,9375 kg·m²

voltas 0,00

C 0,7778 kg·m²

voltas 0,00

Vista de cima, o eixo apontando para você. O mesmo torque parte do repouso nos três — τ = 1 N·m. C ganha porque tem menos inércia rotacional, não menos massa: os três pesam exatamente 6 kg. O tamanho de cada bolinha é proporcional à massa.

Enunciado

Suponhamos um conjunto de três bastões rígidos de 1 m de comprimento e massa desprezível, mas muito resistentes. Os chamaremos de bastões A, B e C. Eles são presos pelo centro em um eixo que gira com velocidade angular constante.

Neles, em primeiro lugar são inseridos 3 kg de massa em cada extremidade do bastão A. Em segundo lugar, inserimos 1,5 kg em cada ponta, e mais 1,5 kg entre a extremidade e o eixo de giro no bastão B. Por fim, inserimos 1 kg nas extremidades e 1 kg a cada terço da distância até o eixo de rotação do bastão C.

Percebam que, após fazer isso, colocando cada um dos três bastões em uma balança, temos a mesma leitura de massa total: 6 kg. Vamos calcular o momento de inércia em cada caso?

Comprimento
L = 1 m
Braço máximo
r = L/2 = 0,5 m
Massa total (cada)
M = 6 kg
Massa do bastão
desprezível

Traduzindo o enunciado em posições

O bastão é preso pelo centro, então o eixo passa pelo meio e cada braço mede 0,5 m. Tudo que precisamos é a distância de cada massa até o eixo — as duas metades são simétricas, então basta calcular um lado e dobrar.

Em C, "a cada terço da distância até o eixo" significa dividir o braço de 0,5 m em três partes iguais de 1/6 m. Isso dá massas em 1/6 m, 2/6 m e 3/6 m de cada lado — seis massas de 1 kg, igualmente espaçadas, exatamente como na figura.

Posições das massas em relação ao eixo
BastãoMassas por ladoDistância rTotal
A1 × 3 kg0,500 m6 kg
B1 × 1,5 kg
1 × 1,5 kg
0,500 m
0,250 m
6 kg
C1 × 1 kg
1 × 1 kg
1 × 1 kg
0,500 m
0,333 m
0,167 m
6 kg

A matéria por trás

O que é momento de inércia,
antes de ser uma fórmula

Inércia, na translação, é a teimosia de um corpo em manter seu estado de movimento. É por isso que empurrar um caminhão é mais difícil que empurrar um carrinho: quanto maior a massa, maior a resistência à mudança de velocidade. A massa é a medida da inércia translacional.

Momento de inércia (símbolo I) é a mesma ideia, mas para giro: é a teimosia de um corpo em mudar seu estado de rotação. E aqui aparece a diferença que o problema quer te ensinar — na rotação, não basta saber quanta massa existe. Importa onde ela está em relação ao eixo.

Pense em uma porta. Empurre perto da maçaneta e ela gira fácil. Empurre perto da dobradiça e você precisa de muito mais força. A porta é a mesma, a massa é a mesma — o que mudou foi a distância ao eixo. O momento de inércia captura isso numericamente.

A analogia completa

Cada grandeza da translação tem uma prima na rotação. Reconhecer o par é metade da matéria:

Translação

  • massa  m  [kg]
  • velocidade  v  [m/s]
  • força  F  [N]
  • F = m · a
  • K = ½ m v²

Rotação

  • momento de inércia  I  [kg·m²]
  • vel. angular  ω  [rad/s]
  • torque  τ  [N·m]
  • τ = I · α
  • K = ½ I ω²

Ou seja: I ocupa exatamente o lugar que m ocupava. Onde na translação você escrevia massa, na rotação você escreve momento de inércia. É a mesma física, reescrita para quem gira.

Por que a distância entra ao quadrado

Essa é a parte que costuma ser decorada sem ser entendida. A fórmula não é I = m · d² por convenção — o quadrado aparece sozinho quando você faz a conta. Vamos ver de onde ele sai.

Pegue uma única partícula de massa m presa a uma distância r do eixo, girando com velocidade angular ω. Ela descreve uma circunferência, e sua velocidade linear é:

v = ω · r    ← primeiro r: quem está longe percorre mais espaço no mesmo tempo

Agora escreva a energia cinética dela, que é a fórmula de sempre:

K = ½ · m · v²
K = ½ · m · (ω r)²    ← segundo r: veio de elevar v ao quadrado
K = ½ · (m r²) · ω²

Compare a última linha com K = ½ m v². A estrutura é idêntica, com ω no lugar de v — e, no lugar de m, apareceu o bloco m r². Esse bloco é o momento de inércia da partícula.

Repare que o quadrado tem duas origens independentes: um r vem de v = ωr, e outro r vem de elevar essa velocidade ao quadrado na energia. Não é um expoente arbitrário — são dois fatores de distância que se multiplicam.

Dá para chegar no mesmo lugar pelo torque, se você preferir a rota da dinâmica: τ = r F = r (m a) = r (m α r) = m r² α. De novo, um r do braço de alavanca e outro da relação a = α r. O mesmo m r².

A fórmula, agora com significado

Para um conjunto de partículas, os momentos de inércia simplesmente somam:

I = Σ mᵢ · rᵢ²
momento de inércia = soma de (massa × distância ao eixo²) de cada partícula

Leia em voz alta assim: para cada pedaço de massa, multiplique a massa pelo quadrado da sua distância até o eixo; depois some tudo. A unidade sai naturalmente do produto: kg · m². Não tem nome próprio, e isso é útil — a unidade já conta o que a grandeza é.

Três consequências que valem mais que a fórmula:

• Massa sobre o eixo (r = 0) não contribui nada. Zero vezes qualquer coisa é zero.
• Dobrar a distância quadruplica a contribuição. Triplicar multiplica por nove.
• I não é propriedade só do corpo — é do corpo em relação a um eixo. Muda o eixo, muda o I.

Enxergando o r² como área

Já que r² é literalmente a área de um quadrado de lado r, dá para desenhar a contribuição de cada massa. Abaixo, as três posições de um lado do bastão C — massas iguais, 1 kg cada:

eixo 1/6 m 1/3 m 1/2 m r = 1/2 m → r² = 9 unidades 64% da inércia deste lado r = 1/3 m → r² = 4 unidades 29% da inércia deste lado r = 1/6 m → r² = 1 unidade 7% da inércia deste lado

As distâncias estão na razão 1 : 2 : 3. As áreas, na razão 1 : 4 : 9. Com massas iguais, a bolinha da ponta sozinha responde por quase dois terços da inércia daquele lado — e a mais interna é quase irrelevante.

Cálculo

Resolvendo os três casos

Como o bastão tem massa desprezível, ele não entra na conta — só as massas presas nele. E como a distribuição é simétrica, calculo um lado e multiplico por 2.

Bastão A

2 massas · 3 kg cada
  1. Toda a massa está nas pontas, a r = 0,5 m do eixo. Duas massas de 3 kg.
  2. Aplico I = Σ m r², somando os dois termos idênticos:
    IA = 3 · (0,5)² + 3 · (0,5)²
    IA = 2 · 3 · 0,25
  3. Resultado:

    IA = 1,5 kg·m²

Este é o maior valor possível para 6 kg neste bastão. Não existe arranjo com mais inércia, porque 0,5 m já é a maior distância disponível — não dá para colocar massa mais longe do eixo do que a ponta.

Bastão B

4 massas · 1,5 kg cada
  1. Duas massas nas pontas, a r = 0,5 m. Duas massas no meio do caminho entre a ponta e o eixo, ou seja, a r = 0,25 m.
  2. Separo em dois grupos e somo:
    IB = 2 · 1,5 · (0,5)²  +  2 · 1,5 · (0,25)²
    IB = 2 · 1,5 · 0,25  +  2 · 1,5 · 0,0625
    IB = 0,75 + 0,1875
  3. Resultado:

    IB = 0,9375 kg·m²

Repare no desequilíbrio: as massas internas têm o mesmo peso das externas, mas contribuem com apenas 0,1875 contra 0,75. Metade da distância, um quarto da contribuição.

Bastão C

6 massas · 1 kg cada
  1. Cada braço de 0,5 m é dividido em terços de 1/6 m. Massas a 1/6, 2/6 = 1/3 e 3/6 = 1/2 metro, dos dois lados.
  2. Somo os três r² de um lado e dobro:
    IC = 2 · 1 · [ (1/2)² + (1/3)² + (1/6)² ]
    IC = 2 · [ 9/36 + 4/36 + 1/36 ]
    IC = 2 · 14/36 = 7/9
  3. Resultado:

    IC ≈ 0,778 kg·m²

Em decimais: 2 · (0,25 + 0,1111 + 0,0278) = 2 · 0,3889 = 0,7778 kg·m². Usar frações com denominador 36 evita arredondar 1/3 no meio da conta.

Leitura dos resultados

Seis quilos, três inércias

A balança lê 6 kg nos três. O eixo de rotação lê coisas bem diferentes:

A
1,5000 kg·m² — 100%
B
0,9375 kg·m² — 62,5%
C
0,7778 kg·m² — 51,9%
Resumo
BastãoDistribuiçãoI (kg·m²)Relativo a A
A2 × 3 kg nas pontas1,5000100,0%
B4 × 1,5 kg (0,50 e 0,25 m)0,937562,5%
C6 × 1 kg (0,50 / 0,33 / 0,17 m)0,777851,9%

O que isso significa na prática

O bastão A precisa de quase o dobro do torque que C para ganhar velocidade angular na mesma taxa. Girando na mesma velocidade ω, A armazena quase o dobro de energia cinética. E, para frear, A exige quase o dobro de esforço.

É exatamente o que o patinador no gelo explora: braços abertos, massa longe do eixo, I grande e giro lento. Braços recolhidos, massa perto do eixo, I despenca — e como o momento angular L = I ω se conserva, ω dispara. Ele não perdeu massa, só a reposicionou.

Vale registrar um limite útil: se toda a massa estivesse sobre o eixo, teríamos I = 0. Se toda ela estivesse nas pontas, I = 1,5. Qualquer arranjo de 6 kg neste bastão cai entre 0 e 1,5 — e os três resultados respeitam isso.

Conferindo o resultado

Dimensional: [m][r²] = kg · m². Bate com a unidade de momento de inércia. Se sua conta terminar em kg·m ou kg/m², algum r perdeu ou ganhou expoente.

Ordem de grandeza: os três estão entre 0 e 1,5 kg·m², como exige o limite acima. Nenhum passou do máximo teórico.

Ordenação esperada: quanto mais a massa é puxada para dentro, menor o I. A ordem A > B > C acompanha exatamente o quanto cada arranjo concentra massa perto do eixo. Se der invertido, a conta está errada.

Comparação com o caso contínuo: um bastão homogêneo de 6 kg e 1 m girando pelo centro tem I = ML²/12 = 0,5 kg·m². C, com seis massas espalhadas, dá 0,778 — maior, e faz sentido: as massas discretas de C ficam empurradas para fora em vez de preencherem uniformemente o comprimento.