0 Referencial

Para começar a descrever o mundo físico, precisamos falar em posição, velocidade, aceleração, etc. Tais grandezas precisam ser dadas em relação a pontos de referência. Por exemplo, quando dizemos que estamos a determinada distância de algum lugar, essa distância está sendo medida a partir da sua própria posição, e você mesmo é o referencial. Quando falamos da velocidade de um trem em movimento estamos tomando como referência o chão, mas se estamos andando dentro do trem, o referencial para a sua velocidade de caminhada é o trem.

Ao definirmos o referencial para algum problema, todas as velocidades, posições e outras grandezas físicas serão medidas em relação a esse referencial. Para a posição, esse referencial será a origem do sistema de coordenadas. Para a velocidade, esse referencial será o ponto de referência em relação ao qual estamos nos movimentando, como no exemplo do trem. Há sempre uma infinidade de referenciais possíveis para qualquer problema, mas sempre há alguns que são mais fáceis de trabalhar, e são esses os que devemos usar. Se quisermos estudar a velocidade e aceleração de um trem, podemos pegar o referencial como sendo um carro na estrada que beira os trilhos. Nesse caso, nossa posição, velocidade, etc. Será dada sempre em relação ao carro. Se o carro manter uma velocidade de 50km/h em relação ao chão, e o trem uma velocidade de 90km/h, a velocidade do trem em nosso referencial será de 40km/h, pois é essa a velocidade com que o trem se movimenta em relação ao carro. Tal referencial é perfeitamente válido, mas de certa forma inútil, pois não nos dá nenhuma informação relevante. O trem é usado para locomoção no solo, portanto é muito mais fácil e intuitivo usar o próprio solo como referencial.  Essa colocação pode parecer óbvia, mas em certos problemas é de crucial importância usar o referencial mais apropriado.

Os referenciais podem ser separados em dois tipos, os inerciais e os não inerciais, que serão discutidos a seguir.

Referenciais inerciais

Referenciais inerciais são aqueles que não estão sob a ação de nenhuma força, para todos os efeitos práticos. Como exemplo tomaremos dois astronautas e uma bola no espaço. Se tomarmos o referencial como um dos astronautas livre pelo espaço, é lógico que ele seja um referencial inercial, pois não há forças agindo sobre ele. Agora supomos que o segundo astronauta está se movimentando com velocidade constante em relação ao primeiro, e a bola está solta pelo espaço. Se quisermos tomar o segundo astronauta como referencial, para o primeiro a bola estará com certa velocidade, mas para o segundo a velocidade será diferente, pois ele mesmo está se movimentando. A pergunta é: o segundo astronauta é um referencial inercial? A resposta é sim, pois apesar de sua velocidade não ser a mesma que a do primeiro, nenhuma força age sobre ele.

Um outro exemplo um pouco mais complicado é o de uma bola sendo solta verticalmente em um trem em movimento com velocidade constante. Nesse exemplo fica claro que a velocidade e a posição, e portanto a trajetória não são as mesmas se vistas de referenciais diferentes, mesmo que inerciais. Quando a bola é solta, de dentro do trem vemos ela caindo verticalmente, mas de fora do trem, como o trem está em movimento e, portanto, também a bola, vemos ela caindo e se movimentando para frente, fazendo uma trajetória parabólica como a da imagem à direita.

Referenciais inerciais são na grande maioria das

vezes muito mais fáceis de serem usados por conta do fato de que se o referencial for inercial, as forças 

aparentes nos objetos de estudo são apenas as realmente presentes. Isso será propriamente explicado na próxima parte.

Imagens retiradas de http://www.if.ufrgs.br/tapf/v16n5_Wolff_Mors.pdf em 09/10/2013

Referenciais não inerciais

Referenciais não inerciais são, como esperado, apenas o oposto do referencial inercial, ou seja, há forças agindo sobre ele. Para exemplificar, tomarei novamente o exemplo do trem. O solo e o carro em velocidade constante são referenciais inerciais na prática, pois as forças agindo sobre os dois não afetam a medida da velocidade do trem. Agora se o carro acelerar, temos claramente uma força agindo sobre o carro e fazendo sua velocidade aumentar. Se continuarmos a usar o referencial do carro, veremos o trem dimunuindo sua velocidade cada vez mais, como se estivesse desacelerando. Nesse problema, a força atuando no referencial faz com que o trem pareça estar sob a ação de uma força que na verdade não existe. Tais forças aparentes são chamadas de forças inerciais. 

Um outro exemplo para fixar tal ideia é o de uma bola sendo jogada para cima dentro de um carro em movimento. Se o carro mantém sua velocidade a bola sobe e desce em uma linha reta, caindo no mesmo lugar de onde foi jogada. Já se o carro freia quando a bola está no ar, a bola se movimentará para frente dentro do carro, como se uma força a estivesse empurrando nessa direção. Por esse motivo, trabalhar com referenciais não inerciais é mais complicado do que trabalhar com referenciais inerciais, pois tais forças inerciais que não estão agindo sobre o abjeto propriamente dito precisam ser levadas em consideração.

Um exemplo prático de uma situação em que se usa um referencial não inercial é o lançamento de um missil. Para lançamentos tão longos, a rotação da Terra desempenha um papel importante, pois faz com que a Terra não seja mais um referencial inercial, com efeitos curiosos.

A animação à direita mostra o efeito da rotação da Terra sobre um pêndulo simples. Apesar de nenhuma força fora a gravidade da Terra estar agindo sobre o pêndulo, sua rotação faz com que o plano de oscilação do pêndulo varie, parecendo que há uma outra força em ação, o que não é verdade. O movimento da animação está exagerado para mostrar o efeito.

Imagem retirada do website http://pt.wikipedia.org/wiki/Ficheiro:Foucault_pendulum_animated.gif em 09/10/2013