O que são forças de campo e forças de superfície?

Passo 1

Beleza, o enunciado pergunta “O que são forças de campo e forças de superfície?”. Isso cai na matéria de Mecânica (ou Mecânica dos Meios Contínuos), em que a gente classifica as forças que agem num corpo. Para resolver, vamos precisar entender dois conceitos-chave:
  1. Forças de campo (ou de corpo) – atuam em todo o volume do corpo.
  2. Forças de superfície – atuam apenas na fronteira (na “casca”) do corpo.

Passo 2

Forças de campo (ou de corpo)
– Essas são as forças que “se espalham” pelo volume do material, ou seja, cada pedacinho do sólido sente um pouquinho dessa força.
– Exemplos clássicos: peso (gravidade), forças eletrostáticas ou magnéticas.
– Na linguagem da Mecânica dos Meios Contínuos, a gente fala em densidade de força de corpo b(x), que tem unidade de força por volume (por exemplo, N/m³). Então, se V é o volume do corpo, a força total de corpo é
Fcampo ;=;integralV b(x),dV
– A teoria por trás disso é: forças de campo não precisam de contato; elas atuam “à distância” em cada ponto interno do material.

Passo 3

Forças de superfície (ou de contato)
– Aqui a ideia é que a força só existe na superfície do corpo, onde há contato com outro corpo ou fluido.
– Em Mecânica dos Meios Contínuos, define-se a densidade de tração (ou vetor de tensão de superfície) t(x,n), que é a força por área na face com normal n.
– Graças à lei de Cauchy, esse vetor está relacionado ao tensor de tensões sigma(x) assim:
t(x,n) ;=;sigma(x),n
– Para obter a força total de superfície em uma área S, integra-se:
Fsup ;=;integralS t(x,n),dS
– Exemplos: pressão de um fluido numa parede, força de atrito, empuxo hidrostático.

Passo 4

Comparando e exemplificando
– Força de campo: ação “em massa”, não precisa contato (peso, campo elétrico).
– Força de superfície: precisamos de uma interface onde outra coisa “encosta” (contato mecânico, pressão de fluido).
– Na prática, ao montar as equações de equilíbrio na Mecânica, você soma as integrais de forças de campo e de superfície para usar a 1ª Lei de Newton em forma integral ou diferencial.

Resposta

Forças de campo (ou de corpo) são aquelas que atuam em todo o volume de um corpo, descritas por uma densidade de força b(x) e que não exigem contato (ex.: gravidade, forças eletrostáticas). Forças de superfície (ou de contato) atuam apenas na fronteira do corpo, descritas pelo vetor de tração t(x,n)=sigma(x)n, e só existem quando há uma interface de contato (ex.: pressão, atrito, empuxo).

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