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FÍSICA CORPO DE BOMBEIROS MILITAR DO PARÁ - SOLDADO FÍSICA 3 PROGRAMA: FÍSICA 1. Mecânica. 1.1. Movimentos de translação e de rotação. 1.2. Leis do movimento: inércia e forças. 1.3. Lei de conservação da energia mecânica. 1.4. Lei de conservação da quantidade de movimento. CINEMÁTICA - Introdução ao sistema internacional de unidades(S.I): Os problemas referentes à metrologia, as ciências das medidas, sempre estiveram ligados ao desenvolvimento industrial. O marco mais importante dentro da História foi, sem dúvida, a convenção do metro, fruto da revolução francesa e do florescimento da era industrial. Com o rápido desenvolvimento científico e industrial, foram surgindo unidades não abrangidas pelo sistema métrico, notadamente as elétricas. Surgiu então a necessidade de unificação, em virtude do crescimento do intercâmbio científico e industrial. Foram propostas diversas reuniões e congressos, que culminaram com a 11ª Conferência Geral de Pesos e Medidas, realizada em Paris de 11 a 20 de outubro de 1960, com a adoção do Sistema Internacional (S.I). As grandezas adotadas como fundamentais no S.I são: comprimento, massa, tempo, intensidade de corrente elétrica, temperatura termodinâmica, intensidade luminosa e quantidade de matéria. Nota: As demais grandezas são ditas derivadas, uma vez que surgem a partir das grandezas fundamentais. Grandeza Dimensão Unidade Símbolo Comprimento L Metro M Massa M quilograma Kg Tempo T segundo s Corrente elétrica I Ampére A Temperatura termodinâmica Θ Kelvin K Intensidade luminosa Io candela Cd Quantidade de massa N Mol mol Bases da Cinemática Escalar 1. REFERENCIAL OU SISTEMA DE REFERÊNCIA Certamente, você já percebeu a importância de saber em que lugares estão, por exemplo, as coisas da sua casa, suas roupas, seu material escolar etc. FÍSICA CORPO DE BOMBEIROS MILITAR DO PARÁ - SOLDADO FÍSICA - LEI 5.810/94 4 Para ser possível descrever o movimento de um corpo, também é necessário saber dizer onde ele está, ou seja, conhecer sua posição, que sempre é dada em relação a algum outro corpo denominado referencial. Referencial é um corpo (ou um conjunto de corpos) em relação ao qual são definidas as posições de outros corpos. Considere, por exemplo, um viajante que vai da cidade Belém para São Paulo, conforme mostra a figura. No meio da estrada ele decidiu parar pois estava perdido. Ao ver a placa questionou-se: 4780 km de onde? Daí a necessidade de saber o referencial de partida. 2. MOVIMENTO E REPOUSO Um ponto material está em movimento em relação a um referencial quando sua posição varia com o tempo em relação a esse referencial. Um ponto material está em repouso em relação a um referencial quando sua posição não varia com o tempo em relação a esse referencial. Exemplo: O trem se movimenta em relação a estação E. A lâmpada está em repouso em relação ao trem. 3. TRAJETÓRIA Quando um ponto material movimenta-se em relação a certo referencial, ele ocupa diferentes pontos à medida que o tempo passa, descrevendo, assim, uma linha, que pode ser reta ou curva. Trajetória de um ponto material em movimento é a linha que ele descreve em relação a um referencial. Caso o ponto material encontra-se em repouso, sua trajetória reduz-se a um ponto. Exemplos: Um avião movimentando horizontalmente com velocidade constante deixa cair uma esfera como mostra a figura abaixo. Em relação ao solo, a trajetória da esfera é um arco de parábola; Em relação ao avião, a trajetória é um segmento de reta vertical. Em outra situação, por exemplo, observando um ponto (M) da periferia de um pneu de bicicleta em movimento, verificamos que: Em relação ao eixo (E) da roda, a trajetória do ponto observado é um arco de circunferência; Em relação à estrada, o ponto descreve uma ciclóide. CORPO DE BOMBEIROS MILITAR DO PARÁ - SOLDADO FÍSICA 5 4. ESPAÇO Espaço de uma partícula é a grandeza que determina sua posição em relação à trajetória, posição esta dada pelo comprimento do trecho de trajetória compreendido entre a partícula e o ponto O, acrescido de um sinal positivo ou negativo, conforme a região em que ela se encontra. O ponto O é denominado origem dos espaços. Note que a orientação da trajetória indica o sentido dos espaços crescentes. 5. VARIAÇÃO DE ESPAÇO E DISTÃNCIA PERCORRIDA 5.1 Variação de espaço (ou deslocamento escalar) O deslocamento escalar (s) mede a variação de espaço efetuada pelo móvel em um determinado intervalo de tempo (t): s = s2 – s1 O deslocamento escalar é uma grandeza algébrica que pode ser positiva, negativa ou nula. 5.2 Distância percorrida Distância percorrida é uma grandeza de utilidade prática que informa quanto a partícula efetivamente percorreu entre dois instantes, devendo ser calculada sempre em valor absoluto(módulo). Distância percorrida = Exemplo: (U. Católica de Salvador – BA) Um vagão está em movimento retilíneo com velocidade escalar constante em relação ao solo. Um objeto se desprende do teto desse vagão. A trajetória de queda desse objeto, vista por um passageiro que está sentado nesse vagão, pode ser representada pelo esquema: s CORPO DE BOMBEIROS MILITAR DO PARÁ - SOLDADO FÍSICA - LEI 5.810/94 6 Resposta: Letra C Como o referencial está dentro do vagão, o passageiro, existe um estado de repouso relativo entre ele e o objeto em queda. Então, a trajetória do objeto será retilínea em relação ao passageiro. Se o passageiro estivesse fora do vagão, parado à beira da estrada, a trajetória do objeto, em relação ao passageiro, seria um arco de parábola como descrito na letra b. 6. VELOCIDADE ESCALAR MÉDIA (Vm) Velocidade escalar média entre dois instantes é a variação de espaço ocorrida, em média, por unidade de tempo: No SI, a velocidade escalar é medida em metros por segundo (m/s). Na prática, a unidade mais usada é quilômetro por hora (km/h). Como em muitos problemas é importante colocar as unidades de medida num mesmo sistema, passando-as de km/h para m/s ou vice-versa, convém lembrar que: Exemplo: 10 m/s é 36 km/h 20 m/s é 72 km/h 30 m/s é 108 km/h 40 m/s é 144 km/h 50 m/s é 180 km/h Obs: Usando a proporcionalidade acima obtemos: 5 m/s é 18 km/h 15 m/s é 54 km/h 25 m/s é 90 Km/h EX. (UFMA) Um móvel percorre uma estrada retilínea AB, onde M é o ponto médio, sempre no mesmo sentido. A velocidade média no trecho AM é V1 e no trecho MB é V2. A velocidade entre os pontos A e B vale Considerando: V1 = 60 Km/h V2 = 40 Km/h Km/h VM = 2.60.40/60+40 VM =4800/100 VM =48 Km/h 7. ACELERAÇÃO ESCALAR MÉDIA E INSTANTÂNEA Aceleração escalar média entre dois instantes é a variação de velocidade escalar instantânea ocorrida, em média, por unidade de tempo: A aceleração escalar instantânea (a) é a medida da rapidez com que a velocidade escalar varia no tempo. Por analogia ao tratamento dado à definição de velocidade escalar instantânea, podemos dizer que a aceleração escalar instantânea é o quociente , para valores infinitamente pequenos de t: Unidade no SI: m/s2. Outras: km/h2; km/s2; m/min2; ... m s V t 21 21 VV VV2 m V a t V t V a t muito pequeno t CORPO DE BOMBEIROS MILITAR DO PARÁ - SOLDADO FÍSICA 7 8. CLASSIFICAÇÃO DOS MOVIMENTOS 8.1 Quanto ao sentido do movimento Progressivo O movimento é chamado progressivo quando o móvel caminha a favor da orientação positiva da trajetória. Seus espaços crescem no decurso do tempo e sua velocidade escalar é positiva. Retrógrado O movimento é chamado retrógrado quando o móvel caminha contra a orientação positiva da trajetória.Seus espaços decrescem no decurso do tempo e sua velocidade escalar é negativa. 8.2 Quanto a Rapidez Acelerado Um movimento é acelerado quando o módulo da velocidade escalar instantânea é sempre crescente com o passar do tempo. Num movimento acelerado, a velocidade escalar e a aceleração escalar têm o mesmo sinal, isto é, são ambas positivas ou ambas negativas. Retardado Um movimento será retardado quando o módulo da velocidade escalar instantânea for sempre crescente com o passar do tempo, como mostram os exemplos: Num movimento retardado, a velocidade escalar e a aceleração escalar têm sinais contrários, como mostram os exemplos: Uniforme Um movimento será uniforme quando a velocidade escalar instantânea for constante e diferente de zero, com o passar do tempo. CORPO DE BOMBEIROS MILITAR DO PARÁ - SOLDADO FÍSICA - LEI 5.810/94 8 9. VELOCIDADE RELATIVA 1º CASO: Movimento no mesmo sentido 2º CASO: Movimento em sentidos opostos Onde é o tempo de encontro Exemplo: Dois caminhões A e B de comprimento 8m e 10m percorrerem uma mesma estrada retilínea com movimentos uniformes e velocidades constantes e iguais a 50m/s e 40m/s, respectivamente. Determine o tempo de ultrapassagem, em segundos, quando se movem em sentidos contrários. Solução: d= LA + LB = 8m + 10m = 18m VA = 50 m/s VB = 40 m/s ∆t = 18/50+40 ∆t = 18/90 * Simplificando em cima e em baixo por 18, vem: ∆t = 1/5 ∆t = 0,2 s 10. MOVIMENTO RETILÍNEO UNIFORME (MRU) Características do MRU 1 - Trajetória retilínea 2 - Aceleração nula 3 - Velocidade constante Função Horária do MRU Exemplo: (AFA) Um projétil é disparado com velocidade de 500m/s em direção a um alvo fixo. Sabendo-se que o som produzido pelo projétil é ouvido pelo atirador 2s mais tarde. A velocidade do som é de 340m/s. A distância, aproximada, entre o atirador e o alvo é de: Macete!!!! d= 𝑽𝒑.𝑽𝒔 𝑽𝒑+𝑽𝒔 . Δt Solução: VP = 500 m/s VS = 340 m/s ∆t =2 s d= 𝟓𝟎𝟎.𝟑𝟒𝟎 𝟓𝟎𝟎+𝟑𝟒𝟎 . 2 d= 𝟏𝟕𝟎.𝟎𝟎𝟎 𝟖𝟒𝟎 . 2 d= 𝟑𝟒𝟎.𝟎𝟎𝟎 𝟖𝟒𝟎 V2 - V1 d t V2 V1 d t t V2 V1 d t V1 V2 V1 V2 VR = V1 – V2 VR = V1 + V2 S = SO + Vt S = V t CORPO DE BOMBEIROS MILITAR DO PARÁ - SOLDADO FÍSICA 9 2 2at toVoSS d= 𝟑𝟒.𝟎𝟎𝟎 𝟖𝟒 d = 404,76 m Resp: d = 404 m 11. MOVIMENTO RETILÍNEO UNIFORMEMENTE VARIADO (MRUV) Características do MRUV - Trajetória retilínea - Velocidade varia de modo regular - Aceleração constante Equação da Velocidade Função Horária do MRUV Equação do espaço percorrido Equação de Torricelli: usaremos essa equação sempre que o problema não mencionar o tempo. Quando o móvel parte da origem(So=0) e em repouso(Vo=0), temos as seguintes: a) Equação da Velocidade b) Equação do espaço percorrido c) Equação de Torricelli: Exemplo: (CESEP) Um móvel parte do repouso, em movimento retilíneo com aceleração constante e percorre 400 m. Dividir este espaço em duas partes tais que sejam percorridas em tempos iguais. Logo esses espaços são 100 m e 300 m. Solução: Macete!!!! Nesse tipo de questão a menor distância sempre será o espaço total percorrido dividido por 4. X = 4 D X = 4 400 = 100 m e y = 300 m 12. MOVIMENTOS SOB A AÇÃO DA GRAVIDADE 13.1. Introdução O movimento vertical de um corpo próximo ao solo é chamado queda livre quando o corpo é abandonado no vácuo ou se considera desprezível a ação do ar. Seu estudo é idêntico ao de um lançamento na vertical, o qual só difere da queda livre por apresentar uma velocidade inicial vertical. Esses movimentos são descritos pelas mesmas funções horárias. A aceleração do movimento vertical de um corpo no vácuo é denominada aceleração da gravidade e indicada por g. Como o movimento se realiza nas 2 2 at toVS Sa2VV 2 o 2 2 2 at S SaV 22 V = VO at Equação horária da posição 2 VV Vm O V = a.t CORPO DE BOMBEIROS MILITAR DO PARÁ - SOLDADO FÍSICA - LEI 5.810/94 10 proximidades da superfície terrestre, a aceleração da gravidade é considerada constante. Assim, a queda livre e o lançamento na vertical são movimentos uniformemente variados (MUV). O valor normal da aceleração da gravidade é tomado ao nível do mar, a uma latitude de 45º: g = 9,80665 m/s2 Na resolução de exercícios, para efeito de cálculo, arredondamos para 10 m/s2. Observações: A rigor, o movimento da queda livre não existe na prática porque não é possível evitar a influência da resistência do ar. É possível obtê-lo em laboratório num dispositivo conhecido como tubo de Newton. No entanto, pode-se considerar, com boa aproximação, como sendo queda livre o movimento de uma pequena esfera maciça, por exemplo, caindo de baixa altura. É interessante notar que, se a resistência do ar não for desprezível, o corpo tende a adquirir uma velocidade limite constante. Embora a resistência do ar não seja considera em nosso estudo, ela desempenha um papel muito importante na queda dos corpos. Na verdade, nenhum corpo em queda acelera continuamente porque a resistência do ar se opõe ao movimento, reduzindo gradativamente a aceleração até que ela se anule. Quando isso acontece, o corpo adquire velocidade constante, conhecida como velocidade- limite ou terminal. A velocidade-limite depende da forma e da densidade do corpo. 12.2. QUEDA LIVRE Equações: Função horária das altitudes Função horária das velocidades Equação de Torricelli # A distância percorrida(dn) por um corpo durante o enésimo(n) segundo de queda. dn = Exemplo: Um corpo é abandonado do alto de uma torre em lugar onde g = 10m/s2. O caminho por ele percorrido durante o quinto segundo foi 45 m. d5 = 2 10 (2n-1) d5 = 5. (2.5-1) d5 = 5. (10-1) d5 = 5. 9 d5 = 45 m 12.3. LANÇAMENTO VERTICAL Equações Por se tratar de um MRUV as equações do lançamento vertical são semelhantes às que já foram vistas. função horária das altitudes. função horária das velocidades. Equação de Torricelli. O lançamento vertical quando de baixo para cima é simétrico ou seja: o tempo de subida e o de descida são iguais, bem como as velocidades nos diversos pontos da subida são iguais na descida. 2 t gh 2 gtv hg2v2 12 2 n g 2 t gtvhh 2 oo gtvv o hg2vv 2 o 2 Durante n segundo______________ Distância 1º 5 m 2º 15 m 3º 25 m 4º 35 m 5º 45 m CORPO DE BOMBEIROS MILITAR DO PARÁ - SOLDADO FÍSICA 11 Para calcularmos o tempo de subida, devemos lembrar que V = 0 no ponto mais alto da trajetória. V = VO – gts O tempo de permanência no ar é o dobro do tempo de subida. Altura máxima Novamente partimos da consideração V=0 em hmáx Daí: Exemplo. (UFPA) Largamos um corpo, de uma altura de 144 m. Queremos dividira altura de queda em duas partes tais que sejam percorridas em tempos iguais. Supondo-se g = 10 m/s2. Podemos dizer que as partes serão iguais a: a) 25 m e 119 m b) 28 m e 116 m c) 36 m e 108 m d) 44 m e 100 m Solução: Macete!!!! Nesse tipo de questão a menor distância sempre será o espaço total percorrido dividido por 4. X = 4 D X = 4 144 = 36 me y =108 m 13. MOVIMENTO HORIZONTAL a) Queda Livre(Movimento Vertical) É um movimento vertical, sob a ação exclusiva da gravidade. Trata-se de um movimento uniformemente variado, pois sua aceleração se mantém constante. b) Movimento Horizontal É um movimento uniforme, pois não existe nenhuma aceleração na direção horizontal; o móvel o realiza por inércia, mantendo a velocidade com que foi lançado. # Velocidade Resultante Em cada ponto da trajetória, a velocidade resultante do móvel, cuja direção é tangencial à trajetória, é dada pela soma vetorial da velocidade horizontal , que permanece constante, e da velocidade vertical , cujo módulo vária, pois a aceleração da gravidade tem direção vertical. # Lembre-se que: e MRU: 14. LANÇAMENTO OBLÍQUO 14. 1. INTRODUÇÃO A distância horizontal que o corpo percorre desde o lançamento até o instante em que retorna ao nível horizontal do lançamento é denominado alcance (A). O máximo deslocamento do móvel na direção vertical chama-se altura máxima ou flecha (H) do lançamento. Obs.: O movimento descrito pelo móvel é o resultado da composição de dois movimentos simultâneos e independentes: um movimento vertical uniformemente variado, cuja aceleração é a da gravidade, e um movimento horizontal uniforme, pois na horizontal não há aceleração. g V t o s sp t2t g V2 t o p máx 2 o 2 gh2VV máx 2 o gh2V0 g2 V h 2 o máx 0V V 0V yV 2 gt h 2 tgVy tVs A V0 H CORPO DE BOMBEIROS MILITAR DO PARÁ - SOLDADO FÍSICA - LEI 5.810/94 12 * Análise dos movimentos separadamente 14.2. MOVIMENTO VERTICAL a) Velocidade na direção vertical senVV 0y0 b) Equação da velocidade na direção y sa2VV y0y gh2VV 0y c) Distância percorrida na direção y 2 gt tVh 2 at tyVh 2 y0 2 0 d) Equação de Torricelli gh2VVsa2VV 2 y0 2 y 2 y0 2 y e) Tempo de Subida (ts) Condição: 0Vy gtVV y0y sy0 gtV0 y0s Vgt g V t y0 s Obs.: Sendo o tempo de descida (td) igual ao de subida(ts) vem: tdtT s g V g V T y0y0 g V 2T y0 f) Altura máxima Condição: Vy = 0 onde: senVV 0y0 gh2VV 2 y0 2 y m 2 y0 2 gH2V0 2 y0VgHm2 14.3. MOVIMENTO HORIZONTAL (MRU) a) Velocidade na direção x A velocidade horizontal na direção x, permanece constante cosVV 0x0 cosVV 0x Vx = constante b) Equação da posição na direção x tVxtVs xx c) Alcance do lançamento Tempo gasto para atingir o alcance: g V 2T y0 tVx x g V 2VA y0 x senVV cosVV 0y0 0x0 sen g V 2cosVA 0 0 A H x y a = –g S = h Hmáx = g2 V2 y0 A H x T = ts + td CORPO DE BOMBEIROS MILITAR DO PARÁ - SOLDADO FÍSICA 13 cossen2 g V A 0 2 cossen2)2sen( )2sen( g V A 0 2 d) Alcance máximo 2sen g V A 2 0 g V Amáx 2 0 sen (2) = 1 00 90290sen2sen º45 e) Relação entre Hmáx e Amáx 45 2 2 0 2 y0 sen g2 V g2 V Hmáx 2 2 sen 02 2 0 45sen g2 V Hmáx 2 1 2 2 45sen 2 2 4 Amáx g V 4 1 2 1 g2 V Hmáx 2 0 2 0 EX1: (EFOA-MG) Uma bola é lançada para cima, numa direção que forma um ângulo de 60º com a horizontal. Sabendo que a velocidade na altura máxima é 20m/s, podemos afirmar que a velocidade de lançamento da bola é: a) 10m/s b) 20m/s c) 40m/s d) 23m/s Solução: Na altura máxima a bola para de subir, ou seja, Vy = 0. Logo, a única velocidade nesse ponto é a Vx . Vx = 20 m/s θ= 60° V0 = ? cos0 VVx 20 = V0 . COS 60° 20 = V0 . 1 2 20 .2 = V0 .1 V0 = 40 m/s Resposta: Letra C EX2: Durante uma partida de vôlei, um jogador dá um saque. A bola parte com uma velocidade cujo componente vertical é V e atinge uma altura máxima h quando esse componente tem valor: a) gh2 b) gh c) h/g d) zero Solução: Na altura máxima a bola para de subir, ou seja, Vy = 0. Logo, a componente vertical da velocidade da bola é nula ao atingir a altura máxima (V =0). Resposta: Letra D EX3: (FGV–SP) Ganhou destaque no voleibol brasileiro a jogada denominada "jornada nas estrelas", na qual a bola, arremessada de um lado da quadra, sobe cerca de 20m de altura antes de chegar ao adversário do outro lado. Quanto tempo, em segundos, a bola permanece no ar? a) 3s b) 4s c) 5s d) 6s Solução: Hmáx = 20 m Tar = 2. tmáx g = 10 m/s2 Hmáx = g2 V2 y0 20 = 10.2 2 0 yV Amáx = 4 Hmáx CORPO DE BOMBEIROS MILITAR DO PARÁ - SOLDADO FÍSICA - LEI 5.810/94 14 20 = 20 2 0 yV 20.20 = V2 0Y V2 0Y = 400 V0Y = √400 V0Y = 20 m/s g V t y máx 0 10 20 máxt T máx = 2 seg Tar = 2. tmáx Tar = 2. 2 Tar = 4 seg Resposta: Letra B 15. Estudo do Movimento Circular Uniforme (MCU) O movimento circular e uniforme (MCU) é aquele em que a trajetória é circular e a velocidade escalar é constante não nula (função horária do 1º grau em t). a) Movimentos periódicos a.1) Definição: Um movimento é dito periódico quando todos os estados cinemáticos (posição, velocidade, aceleração) se repetem, identicamente, em intervalos de tempos iguais. O movimento circular uniforme, que vamos agora estudar, é um exemplo de movimento periódico. a.2) Período: T O período (T) é o menor intervalo de tempo, para que um dado estado cinemático se repita, identicamente. No movimento circular uniforme, o período T é o tempo para o móvel dar uma volta completa. a.3) Frequência: f A frequência (f) é o número de vezes que o estado cinemático se repete, identicamente, na unidade de tempo escolhida. No movimento circular e uniforme a freqüência será o número de voltas realizadas na unidade de tempo. Sendo n o número de voltas em um intervalo de tempo t, a frequência será dada por: a.4) Relação entre período e frequência b) Unidades No caso do movimento circular e uniforme e, em particular, na medida da frequência de discos e peças rotativas usa-se a unidade “ROTAÇÕES POR MINUTO” (rpm) ou “ROTAÇÕES POR SEGUNDO” (rps), esta última equivalendo ao hertz. Como 1 min = 60s decorre que: c) Velocidades escalares no movimento circular e uniforme As velocidades escalares linear (V) ou angular () no movimento circular e uniforme serão constantes e portanto haverá coincidência entre os valores médios e instantâneos. Lembrando que, para uma volta completa em uma circunferência de raio R, a distância percorrida é 2R, o t n f T 1 f Hzhertzs s 1 Tu 1 fu ssegundoTu 1 rpm60rps1 CORPO DE BOMBEIROS MILITAR DO PARÁ - SOLDADO FÍSICA 15 ângulo descrito é 2 rad e o tempo gasto é o período T, temos: e Por outro lado, lembrando ainda que a frequência (f) é o inverso do período (T), temos: e d) Estudo vetorial do movimento circular e uniforme No MCU a velocidade vetorial tem módulo constante (pois o movimento é uniforme), porém, sendo sempre tangente à trajetória, tem direção variável. Isto significa que: (1) a componente tangencial da aceleração vetorial é nula: (1) a componente centrípeta da aceleração vetorial não é nula e é dada por: Como V = R vem: Exemplo. Os ponteiros de um relógio realizam movimento circular que pode ser considerado uniforme. Qual será, em rad/s, a velocidade angular do ponteiro dos segundos? a) b) c) d)Solução: Tseg = 60s w seg = 2𝜋/T seg w seg = 2𝜋/60 (÷2) w seg = 𝝅/30 rad/s Resposta: D # Para o ponteiro dos minutos Tmin = 60 min= 60 . 60 seg = 3.600 seg w min = 2𝜋/T min w min = 2𝜋/3600 (÷2) w min = 𝝅/1800 rad/s # Para o ponteiro das horas Th = 12 horas w h = 2𝜋/T h w h = 2𝜋/12 (÷2) w h = 𝝅/6 rad/h Logo, para os ponteiros do relógio as velocidades angulares são: w seg = 𝝅/30 rad/s w min = 𝝅/1800 rad/s w h = 𝝅/6 rad/h DINÂMICA Equilíbrio do ponto material Para um ponto material ou partícula, distinguimos dois tipos de equilíbrio: A partícula está em repouso, denominado equilíbrio estático. A partícula está em movimento retilíneo e uniforme, denominado equilíbrio dinâmico. T R2 t s V T 2 t Rf2V f2 0ta0MU t R V a 2 cp R R a 22 cp Ra 2 cp 2 2 20 30 CORPO DE BOMBEIROS MILITAR DO PARÁ - SOLDADO FÍSICA - LEI 5.810/94 16 AS LEIS DE NEWTON - Princípio da Inércia ou 1ª Lei de Newton Todo corpo, livre da ação de forças externas, ou está em repouso ou em movimento retilíneo e uniforme (MRU) - Princípio Fundamental da Dinâmica ou 2ª Lei de Newton. O Princípio Fundamental da Dinâmica, também chamado princípio da proporcionalidade entre força e aceleração, pode ser enunciado assim: “Quando uma força é aplicada a uma partícula, ela produz, na sua direção e sentido, uma aceleração com módulo proporcional ao módulo da força aplicada” F a Assim: - 3ª Lei de Newton ou Princípio da Ação e Reação. Definição: Quando dois corpos A e B interagem, se A aplica sobre B uma força, esse último corpo aplicará sobre A uma outra força de mesma intensidade, mesma direção e sentido contrário. FAB - força aplicada em B, por A FBA- força aplicada em A, por B OBS: É importante ressaltar que ação e reação nunca se anulam, pois atuam sempre em corpos diferentes. Exemplos: - Um indivíduo dá um soco numa parede. - Um nadador impele a água para trás com auxílio das mãos e dos pés. - A turbina de um avião a jato em funcionamento empurra o ar para trás. PLANO INCLINADO Diariamente temos a oportunidade de observar objetos em movimento ou em repouso sobre uma superfície inclinada. Utilizamos o plano inclinado para facilitar certas tarefas. As forças que agem sobre um corpo no plano inclinado são sempre as mesmas. EX. (PRF) Um automóvel, de peso 12000 N, apresentou pane mecânica e ficou parado no acostamento de uma rodovia. Um caminhão reboque veio ao local para retirá- lo. O automóvel será puxado para cima do caminhão com o auxílio de um cabo de aço, através de uma rampa que tem uma inclinação de 30 graus com a horizontal. Considerando que o cabo de aço permanece paralelo à rampa e que os atritos são desprezíveis, a menor força que o cabo de aço deverá exercer para puxar o automóvel será, aproximadamente, de a) 12000 N. b) 6000 N. c) 10400 N. d) 5200 N. e) 4000 N. Solução: P Px sen P Py cos yPN F= k a FAB = FBA A B F = m .a CORPO DE BOMBEIROS MILITAR DO PARÁ - SOLDADO FÍSICA 17 # A menor força que o cabo de aço deverá exercer para puxar o automóvel paralelo à rampa é igual a PX . Neste caso o automóvel sobe a rampa com velocidade constante (MRU). Fmim = PX Fmim = P . cos 𝜃 Fmim = 12.000 . sen 30° Fmim = 12.000 . 0,5 Fmim = 6.000 N Resposta: B FORÇA DE ATRITO Atrito é a resistência que os corpos em contato oferecem ao movimento. N=P Sendo < ) segue que: Observe, analisando o gráfico, que, enquanto o atrito for estático, as intensidades da força de atrito e da força motriz são iguais; iniciado o movimento, a intensidade de força de atrito diminui e, em seguida, passa a ser constante, independentemente do valor da força motriz e da velocidade relativa entre os corpos. ENERGIA 1 – Energia Cinética (Ec) Para que um corpo esteja em movimento em relação a um dado referencial é preciso que haja uma forma de energia denominada energia cinética. A grandeza escalar expressa por: Teorema da Energia Cinética “O trabalho da força resultante é medido pela variação da energia cinética.” 2. Energia Potencial (Ep) A energia potencial é a energia armazenada num sistema físico e pode ser transformada em energia cinética. Na mecânica, são consideradas duas formas de energia potencial: a gravitacional (Epg) e a elástica (Epe). Energia Potencial Gravitacional (Epg) Energia que corresponde ao trabalho que a força- peso realiza no deslocamento do nível considerado até o nível de referência: Obs.: Enquanto um objeto cai, está perdendo energia potencial gravitacional em relação ao solo. PF dat d e destaquedin atat FF 2 vm E 2 c cccr EEE 0f hgmhPEpg Fat V CORPO DE BOMBEIROS MILITAR DO PARÁ - SOLDADO FÍSICA - LEI 5.810/94 18 F x Mola sem deformação Mola com deformação Fel 3. Força Elástica e Trabalho da Força Elástica Se a mola da figura a seguir que sofre uma deformação x por causa da ação de uma força externa . Nesta situação existe, no sentido oposto ao deslocamento, a força elástica ( ) que tende a fazer a mola retornar à sua posição normal. A força elástica não é constante e sua intensidade é proporcional à deformação x, conforme a lei de HOOKE. k= constante elástica da mola. Para este caso, de força variável, não se pode aplicar a definição geral . Deve-se o método gráfico. Na figura, o trabalho da força elástica é igual à área hachurada. ENERGIA POTENCIAL ELÁSTICA (EPE) - Energia Mecânica (Em) A soma das energias cinética e potencial de um sistema físico é chamada de energia mecânica: Conservação da Energia Mecânica Nos fenômenos mecânicos, pode-se processar a transformação entre as energias cinética e potencial. a) Epg Ec – Na queda livre de um corpo, perde-se altura e ganha-se velocidade; a Epg transforma-se, aos poucos, em Ec. b) Ec Epg – À medida que o corpo ganha altura, sua velocidade diminui; logo, a Ec é transformada em Epg. Conclusão: Desprezando-se as forças dissipativas, como atritos e resistência do ar, um corpo, durante seu movimento, apresenta: “A variação da energia mecânica é nula, portanto, a energia mecânica inicial é igual a final.” Ou: F elástica F xk elástica F d)F( 2 xkx elásticaF 2 kx 2 elástica F 2 kx 2 elástica E pcm EEE F elástica F = kx x x 0mE o oc p c pE E E E cte CORPO DE BOMBEIROS MILITAR DO PARÁ - SOLDADO FÍSICA 19 Enquanto a energia cinética aumenta a energia potencial diminuí e vice-versa. Num sistema dissipativo, a energia mecânica de um corpo é sempre reduzida, pois parte dela é dissipada pelo atrito. A diferença entre a energia mecânica final e inicial é a quantidade de energia dissipada, medida através do trabalho da força de atrito. Ex1: Um projétil de massa 20g, com velocidade de 200m/s dirigida horizontalmente, atinge uma placa de madeira e penetra 20cm nela. O módulo da força média de resistência oposta pela madeira ao movimento da bala vale: Solução: m = 20g = 0,02 kg v0 = 0 (repouso no início do movimento) v = 200 m/s d= 20 cm= 0,2 m F = ? Teorema da Energia Cinética “O trabalho da força resultante é medido pela variação da energia cinética.” Ʈ = F.d EC0 = mv0 2/2 ECf = mv2/2 F.d = mv2/2- mv0 2/2 F.d = m(v2/2 - v0 2/2) F.d = m(v2 - v0 2)/2 F . 0,2 = m (2002 -02)/2 F . 0,2 = m (2002 )/2 F . 0,2 = m .40000 /2 F . 0,2 = m .40000 F . 0,2 = 0,02 .40000 F . 0,2 = 0,2 .4000 F = 0,2 .4000/0,2 F = 4.000 N Ex2: A pequena esfera de massa m = 0,2 kg está presa à extremidade de um fio de comprimento 0,8 m, que tem a outra extremidade fixa num ponto O. Determine o trabalho que o peso da esfera realiza no deslocamento de A para B, conforme a figura. Adote g = 10 m/s2. a) 1,2 J b) 1,6 J c) 1,8 J d) 2,0 J Solução: m = 0,2 kg v0 = 0 (repouso no início do movimento) g = 10 m/s2 h = L = 0,8 m Ʈp = ? Ʈp = Epotencial = m . g . h Ʈp =0,2 . 10 . 0,8 Ʈp = 2 . 0,8 Ʈp = 1,6 J cccr EEE 0f B A INICIALFINALMMFa EE m disE CORPO DE BOMBEIROS MILITAR DO PARÁ - SOLDADO FÍSICA - LEI 5.810/94 20 Ex3: Uma mola, de comprimento igual a 10 cm e constante elástica 10N/m, é comprimida em 2cm pelo peso de um bloco de massa M. A energia potencial elástica acumulada, em J, vale: a) 0,002. b) 0,200. C) 20,00. d) 320,0. Solução: x =2 cm = 0,02 m K = 10N/m Eelástica =? Eelástica = 10 . (0,02)2/2 Eelástica = 10 . 0,0004/2 Eelástica = 10 . 0,0002 Eelástica = 0,002 J Resp: A Resultante Centrípeta A resultante centrípeta está ligada a variação de direção da velocidade vetorial, isto é, é usada para “curvar” a trajetória. Toda trajetória curva tem como causa determinante a componente centrípeta da força resultante. A figura a seguir mostra a decomposição gráfica da força (F) em uma trajetória curvilínea: Ex1: Um corpo de massa 2,0kg é preso à extremidade de um fio de comprimento . Coloca-se o sistema a oscilar num plano vertical (pêndulo simples). Ao passar pelo ponto mais baixo da trajetória, a velocidade do corpo é 4,0m/s. Determine a intensidade da força tensora no fio, supondo g=10m/s2. Solução: m = 2 kg v0 = 0 (repouso no início do movimento) v = 4 m/s g=10m/s2. T = ? # No ponto mais baixo da trajetória, temos: Fcp = T – P m . v2/R = T – m . g m . v2/L = T – m . g 2 . 42/2 = T – 2 . 10 2 . 16/2 = T – 20 32/2 = T – 20 16 = T – 20 16 + 20= T T = 36 N Ex2: Existe um espetáculo circense conhecido como “globo da morte”. No interior de uma esfera oca, feita de metal vazado, um motociclista realiza uma série de acrobacias, tendo como evolução mais importante, e que constitui o ponto culminante do espetáculo, a realização de uma circunferência num plano vertical. Qual a velocidade mínima da “moto”, no ponto mais alto da trajetória, para que ela possa descrever uma trajetória circular? 2 kx 2 elástica E cpF 2 cp 2 t 2 FFF m0,2 m0,2 ou 2ª Lei de Newton: Ft F FCP o acp P tangente à trajetória em P normal à trajetória em P trajetória acp Fcp R m v CORPO DE BOMBEIROS MILITAR DO PARÁ - SOLDADO FÍSICA 21 Adote: Solução: Macete!!! Esse tipo de exercício SEMPRE se resolve pela fórmula: v2 min = g .R Dedução da fórmula: Fcp = P m . v2/R = m . g (÷m) v2/R = g v2 = g. R v2 min = g . R EX3: Um carro descreve uma curva de raio R, situada num plano horizontal. O coeficiente de atrito entre as rodas e o carro é . Sendo g a aceleração de gravidade no local, determine a máxima velocidade com que o carro pode fazer essa curva, sem derrapar. Solução: Macete!!! Esse tipo de exercício SEMPRE se resolve pela fórmula: v2 máx = . g .R Dedução da fórmula: Fcp = Fatrito m . v2/R = . N m . v2/R = .P m . v2/R = .m . g (÷m) v2/R = . g v2 máx = . g . R IMPULSO Impulso é uma força aplicada durante um período de tempo muito curto. I = F.t Unidade do Impulso (SI): N.s (Newton-segundo). Propriedade Gráfica Quantidade de Movimento Podemos assim definir uma equação matemática que descreve a quantidade do movimento: Unidade da Quantidade de movimento (SI): Kg.m/s (kilograma-metro por segundo). EX1:(PRF) Uma condição necessária e suficiente para que um veículo de 1000 kg apresente uma quantidade de movimento NULA é que a) esteja trafegando em uma trajetória retilínea. b) esteja somente em queda livre. c) esteja parado, ou seja, em repouso. d) apresente velocidade constante e diferente de zero. e) seja nula a resultante de forças que nele atua. globodoRaioR localgravidadedaaceleraçãog altomaispontonoescalarvelocidadeV Área: A = base altura A = Ft A = tF A = I A F F o t1 t2 t Q mv CORPO DE BOMBEIROS MILITAR DO PARÁ - SOLDADO FÍSICA - LEI 5.810/94 22 Solução: # Pela fórmula observamos que a Quantidade de movimento de um corpo é obtida pelo produto de sua massa pela velocidade que o corpo possui em determinado instante. Logo, um corpo que possui massa terá Quantidade de movimento NULA quando sua velocidade for nula (estado de repouso) Resposta: Letra C Teorema do Impulso “O impulso da força resultante sobre um corpo durante um determinado intervalo de tempo é igual à variação da quantidade de movimento desse corpo no mesmo intervalo de tempo”. Conservação da Quantidade de Movimento “Em um sistema isolado de forças externas a quantidade de movimento total se conserva.” Ou: OBS: Todos os tipos de choque conserva a quantidade de movimento do sistema. Qantes = Qdepois EX2: (PRF) Um condutor, ao desrespeitar a sinalização, cruza seu veículo de 5000 kg por uma linha férrea e é atingido por um vagão ferroviário de 20 t que trafegava a 36 km/h. Após o choque, o vagão arrasta o veículo sobre os trilhos. Desprezando-se a influência do atrito e a natureza do choque como sendo perfeitamente inelástico, qual a velocidade em que o veículo foi arrastado? a) 9 m/s. b) 8 m/s. c) 10 m/s. d) 12 m/s. e) nula. Solução: mcarro= 5000 kg mvagão= 20 t = 20.000 kg Vvagão = 36 km/h (÷3,6) = 10 m/s Vconjunto = ? Qantes = Qdepois mvagão . Vvagão = (mvagão + mcarro) . Vconjunto 20. 000 . 10 = ( 20.000 + 5.000) . Vconj 200.000 = 25.000 . Vconj 200.000/ 25.000 = Vconj Vconj = 200/25 Vconj = 8 m/s Resposta: Letra B Choques e coeficientes de Restituição De acordo com a situação existem dois tipos de choques: Choque elástico : é aquele em que não há presença de forças dissipativas(NÃO HÁ ATRITO). Os choques elásticos conservam a quantidade de movimento e a energia mecânica. (Não grudam)! Choque inelástico: é aquele no qual há a presença de forças dissipativas( HÁ ATRITO). Os choques inelásticos conservam a quantidade de movimento e não conservam a energia mecânica. (Grudam)! 0I Q Q Q 0Q 0Q Q Q mv CORPO DE BOMBEIROS MILITAR DO PARÁ - SOLDADO FÍSICA 23 As propriedades elásticas dos corpos envolvidos em choques são caracterizadas por uma grandeza física denominada coeficiente de restituição(e) Que é definido como: Lembrando que para choques elásticos e=1 e para choques inelásticos e=0. Análise Gráfica Pêndulo Balístico É um exemplo de choque inelástico. Onde a velocidade v do projétil é dada por: V=√𝟐𝒈𝒉 →velocidade do bloco após o impacto do projétil Qantes = Qdepois v.m = (M+m).V →Equação para achar a velocidade do projétil antes do impacto. EX3: (Vunesp) A figura é uma representação de um pêndulo balístico, um antigo dispositivo para se medir a velocidade de projéteis. Suponha que um projétil com velocidade Vp, de massa m = 10g, atinge o bloco de massa M = 990g inicialmente em repouso. Após a colisão, o projétil aloja-se dentro do bloco e o conjuntoatinge uma altura máxima h = 5,0 cm. Considerando g = 10 m/s2, pode-se afirmar que a velocidade do projétil, em m/s, é a) 30. b) 100. c) 150. d) 200. e) 250 Solução: mp=10 g M = 990 g h = 5,0 cm = 0,05 m g = 10 m/s2 Vp = ? m, v M h V 2 M m v gh m Re Re | | | | lativa depois lativa antes v e v CORPO DE BOMBEIROS MILITAR DO PARÁ - SOLDADO FÍSICA - LEI 5.810/94 24 Obs: Como as duas massas estão na mesma unidade, em gramas(g), não é necessário transformá-las para kg. Vp = 𝟗𝟗𝟎+𝟏𝟎 𝟏𝟎 .√𝟐. 𝟏𝟎. 𝟎, 𝟎𝟓 Vp = 𝟏𝟎𝟎𝟎 𝟏𝟎 .√𝟐 . 𝟎, 𝟓 Vp = 𝟏𝟎𝟎 .√𝟏 Vp = 100 . 1 Vp = 100 m/s Resposta: Letra B EX4: ( UERJ) Um peixe de 4 kg, nadando com velocidade de 1,0 m/s, no sentido indicado pela figura, engole um peixe de 1 kg, que estava em repouso, e continua nadando no mesmo sentido. A velocidade, em m/s, do peixe maior, imediatamente após a ingestão, é igual a: a) 1,0 b) 0,8 c) 0,6 d) 0,4 E) 0,2 Solução: m1= 4 kg m2 = 1 kg V1 = 1m/s Vconjunto = ? Qantes = Qdepois m1. V1 = (m1 + m2) . Vconjunto 4 . 1 = (4 +1) . Vconj 4 = 5. Vconj 4/ 5 = Vconj Vconj =4/5 Vconj =0, 8 m/s Resposta: Letra B EX5: (FUVEST) Um caminhão, parado em um semáforo, teve sua traseira atingida por um carro. Logo após o choque, ambos foram lançados juntos para frente (colisão inelástica), com uma velocidade estimada em 5 m/s (18 km/h), na mesma direção em que o carro vinha. Sabendo-se que a massa do caminhão era cerca de três vezes a massa do carro, foi possível concluir que o carro, no momento da colisão, trafegava a uma velocidade aproximada de: a) 72 km/h b) 60 km/h c) 54 km/h d) 36 km/h e) 18km/h Solução: mcarro= m mcaminhão= 3m Vconjunto = 18 Km/h Vcarro = ? Qantes = Qdepois mcarro. Vcarro = (mcarro + mcaminhão) . Vconjunto m . Vcarro = (m +3m) . 18 m . Vcarro = 4m . 18 m . Vcarro = 72m Vcarro = 72m /m Vcarro = 72 km/h Resposta: Letra A www.lojadoconcurseiro.com.br 2 M m v gh m CORPO DE BOMBEIROS MILITAR DO PARÁ - SOLDADO FÍSICA 25