Colégio: ________________________________________________________________________ Professor: ____________________ Turma: ___________________ Turno: __________________ Aluno: _________________________________________________ n____ Data: ___/___/______ DINÂMICA DO MOVIMENTO CIRCULAR 1. Um circuito de Fórmula Mundial circular, com 320 m de raio, tem como velocidade de segurança 40 m/s. Calcule a tangente do ângulo de inclinação da pista. Observação: velocidade de segurança é a velocidade com a qual o carro pode trafegar sem que nenhuma força de atrito lateral seja exercida em suas rodas. 2. (Fuvest 2004) Um brinquedo consiste em duas pequenas bolas A e B, de mesma massa M, e um fio flexível: a bola B está presa na extremidade do fio e a bola A possui um orifício pelo qual o fio passa livremente. Para o jogo, um operador (com treino!) deve segurar o fio e girá-lo, de tal forma que as bolas descrevam trajetórias circulares, com o mesmo período T e raios diferentes. Nessa situação, como indicado na figura 1, as bolas permanecem em lados opostos em relação ao eixo vertical fixo que passa pelo ponto O. A figura 2 representa o plano que contém as bolas e que gira em torno do eixo vertical, indicando os raios e os ângulos que o fio faz com a horizontal. 4. (G1 - cftce 2005) Um cursor de 100 g de massa está associado a uma haste rígida horizontal, como mostra a figura. Duas molas iguais de constante elástica 30 N/m, presas ao cursor, mantêm-no em equilíbrio no meio desta haste. Com que velocidade angular esta haste deve girar, para o cursor sofrer um deslocamento radial de 10% do comprimento da haste? Despreze atritos. 5. (Ita 2007) Um corpo de massa m e velocidade V³ a uma altura h desliza sem atrito sobre uma pista que termina em forma de semicircunferência de raio r, conforme indicado na figura. Determine a razão entre as coordenadas x e y do ponto P na semicircunferência, onde o corpo perde o contato com a pista. Considere a aceleração da gravidade g. Assim, determine: a) O módulo da força de tensão F, que permanece constante ao longo de todo o fio, em função de M e g. b) A razão K = sen ‘/sen š, entre os senos dos ângulos que o fio faz com a horizontal. c) O número N de voltas por segundo que o conjunto realiza quando o raio R• da trajetória descrita pela bolinha B for igual a 0,10 m. NOTE E ADOTE: Não há atrito entre as bolas e o fio. Considere sen š ¸ 0,4 e cos š ¸ 0,9; ™ ¸3. 3. (G1 - cftce 2005) Uma esfera de massa 1,2 kg, presa a uma mola de 1,0 m de comprimento e constante elástica 25N/m, descreve uma trajetória circular num plano horizontal sobre uma mesa perfeitamente polida, como mostra a figura. Determine a energia mecânica, em relação à mesa, associada ao sistema massa-mola nas condições citadas. www.aulaparticularrj.com * [email protected] Colégio: ________________________________________________________________________ Professor: ____________________ Turma: ___________________ Turno: __________________ Aluno: _________________________________________________ n____ Data: ___/___/______ 6. (Ufg 2006) O chapéu mexicano, representado na figura, 8. (Ufrj 2006) Uma caixa é pendurada no teto de um gira com velocidade angular constante. Cada assento é ônibus por meio de fios ideais presos a um dinamômetro preso por quatro correntes, que formam com a vertical um de massa desprezível. A figura mostra esses objetos em ângulo de 30°. As correntes estão presas à borda do equilíbrio em relação ao ônibus, enquanto ele está círculo superior, cujo diâmetro é de 6,24 m, enquanto o percorrendo um trecho circular de uma estrada horizontal, comprimento das correntes é de 6 m. A massa de cada com velocidade de 72 km/h. Nessa situação, o criança é de 34 kg, sendo desprezíveis as massas dos dinamômetro mostra que a tensão no fio é 65 N. assentos e das correntes. Dados: g = 10 m/s£, Ë3 = 1,7 Sabendo que a massa da caixa é 6,0 kg, calcule o raio da curva da estrada. Calcule: a) a velocidade delas ao longo da trajetória circular; b) a tensão em cada corrente. 7. (Ufrj 2005) Um trilho em forma de arco circular, contido em um plano vertical, está fixado num ponto A de um plano horizontal. O centro do arco está em um ponto O desse mesmo plano. O arco é de 90° e tem raio R, como ilustra a figura 1. Um pequeno objeto é lançado para cima, verticalmente, a partir da base A do trilho e desliza apoiado a ele, sem atrito, até o ponto B, onde escapa horizontalmente, caindo no ponto P do plano horizontal onde está fixado o trilho. A distância do ponto P ao ponto A é igual a 3R como ilustra a figura 2. Calcule o módulo da velocidade inicial ¬³ com que o bloco foi lançado, em função do raio R e da aceleração g da gravidade. 9. (Ufrrj 2005) Foi que ele viu Juliana na roda com João Uma rosa e um sorvete na mão Juliana seu sonho, uma ilusão Juliana e o amigo João GIL, Gilberto. "Domingo no Parque". A roda citada no texto é conhecida como RODAGIGANTE, um brinquedo de parques de diversões no qual atuam algumas forças, como a força centrípeta. Considere: - o movimento uniforme; - o atrito desprezível; - aceleração da gravidade local de 10 m/s£; - massa da Juliana 50 kg; - raio da roda-gigante 2 metros; - velocidade escalar constante, com que a roda está girando, 36 km/h. Calcule a intensidade da reação normal vertical que a cadeira exerce sobre Juliana quando a mesma se encontrar na posição indicado pelo ponto J. 10. (Unesp 2003) Um pequeno bloco de massa m é colocado sobre um disco giratório, plano e horizontal, inicialmente em repouso, a uma distância R do eixo do disco. O disco é então posto a girar com pequena aceleração angular, até que sua velocidade angular atinja um certo valor Ÿ. A partir deste valor de velocidade angular, o bloco começa a deslizar sobre o disco. Representando por g a aceleração da gravidade, e considerando o instante em que o bloco está prestes a deslizar sobre o disco, a) determine, em função desses dados, o módulo da força centrípeta F(c) que atua sobre o bloco. b) calcule, em função desses dados, o coeficiente de atrito estático ˜(e) entre o bloco e o disco. 11. (Unifesp 2004) Uma estação espacial, construída em forma cilíndrica, foi projetada para contornar a ausência de gravidade no espaço. A figura mostra, de maneira simplificada, a secção reta dessa estação, que possui dois andares. www.aulaparticularrj.com * [email protected] Colégio: ________________________________________________________________________ Professor: ____________________ Turma: ___________________ Turno: __________________ Aluno: _________________________________________________ n____ Data: ___/___/______ 13. (Unesp 2005) Uma espaçonave de massa m gira em torno da Terra com velocidade constante, em uma órbita circular de raio R. A força centrípeta sobre a nave é 1,5 GmM/R£, onde G é a constante de gravitação universal e M a massa da Terra. a) Desenhe a trajetória dessa nave. Em um ponto de sua trajetória, desenhe e identifique os vetores velocidade « e aceleração centrípeta @ da nave. b) Determine, em função de M, G e R, os módulos da aceleração centrípeta e da velocidade da nave. 14. (Ufc 2007) Uma partícula com carga positiva +q é fixada em um ponto, atraindo uma outra partícula com carga negativa -q e massa m, que se move em uma trajetória circular de raio R, em torno da carga positiva, com velocidade de módulo constante (veja a figura a seguir). Considere que não há qualquer forma de dissipação de energia, de modo que a conservação da energia mecânica é observada no sistema de cargas. Despreze qualquer efeito da gravidade. A constante eletrostática é igual a k. Para simular a gravidade, a estação deve girar em torno do seu eixo com uma certa velocidade angular. Se o raio externo da estação é R, a) deduza a velocidade angular Ÿ com que a estação deve girar para que um astronauta, em repouso no primeiro andar e a uma distância R do eixo da estação, fique sujeito a uma aceleração igual a g. b) Suponha que o astronauta vá para o segundo andar, a uma distância h do piso do andar anterior. Calcule o peso do astronauta nessa posição e compare com o seu peso quando estava no primeiro andar. O peso aumenta, diminui ou permanece inalterado ? 12. (Unifesp 2004) É comum vermos, durante uma partida de voleibol, a bola tomar repentinamente trajetórias inesperadas logo depois que o jogador efetua um saque. A bola pode cair antes do esperado, assim como pode ter sua trajetória prolongada, um efeito inesperado para a baixa velocidade com que a bola se locomove. Quando uma bola se desloca no ar com uma velocidade v e girando com velocidade angular Ÿ em torno de um eixo que passa pelo seu centro, ela fica sujeita a uma força F(Magnus) = k.v. Ÿ. Essa força é perpendicular à trajetória e ao eixo de rotação da bola, e o seu sentido depende do sentido da rotação da bola, como ilustrado na figura. O parâmetro k é uma constante que depende das características da bola e da densidade do ar. Esse fenômeno é conhecido como efeito Magnus. Represente a aceleração da gravidade por g e despreze a força de resistência do ar ao movimento de translação da bola. a) Considere o caso em que o saque é efetuado na direção horizontal e de uma altura maior que a altura do jogador. A bola de massa M segue por uma trajetória retilínea e horizontal com uma velocidade constante v, atravessando toda a extensão da quadra. Qual deve ser o sentido e a velocidade angular de rotação Ÿ a ser imprimida à bola no momento do saque? b) Considere o caso em que o saque é efetuado na direção horizontal, de uma altura h, com a mesma velocidade inicial v, mas sem imprimir rotação na bola. Calcule o alcance horizontal D da bola. a) Determine o módulo da velocidade v com que a carga negativa se move em torno da carga positiva. b) Determine o período do movimento circular da carga negativa em torno da carga positiva. c) Determine a energia total do sistema. d) Considere que o produto da massa da partícula com carga negativa pela sua velocidade e pelo raio da trajetória circular é igual ao produto de um número inteiro por uma constante; ou seja, mv R = nh, onde n é o número inteiro (n = 1, 2, 3, ...) e h, a constante. Determine a energia total do sistema em termos de n, h, q e k. e) Determine a freqüência do movimento da carga negativa em torno da carga positiva em termos de n, h, q e k. TEXTO PARA AS PRÓXIMAS 2 QUESTÕES. (Fgv 2007) Vendedores aproveitam-se da morosidade do trânsito para vender amendoins, mantidos sempre aquecidos em uma bandeja perfurada encaixada no topo de um balde de alumínio; dentro do balde, uma lata de leite em pó, vazada por cortes laterais, contém carvão em brasa (figura 1). Quando o carvão está por se acabar, nova quantidade é reposta. A lata de leite é enganchada a uma haste de metal (figura 2) e o conjunto é girado vigorosamente sob um plano vertical por alguns segundos (figura 3), reavivando a chama. Dados: ™ = 3,1 g = 10 m/s£ 15. No momento em que o braseiro atinge o ponto mais baixo de sua trajetória, considerando que ele descreve um movimento no sentido anti-horário e que a trajetória é percorrida com velocidade constante, dos vetores indicados, aquele que mais se aproxima da direção e sentido da força resultante sobre a lata é www.aulaparticularrj.com * [email protected] Colégio: ________________________________________________________________________ Professor: ____________________ Turma: ___________________ Turno: __________________ Aluno: _________________________________________________ n____ Data: ___/___/______ 16. Mantendo o movimento circular de raio 80 cm, a menor velocidade que a lata deve possuir no ponto mais alto de sua trajetória para que o carvão não caia da lata é, em m/s, a) Ë2 b) 2 c) 2Ë2 d) 4 e) 4Ë2 17. Observe o fenômeno indicado na tirinha a seguir. 19. (Puc-rio 2006) Um carro de massa m = 1000 kg realiza uma curva de raio R = 20 m com uma velocidade angular w = 10 rad/s. A força centrípeta atuando no carro em newtons vale: a) 2,0 10§. b) 3,0 10§. c) 4,0 10§ . d) 2,0 10¦. e) 4,0 10¦. 20. (Pucsp 2006) Um automóvel percorre uma curva circular e horizontal de raio 50 m a 54 km/h. Adote g = 10 m/s£. O mínimo coeficiente de atrito estático entre o asfalto e os pneus que permite a esse automóvel fazer a curva sem derrapar é a) 0,25 b) 0,27 c) 0,45 d) 0,50 e) 0,54 21. (Pucsp 2006) Durante uma apresentação da Esquadrilha da Fumaça, um dos aviões descreve a trajetória circular da figura, mantendo o módulo de sua velocidade linear sempre constante. A força que atua sobre o peso e produz o deslocamento vertical da garrafa é a força a) de inércia. b) gravitacional. c) de empuxo. d) centrípeta. e) elástica. 18. (G1 - cftce 2005) Vários blocos estão na periferia de um disco de 15 cm de raio, que gira com velocidade crescente. Se as massas dos blocos e seus coeficientes de atrito com o disco são os do quadro a seguir, o que se deslocará primeiro está indicado na letra: Sobre o descrito são feitas as seguintes afirmações: I - A força com a qual o piloto comprime o assento do avião varia enquanto ele percorre a trajetória descrita. II - O trabalho realizado pela força centrípeta que age sobre o avião é nulo em qualquer ponto da trajetória descrita. III - Entre os pontos A e B da trajetória descrita pelo avião não há impulso devido à ação da força centrípeta. Somente está correto o que se lê em a) I b) II c) III d) II e III 22. (Pucsp 2007) www.aulaparticularrj.com * [email protected] e) I e II Colégio: ________________________________________________________________________ Professor: ____________________ Turma: ___________________ Turno: __________________ Aluno: _________________________________________________ n____ Data: ___/___/______ 25. (Ufpel 2006) Considere um satélite artificial que está em órbita circular ao redor da Terra. Nessa condição, é correto afirmar que a) seu vetor velocidade, vetor aceleração centrípeta e seu período são constantes. b) seu vetor velocidade varia, seu vetor aceleração centrípeta e seu período são constantes. c) seu vetor velocidade e seu vetor aceleração centrípeta variam e seu período é constante. d) seu vetor velocidade e seu período são constantes e seu vetor aceleração centrípeta varia. e) seu vetor velocidade, seu vetor aceleração centrípeta e seu período variam. A figura representa em plano vertical um trecho dos trilhos de uma montanha russa na qual um carrinho está prestes a realizar uma curva. Despreze atritos, considere a massa total dos ocupantes e do carrinho igual a 500 kg e a máxima velocidade com que o carrinho consegue realizar a curva sem perder contato com os trilhos igual a 36 km/h. O raio da curva, considerada circular, é, em metros, igual a a) 3,6 b) 18 c) 1,0 d) 6,0 e) 10 23. (Uerj 2006) A técnica de centrifugação é usada para separar os componentes de algumas misturas. Pode ser utilizada, por exemplo, na preparação de frações celulares, após o adequado rompimento das membranas das células a serem centrifugadas. Em um tubo apropriado, uma camada de homogeneizado de células eucariotas rompidas foi cuidadosamente depositada sobre uma solução isotônica de NaCØ. Esse tubo foi colocado em um rotor de centrífuga, equilibrado por um outro tubo. O esquema a seguir mostra o rotor em repouso e em rotação. Considere as seguintes massas médias para algumas organelas de uma célula eucariota: - mitocôndria: 2 ×10-© g; - lisossoma: 4 × 10-¢¡ g; - núcleo: 4 × 10-§ g. Durante a centrifugação do homogeneizado, em um determinado instante, uma força centrípeta de 5 × 10-¥ N atua sobre um dos núcleos, que se desloca com velocidade de módulo constante de 150 m/s. Nesse instante, a distância desse núcleo ao centro do rotor da centrífuga equivale, em metros, a: a) 0,12 b) 0,18 c) 0,36 d) 0,60 24. (Ufms 2006) Um satélite artificial está em órbita em torno da Terra, de forma que mantém sempre a mesma posição relativa a um ponto na superfície da Terra. Qual(is) da(s) afirmação(ões) a seguir é (são) correta(s)? (01) A velocidade angular do satélite é igual à velocidade angular de rotação da Terra. (02) A velocidade tangencial do satélite é igual à velocidade tangencial de um ponto na superfície da Terra. (04) A força centrípeta que atua sob o satélite é a força gravitacional e tem o mesmo valor da força centrípeta de um corpo na superfície da Terra. (08) A velocidade tangencial do satélite depende da altura de órbita em relação à Terra. (16) A aceleração gravitacional do satélite é nula porque ele está em órbita. 26. (Ufrs 2005) A figura a seguir representa um pêndulo cônico ideal que consiste em uma pequena esfera suspensa a um ponto fixo por meio de um cordão de massa desprezível. Para um observador inercial, o período de rotação da esfera, em sua órbita circular, é constante. Para o mesmo observador, a resultante das forças exercidas sobre a esfera aponta a) verticalmente para cima. b) verticalmente para baixo. c) tangencialmente no sentido do movimento. d) para o ponto fixo. e) para o centro da órbita. 27. (Unesp 2003) No modelo clássico do átomo de hidrogênio, do físico dinamarquês Niels Bohr, um elétron gira em torno de um próton com uma velocidade constante de 2 × 10§ m/s e em uma órbita circular de raio igual a 5 × 10-¢¢ m. Se o elétron possui massa 9 × 10-¤¢ kg, a força centrípeta sobre ele é de a) 7,2 × 10-¢¥ N. b) 3,6 × 10-¢¥ N. c) 8,0 × 10-¢¡ N. d) 7,2 × 10-© N. e) 3,6 × 10-© N. 28. (Unifesp 2003) Antes de Newton expor sua teoria sobre a força da gravidade, defensores da teoria de que a Terra se encontrava imóvel no centro do Universo alegavam que, se a Terra possuísse movimento de rotação, sua velocidade deveria ser muito alta e, nesse caso, os objetos sobre ela deveriam ser arremessados para fora de sua superfície, a menos que uma força muito grande os mantivesse ligados à Terra. Considerando o raio da Terra de 7 × 10§ m, o seu período de rotação de 9 × 10¥ s e ™£ = 10, a força mínima capaz de manter um corpo de massa 90kg em repouso sobre a superfície da Terra, num ponto sobre a linha do Equador, vale, aproximadamente, a) 3 N. b) 10 N. c) 120 N. d) 450 N. e) 900 N. www.aulaparticularrj.com * [email protected] Colégio: ________________________________________________________________________ Professor: ____________________ Turma: ___________________ Turno: __________________ Aluno: _________________________________________________ n____ Data: ___/___/______ 29. (Unifesp 2007) A trajetória de uma partícula, representada na figura, é um arco de circunferência de raio r = 2,0 m, percorrido com velocidade de módulo constante, v = 3,0 m/s. O módulo da aceleração vetorial dessa partícula nesse trecho, em m/s£, é a) zero. b) 1,5. c) 3,0. d) 4,5. e) impossível de ser calculado. 30. (Ueg 2006) A figura a seguir mostra uma partícula de massa m que é mantida inicialmente em repouso na posição A, por meio de dois fios leves AC e AD. O fio horizontal AC é cortado e a bola começa a oscilar como um pêndulo de comprimento L. O ponto B é o ponto mais afastado do lado direito da trajetória das oscilações. Desprezando todos os tipos de atrito, julgue a validade das afirmações a seguir. I. A razão entre a tensão do fio na posição B e a tensão do fio na posição A, antes de o fio horizontal ser cortado, é sec£š. II. A velocidade da esfera ao passar pelo ponto mais baixo da trajetória vale Ë[2Lg(1 - cosš)]. III. A aceleração da partícula no ponto B é máxima. Assinale a alternativa CORRETA: a) Apenas as afirmações I e II são verdadeiras. b) Apenas as afirmações I e III são verdadeiras. c) Apenas as afirmações II e III são verdadeiras. d) Todas as afirmações são verdadeiras. www.aulaparticularrj.com * [email protected] Colégio: ________________________________________________________________________ Professor: ____________________ Turma: ___________________ Turno: __________________ Aluno: _________________________________________________ n____ Data: ___/___/______ GABARITO 1. Na horizontal N.senš = m.v£/R Na vertical N.cosš = mg Dividindo a primeira expressão pela segunda: tgš = v£/(Rg) = 1600/3200 = 0,5 2. a) 2,5.Mg b) K = 2 c) 2,5 Hz 3. Uma esfera de massa 1,2 kg, presa a uma mola de 1,0 m de comprimento e constante elástica 25N/m, descreve uma trajetória circular num plano horizontal sobre uma mesa perfeitamente polida, como mostra a figura. Determine a energia mecânica, em relação à mesa, associada ao sistema massa-mola nas condições citadas. E(mecânica) = E(cinética) + E(elástica) E = m.v£/2 + k.x£/2 E = Rkx/2 + k.x£/2 E = 1,2.25.0,2/2 + 25.(0,2)£/2 E = 3 + 0,5 = 3.5 J 4. 30.0,1,H + 30,01,H = 0,1.Ÿ£.0,6.H 30 + 30 = Ÿ£.0,6 60 = Ÿ£.0,6 60/0,6 = Ÿ£ Ÿ£ = 100 Ÿ = 10 rad/s 5. Aplicando o teorema de Pitágoras no triângulo OxP temos: x£ + y£ = r£; de onde vem (x/y)£ + 1 = (r/y)£; que vamos chamar de equação 1. No ponto P o corpo está realizando um movimento circular onde a força de reação da pista sobre a partícula é nula e desta forma a componente radial da força peso será a resultante centrípeta, ou seja, P.sen ‘ = m.v£/r, onde sen ‘ = y/r e P = mg. Desta forma mgy/r = m.v£/r então r/y = rg/v£, que vamos chamar de equação 2. Da conservação da energia mecânica entre o ponto inicial e o ponto P: m.v³£/2 + m.g.h = m.v£/2 + m.g.y v³£ + 2.g.h = v£ + 2.g.y ë v£/r = v³£/r + 2gh/r - 2gy/r. Substituindo esta última expressão na equação 2, temos: r/y = 3gr/(v³£ + 2gh). Substituindo esta expressão na equação 1: (x/y)£ + 1 = [3gr/(v³£ + 2gh)]£ (x/y)£ + 1 = 9g£r£/(v³£ + 2gh)£ (x/y)£ = [9g£r£/(v³£ + 2gh)£] - 1 (x/y) = {[9g£r£/(v³£ + 2gh)£] - 1} 6. a) 6 m/s b) 100 N 7. Combinando as equações, V³£ = 2gR+2gR = 4gR ou V³ = 2ËgR. 8. Aplicando o princípio fundamental da dinâmica, F(resultante) = massa.aceleração, considerando que o movimento da caixa é circular, tem-se: Tcosš = mg e Tsenš = (mv£)/R, onde T é a tensão no fio, š é o ângulo que o fio faz com a vertical, v é a velocidade da caixa (igual à do ônibus) e R é o raio da trajetória. Da primeira equação, obtem-se: cosš = (mg)/T = (6 × 10)/65 = 12/13, de onde senš = Ë[1 (12/13)£] = 5/13. A velocidade vetorial « é tangente à trajetória e tem o sentido do movimento. A aceleração centrípeta é dirigida para o centro da trajetória e tem direção radial. b) V = (Ë1,5GM)/R 14. a) v = Ë[(kq£)/(mR)] b) T = 2™ Ë[(mR¤)/(kq£)] c) E = -1/2 [(kq£)/R] d) E = -1/2 . [(mk£q¥)/h£] . 1/n£ e) f = 1/2™ . [(mk£q¥)/n¤h¤] 15. [A] 16. [C] 17. [D] 18. [D] 19. [A] 20. [C] 21. [E] 22. [E] 23. [B] 24. 09 ==> AS CORRETAS SÃO 08 E 01. 25. [C] 26. [E] 27. [D] 28. [A] 29. [D] 30. [D] Usando, então, a segunda equação, chegamos a R = (mv)£/(Tsenš) = (6×20£×13)/(65×5) = 96m. 9. 3000 N. 10. a) Fc = mŸ£R b) ˜e = Ÿ£R/g 11. a) Ÿ=Ë(g/R) b) m.g.((R-h)/R) 12. a) o sentido anti-horário (vide figura no problema) e o módulo Mg/(kv) b) v.Ë(2h/g) 13. a) www.aulaparticularrj.com * [email protected]