FÍSICA PRÉ-VESTIBULAR LIVRO DO PROFESSOR Esse material é parte integrante do Aulas Particulares on-line do IESDE BRASIL S/A, mais informações www.aulasparticularesiesde.com.br © 2006-2008 – IESDE Brasil S.A. É proibida a reprodução, mesmo parcial, por qualquer processo, sem autorização por escrito dos autores e do detentor dos direitos autorais. I229 IESDE Brasil S.A. / Pré-vestibular / IESDE Brasil S.A. — Curitiba : IESDE Brasil S.A., 2008. [Livro do Professor] 732 p. ISBN: 978-85-387-0576-5 1. Pré-vestibular. 2. Educação. 3. Estudo e Ensino. I. Título. CDD 370.71 Disciplinas Autores Língua Portuguesa Literatura Matemática Física Química Biologia História Geografia Francis Madeira da S. Sales Márcio F. Santiago Calixto Rita de Fátima Bezerra Fábio D’Ávila Danton Pedro dos Santos Feres Fares Haroldo Costa Silva Filho Jayme Andrade Neto Renato Caldas Madeira Rodrigo Piracicaba Costa Cleber Ribeiro Marco Antonio Noronha Vitor M. Saquette Edson Costa P. da Cruz Fernanda Barbosa Fernando Pimentel Hélio Apostolo Rogério Fernandes Jefferson dos Santos da Silva Marcelo Piccinini Rafael F. de Menezes Rogério de Sousa Gonçalves Vanessa Silva Duarte A. R. Vieira Enilson F. Venâncio Felipe Silveira de Souza Fernando Mousquer Produção Projeto e Desenvolvimento Pedagógico Esse material é parte integrante do Aulas Particulares on-line do IESDE BRASIL S/A, mais informações www.aulasparticularesiesde.com.br Esse material é parte integrante do Aulas Particulares on-line do IESDE BRASIL S/A, mais informações www.aulasparticularesiesde.com.br Esse material é parte integrante do Aulas Particulares on-line do IESDE BRASIL S/A, mais informações www.aulasparticularesiesde.com.br Tópicos de cinemática vetorial: vetor posição, deslocamento e aceleração Algumas grandezas físicas, para que fiquem completamente definidas, necessitam, além de um número e de uma unidade de medida, informações referentes a direção e sentido. Essas grandezas são chamadas de vetoriais e são representadas por entes matemáticos conhecidos por vetores. Teremos neste tópico uma rápida introdução ao estudo dos vetores. Grandezas escalares EM_V_FIS_004 Certas grandezas físicas como comprimento, massa, tempo, temperatura, área, volume e outras, ficam perfeitamente definidas por um número (intensidade ou módulo) e uma unidade de medida. Essas grandezas são denominadas grandezas escalares. Quando, por exemplo, dizemos que o comprimento de nossa rua é de 35m, conseguimos transmitir uma ideia completa a quem nos ouve; nada mais há o que indagar, pois foram fornecidos um número, que é o módulo ou intensidade da grandeza comprimento (35) e uma unidade de medida (metro). Grandezas vetoriais Quando alguém se desloca de uma posição para outra, não basta dizer que percorreu, por exemplo, 50m. Para que a ideia fique completa, há necessidade de se especificar além do módulo (50) e da unidade de comprimento (m) também a direção e o sentido em que o deslocamento se realizou. Quando um corpo sofre um deslocamento de uma posição A para uma posição B, essa mudança de posição é definida pelo segmento orientado AB, que une a posição inicial A à posição final B, como mostra a figura a seguir: — Módulo: AB = 50m Direção: 20° com a horizontal Sentido: de A para B As grandezas que, para ficarem completamente caracterizadas, necessitam que especifiquemos módulo, direção e sentido são chamadas grandezas vetoriais (velocidade, aceleração, força etc.). Para representá-las usamos um ente matemático chamado vetor. Vetor: conceito e notação Dois segmentos orientados que têm módulos, direções e sentidos iguais são chamados equipolentes. Ao conjunto dos infinitos segmentos equipolentes a um dado segmento orientado AB chamamos vetor AB e representamos por AB, como ilustrado na figura: Esse material é parte integrante do Aulas Particulares on-line do IESDE BRASIL S/A, mais informações www.aulasparticularesiesde.com.br 1 Operações com vetores Multiplicação por um número ou escalar → Ao se multiplicar um vetor a por um escalar → (número) n, obtém-se um vetor na de módulo igual → ao produto dos módulos, de direção igual à de a e de sentido ou igual (se n>0), ou contrário (se n<0) → ao de a ; ou seja: Soma de vetores Há dois processos gráficos para somarmos vetores: a Regra do Paralelogramo e a Regra do Polígono. Regra do Paralelogramo Seja a soma dos vetores abaixo: 2.º passo: Para calcular o módulo S do vetor soma, basta aplicar a lei dos cossenos ao triângulo da direita na figura acima, observando que, nesse triângulo, o lado tracejado tem medida igual ao mó→ dulo de a, que vale a = 3, pois o quadrilátero é um paralelogramo e, como tal, são iguais os lados opostos; ainda, por serem os ângulos e suplementares, tem-se –cos = cos . Daí: S2= a2+b2 – 2ab. cos S2= a2+b2 + 2ab. cos Substituindo os valores dos módulos dos vetores da figura acima, e admitindo ainda ser = 120°, vem: S2=32 + 42 + 2 (3)(4) cos 120° S2=9 + 16 + 2 (3)(4)(-1/2) = 25 – 12 = 13 S = 13 3,61 Regra do Polígono A vantagem dessa regra sobre a do paralelogramo é a potencialidade de somar simultaneamente vários vetores (Para mais de dois vetores, a regra do paralelogramo impõe que sejam somados dois primeiramente; o vetor soma obtido deve ser somado com um dos demais, e assim sucessivamente). A regra consiste em desenhar um representante do 1.º vetor e, pela extremidade deste, desenhar um representante do próximo vetor a somar, e assim por diante. O vetor soma (ou vetor resultante) é obtido ligando-se a origem do primeiro dos representantes com a extremidade do último. O vetor resultante, assim, completará uma poligonal fechada, “fechando” o polígono, o que deu nome à regra (regra do polígono). Retornando ainda à figura, vê-se que, no caso de dois vetores, as duas regras se equivalem (observando o triângulo da esquerda, o lado tracejado pode ser → visto como representante de b. Veja agora como aplicar a regra a vários vetores: b 2 Esse material é parte integrante do Aulas Particulares on-line do IESDE BRASIL S/A, mais informações www.aulasparticularesiesde.com.br EM_V_FIS_004 → Chamando de v este conjunto infinito, pode-se escrever que o vetor v é o conjunto de todos os segmentos XY, tais que XY seja equipolente ao segmento AB; ou seja: → → v = AB = {XY/XY e qAB} → Dessa forma, um mesmo v determina infinitos segmentos orientados, chamados representantes de → v e todos equipolentes entre si. Na prática, no entanto, embora lidando em realidade com representantes de vetores, usa-se indiscriminadamente o nome vetor para cada um desses representantes. → O v é caracterizado pelos mesmos módulo, direção e sentido dos infinitos segmentos orientados equipolentes entre si e por ele representados. 1.º passo: Considerar dois outros representantes dos vetores dados que tenham origem comum. Pela extremidade de cada um traçar uma paralela ao outro, de modo a formar um paralelogramo. O vetor soma está na diagonal que passa na origem comum, que é também a origem do vetor soma, como ilustrado na figura abaixo: Pela extremidade de cada vetor, trace o seguinte. Para obter a resultante, ligue a primeira origem com a última extremidade. Não há fórmula para calcular o módulo do vetor resultante. Diferença de vetores a ser somado. O representante do vetor resultante é aquele obtido ligando a primeira origem à última extremidade. Se a extremidade do último coincidir com a origem do primeiro, o módulo do vetor resul→ tante valerá zero. Nesse caso, o vetor resultante R é o vetor nulo (módulo zero e direção indeterminada) → → e podemos escrever R = O. Na situação considerada de ser nulo o vetor resultante e se forem somente três os vetores a somar, a regra do polígono nos conduzirá a um triângulo, como mostrado na figura. Para subtrair dois vetores, soma-se o vetor minuendo ao vetor subtraendo multiplicado por –1. Note o exemplo, em que se deseja encontrar o vetor → → → D= a– b: Pela lei dos senos, os lados de um triângulo são proporcionais aos senos dos ângulos opostos. Daí vem o teorema de Lammy: → → Somando os vetores a e – b pela regra do paralelogramo, obtém-se o representante em preto do → vetor D. Ocorre, entretanto, que em vermelho tem-se outro representante do mesmo vetor, em consequência da congruência dos triângulos retângulos da figura. Isso nos permite enunciar a seguinte regra prática para subtrair dois vetores: •• Considerar dois outros representantes dos vetores dados que tenham origem comum. •• O vetor diferença é obtido ligando as extremidades desses representantes, e aponta para o representante do vetor minuendo. O cálculo do módulo D do vetor diferença é aplicação direta da lei dos cossenos. Na figura, considerando o triângulo retângulo de hipotenusa na cor vermelha, essa lei nos permite escrever: → → → → → R =a +b +c =O a sen = b = c sen sen Trajetória Trajetória é o caminho descrito por um corpo móvel. É importante sabermos determinar a qualquer instante a posição do corpo em sua trajetória, para o quê se impõe nela estipularmos um ponto fixo para origem de contagem das distâncias, adotarmos uma unidade de comprimento e convencionarmos um sentido como sendo positivo. O ponto fixo é chamado origem da trajetória e o sentido positivo é indicado por uma seta; o sentido oposto ao indicado pela seta é negativo. Ainda, as trajetórias podem ser retilíneas ou curvilíneas. D2=a2+b2 – 2ab cos Na fórmula acima, se = 90°, vem cos = 0 e a fórmula da diferença recai no teorema de Pitágoras. Na figura, sendo =90°, vem: D2=32+42 – 2(3)(4)(0) = 25 e D = 5 EM_V_FIS_004 Teorema de Lammy Relembrando: quando somamos vetores pela regra do polígono, desenhamos o representante de um deles e, por sua extremidade, o representante de outro, e assim sucessivamente até o último vetor A posição do corpo, em certo instante, fica determinada por sua distância s, à origem da trajetória e medida sobre esta. Como visto no estudo da cinemática escalar, a forma da trajetória depende do referencial. Por exemplo, se você está viajando num trem e olha uma lâmpada no teto do mesmo, para você ela está em repouso Esse material é parte integrante do Aulas Particulares on-line do IESDE BRASIL S/A, mais informações www.aulasparticularesiesde.com.br 3 mas para um observador que a avista da plataforma ela se move com a mesma velocidade do trem. Vetor posição do corpo móvel A origem do sistema de referência mudou de O1 para O2 e o vetor r não se alterou. •• Sendo | s| o módulo da variação de posição escalar, aquela medida sobre a trajetória, e | r | o módulo do vetor deslocamento, temse que | r | | s|, prevalecendo o sinal de igualdade quando a trajetória é retilínea, como esclarece a figura a seguir: Um vetor iniciando na origem de um sistema de referência e com extremidade no corpo móvel determina univocamente a trajetória e as sucessivas posições do corpo. A esse vetor dá-se o nome de posição. Velocidade vetorial média A velocidade vetorial média, que representaremos por Vm , é conceituada como : Vetor posição Vm = Vetor deslocamento Também chamado vetor variação de posição, o vetor deslocamento referente a um intervalo de tempo t= t2 – t1 é obtido ligando a posição inicial s1 à posição final s2, como ilustrado na figura: r t Considerando que t é positivo, resulta que a velocidade vetorial média é colinear com o vetor variação de posição, tendo o mesmo sentido, como mostrado na figura a seguir: ∆s vm r : Vetor deslocamento r = r2 – r1 •• O vetor r independe da origem do sistema de referência, como mostrado na figura. vr É importante não confundir velocidade escalar média com velocidade vetorial média. Na figura ao lado, a velocidade escalar média é o quociente entre a variação de posição escalar s e o intervalo de tempo necessário para que o corpo móvel a realize sobre o arco da curva. A velocidade vetorial instantânea v , ou simplesmente velocidade vetorial, é o limite da velocidade 4 Esse material é parte integrante do Aulas Particulares on-line do IESDE BRASIL S/A, mais informações www.aulasparticularesiesde.com.br EM_V_FIS_004 Velocidade vetorial instantânea vetorial média quando o intervalo de tempo t tende a zero, conforme ilustrado na figura a seguir: at t v aN a N vm ∆r a = at+ aN at = |a|escalar 2 aN = v (*) R Note que o vetor velocidade é sempre tangente à trajetória e é voltado para o sentido em que se desloca o corpo móvel na trajetória. Vetor aceleração média (am) O vetor aceleração média é a variação do vetor velocidade na unidade de tempo; ou seja, am = v t = conforme mostra a figura a seguir: v1 v2 V2 – 1. (Unifesp-adap.) Sendo u a unidade de medida do módulo desses vetores, calcule o módulo do vetor a –w + v. V1 v2 am ∆v - v1 O vetor aceleração média tem a direção e o sentido do vetor variação de velocidade e seu módulo vale o módulo deste dividido por t. EM_V_FIS_004 Vetor aceleração instantânea ( a ) O vetor aceleração instantânea é o limite para o qual tende o vetor aceleração média quando o intervav lo de tempo tende a zero: a =lim . Esse vetor não t 0 t tem direção fixa; sua direção depende do particular movimento do corpo móvel. Normalmente, costumamos decompô-lo em duas componentes ortogonais: uma tangente à trajetória e outra normal a esta e voltada para o centro de curvatura da trajetória. A componente tangencial descreve as variações da velocidade em módulo. Tem o sentido do movimento se este é acelerado e sentido oposto se é retardado. Seu módulo é igual ao módulo da aceleração escalar. A componente normal, também chamada aceleração centrípeta, descreve as variações da velocidade em direção. `` Solução: Quando operamos vetores, um método para determinarmos o vetor resultante R consiste em calcularmos as componentes deste segundo, os eixos coordenados. Determinadas tais componentes (Rx , Ry ) basta fazer R = Rx + Ry . O teorema de Pitágoras nos permite então 2 2 2 calcular o módulo do vetor resultante: R = Rx + Ry . Este método das componentes é uma aplicação do conhecido teorema de Carnot: “A projeção da resultante sobre um eixo é a soma algébrica das projeções das componentes sobre o mesmo eixo”. Na figura, note que a + b + c = R . As projeções sobre o eixo x estão nas mesmas cores e se tem ax + bx + cx = Rx Indo agora à resolução de nosso exercício, por observação da figura do enunciado, tem-se: Esse material é parte integrante do Aulas Particulares on-line do IESDE BRASIL S/A, mais informações www.aulasparticularesiesde.com.br 5 cos –2 Rx= ax+ (– wx) + vx = +2 – 2 + 0 = 0 =V v e v1= v cos 3. (UNESP - adap.) Um caminhoneiro efetuou duas entregas de mercadorias e, para isso, seguiu o itinerário indicado pelos vetores deslocamentos d1 e d2 ilustrados na figura. Ry = ay + (– wy) + vy = + 2 – 2 – 2 = –2 O vetor resultante é vertical para baixo e tem módulo 2. 2. (UERJ-adap.) No Código de Trânsito Brasileiro são considerados os seguintes tipos de vias urbanas: trânsito rápido, arteriais, coletoras e locais. Nessas vias, as velocidades máximas permitidas são, respectivamente, 80km/h, 60km/h, 40km/h e 30km/h. Para coibir transgressões ao dispositivo legal, são utilizados equipamentos ópticos-eletrônicos, popularmente conhecidos como pardais, para fotografar veículos que superam um determinado limite estabelecido V de velocidade. Em um trecho retilíneo de uma estrada, um pardal é colocado formando um ângulo com a direção da velocidade do carro, como indica a figura a seguir. Para a primeira entrega, ele se deslocou 10km e para a segunda entrega, percorreu uma distância de 6km: Calcule a distância a que o caminhoneiro se encontra do ponto de partida ao final da segunda entrega. `` Solução: A distância requerida é o módulo do vetor deslocamento, aquele ligando a posição inicial à posição final. Esse vetor, pela regra do polígono, é a soma vetorial R dos vetores da figura. Usaremos o método da decomposição, aplicando o teorema de Carnot e chamando o primeiro vetor de A e o segundo de B . •• AX = 0 ; AY = –10 •• BX = 6 cos 30° = 3 Suponha que o pardal tenha sido calibrado para registrar velocidades superiores a V, quando o ângulo = 0°. A velocidade v do veículo que acarretará o registro da infração pelo pardal, com relação à velocidade padrão V, será de: a) V sen •• RX = AX + BX = 0 + 3 3 ; BY = 6 sen 30° = 3 3 =3 3 •• RY = AY + BY = –10 + 3 = –7 b) V cos c) V/ sen R2 = Rx2+ Ry2 `` R2 = (3 Solução: D Sendo V1 a nova velocidade máxima, acima da qual haverá registro de infração, deverá ter intensidade suficiente para projetar no eixo do equipamento o valor limite V que corresponde a = 0, como mostrado na figura. 6 3 )2 + (– 7)2 R2 = 27 + 49 =76 R = 2 19 Após a segunda entrega, a distância ao ponto inicial é de 2 19 km No triângulo retângulo da figura, tem-se que: Esse material é parte integrante do Aulas Particulares on-line do IESDE BRASIL S/A, mais informações www.aulasparticularesiesde.com.br EM_V_FIS_004 d) V/ cos OBS: Cabe aqui a observação de que as conclusões apressadas devem ser sempre descartadas e, mesmo quando há necessidade de rapidez, alguma análise deve ser feita. O aluno mais afoito logo veria um triângulo retângulo pitagórico quando traçasse o vetor resultante R e erraria a questão, atribuindo a R o valor 8. Em realidade, não se trata de um triângulo retângulo, como abaixo se vê: a) b) Se os vetores R e B fossem perpendiculares, viria que o ângulo entre os vetores A e R seria 30°, o que implicaria B = A . sen 30° = 10/2 = 5km; isso é absurdo, pois contraria a hipótese do enunciado de ser B = 6km. Daí, o triângulo não é retângulo. c) 4. (UFAL) Num estacionamento, um coelho se desloca, em sequência, 12m para o oeste, 8m para o norte e 6m para o leste. O deslocamento resultante tem módulo: d) a) 26m b) 14m c) 12m e) d) 10m e) 2m `` Solução: D Considerando o Norte ao alto desta página, o Sul na parte de baixo, o Leste à direita e o Oeste à esquerda, temos a seguinte trajetória para o coelho: `` Solução: B R2 = M 2 + M 2 – 2 . M . M . cos θ R2 = 2M 2 (1 + cos θ) = 4M2 cos2 (θ12) R = 2M |cos (θ12)|. Vejamos a correspondência entre os valores de R e θθ: •• θ = 0 rad EM_V_FIS_004 Na figura ao lado, determinando o vetor deslocamento pela regra do polígono, o triângulo retângulo mostrado é pitagórico e tem catetos 6m e 8m; daí, sua hipotenusa vale 10m, que é o módulo do vetor deslocamento r . 5. (UFC) M e N são vetores de módulos iguais (|M| = |N| = M). O vetor M é fixo e o vetor N pode girar em torno do ponto O (veja figura) no plano formado por M e N. Sendo R = M + N , indique, entre os gráficos a seguir, aquele que pode representar a variação de |R| como função do ângulo entre M e N. → R = 2M •• θ = ( /2) rad → •• θ = rad→ R = M √2 R=0 •• θ = (3 /2)rad→ R = M √2 •• θ = 2 rad→ R = 2M 6. (Unicamp-adap.) Satélites de comunicações são retransmissores de ondas eletromagnéticas. Eles são operados normalmente em órbitas cuja velocidade angular é igual à da Terra, de modo a permanecerem imóveis em relação às antenas transmissoras e receptoras. Esse material é parte integrante do Aulas Particulares on-line do IESDE BRASIL S/A, mais informações www.aulasparticularesiesde.com.br 7 Essas órbitas são chamadas de órbitas geoestacionárias. Dada a distância R entre o centro da Terra e o satélite, determine o módulo de seu vetor deslocamento entre 9h e 15h. `` c) 4,0 e 36 d) 2,0 e 29 e) 4,0 e 58 `` Solução: Solução: D 1. Como visto, o módulo da aceleração escalar iguala o módulo da aceleração tangencial. Como o vetor velocidade é tangente à trajetória, para encontrar o módulo da aceleração tangencial, basta projetar o vetor aceleração sobre o vetor velocidade. Daí: t = 15 – 9 = 6,0h Em 24h a Terra dá uma volta completa ao redor do próprio eixo, o que corresponde a um ângulo central de 2 radianos. Em 6,0h, portanto, é subentendido um ângulo central = /2 rad = 90° at = 4 cos 60° = 4 .1/2 = 2,0m/s2. Sendo r o raio da Terra (6400 km), a situação pode ser vista como na figura abaixo, para um observador situado em certa posição do espaço). 2. O módulo da aceleração centrípeta vale v2/R e, portanto, R = v2/acp. Para encontrar o módulo da aceleração normal ou centrípeta, basta projetar o vetor aceleração na direção perpendicular à do vetor v: 1 500h 3 =2 3 2 2 v2 3 Daí: R = = 10 = 50 29m 3 3 2 acp 8. (FEI) Uma automóvel realiza uma curva de raio 20m com velocidade constante de 72km/h. Qual é a sua aceleração, em m/s2, durante a curva? acp = a sen 60° = 4 . a) 0 Na figura, tem-se AC = r, AE = R. b) 5 BC é o lado do quadrado inscrito na circunferência de círculo de raio r; assim, tem-se: BC = r 2 . c) 10 d) 20 DE é o lado do quadrado inscrito na circunferência de círculo de raio R; assim, tem-se: DE = R 2 . A medida de DE é o módulo solicitado do vetor deslocamento. (Fatec) Num certo instante, estão representadas a aceleração e a velocidade vetoriais de uma partícula. Os módulos dessas grandezas estão também indicados na figura. Dados: sen 60° = 0,87 cos 60° = 0,50 `` Solução: D Sendo v = 72km/h = 20m/s constante, então é nula a componente tangencial da aceleração, que indica a variação em módulo da velocidade. Assim, só existe aceleração centrípeta, que caracteriza as alterações da velocidade em direção. Daí, tem-se: a = acp= v2/R = 202/20 = 20m/s2. 10m/s 60o 9. (Ufscar) Nos esquemas estão representados os vetores da velocidade e da aceleração do ponto material P. Assinale a alternativa em que o módulo da velocidade desse ponto material permanece constante. a) P 4,0m/s2 No instante considerado, o módulo da aceleração escalar, em m/s2, e o raio de curvatura, em metros, são, respectivamente: a) 3,5 e 25 8 b) 2,0 e 2,8 a v b) a P v a c) P v Esse material é parte integrante do Aulas Particulares on-line do IESDE BRASIL S/A, mais informações www.aulasparticularesiesde.com.br EM_V_FIS_004 7. e) 3,6 d) a e) P `` m v P v a v Solução: C Se o módulo da velocidade permanece constante, então é nula a aceleração tangencial e, para que isso ocorra, o vetor aceleração tem de ser perpendicular à tangente e à trajetória no ponto considerado e, portanto, perpendicular também ao vetor velocidade. M Considerando a Terra como referencial na situação descrita, assinale a(s) proposição(ões) correta(s): (01) O satélite sofre a ação da força gravitacional exercida pela Terra, de módulo igual a Fg = G Mm/ R2, onde G é a constante de gravitação universal, M é a massa da Terra e R o raio da órbita do satélite. 10. Aproveitando a oportunidade, classifique os movimentos correspondentes às alternativas apresentadas no exercício anterior. `` Solução: (02) Para um observador na Terra, o satélite não possui aceleração. Para resolver esse exercício, você deve proceder da seguinte forma: (04) A força centrípeta sobre o satélite é igual à força gravitacional que a Terra exerce sobre ele. • Imagine dois eixos perpendiculares entre si no ponto considerado: um tangente à trajetória no ponto considerado, o outro perpendicular a este. (08) A força exercida pelo satélite sobre a Terra tem intensidade menor do que aquela que a Terra exerce sobre o satélite; tanto que é o satélite que orbita em torno da Terra e não o contrário. • Sobre esses eixos, projete o vetor aceleração, obtendo as componentes tangencial e normal desta, respectivamente. (16) A aceleração resultante sobre o satélite independe da sua massa e é igual a G M/R2, onde G é a constante de gravitação universal e M é a massa da Terra. • O vetor aceleração aponta sempre para a parte côncava da trajetória, pois a direção dele passa pelo centro de curvatura. (32) A aceleração resultante sobre o satélite tem a mesma direção e sentido da força gravitacional que atua sobre ele. • Se o vetor aceleração está voltado para o sentido do movimento, a componente tangencial tem o mesmo sentido da velocidade e o movimento é acelerado. • Se o vetor aceleração está voltado para o sentido contrário ao do movimento, a componente tangencial tem sentido oposto ao da velocidade e o movimento é retardado. • Se o vetor aceleração é colinear com o vetor velocidade, trata-se de movimento retilíneo. a) Movimento curvilíneo acelerado, concavidade para cima. b)Movimento curvilíneo retardado, concavidade para cima. c) Movimento circular uniforme, concavidade para cima. d)Movimento retilíneo retardado. EM_V_FIS_004 e) Movimento retilíneo acelerado. 11. (UFSC-adap.) Um satélite artificial, de massa m, descreve uma órbita circular de raio R em torno da Terra, com velocidade orbital v de módulo constante, conforme representado esquematicamente na figura. (Desprezam-se interações da Terra e do satélite com outros corpos) R `` Solução: Soma: 53 (01) De acordo com a Lei da Atração Gravitacional, de Newton, da qual trataremos em aula futura, a matéria atrai a matéria na razão direta das massas e na razão inversa do quadrado das distâncias. Assim, dois corpos de massas M e m, separados por uma distância R, sofrem a ação de uma força de atração mútua de módulo Fg=GMm/R2, onde G é a constante de gravitação universal. A proposição, portanto, está correta. (02) O satélite executa movimento circular uniforme; assim, possui aceleração centrípeta acp=v2/R. A proposição, portanto, está errada. (04) A proposição está correta. O único agente capaz de exercer uma força sobre o satélite é a Terra e essa força é a de atração gravitacional, de acordo com o que se viu no item (01). Essa força, sempre voltada para o centro de curvatura da trajetória, impede que o satélite saia pela tangente, devido à inércia de sua massa; essa é, pois, a força centrípeta, que é igual ao produto da massa do satélite pela aceleração centrípeta. Esse material é parte integrante do Aulas Particulares on-line do IESDE BRASIL S/A, mais informações www.aulasparticularesiesde.com.br 9 Obs.: Por oportunas, cabem aqui algumas considerações: 3. (Cesgranrio) Na figura OP = 18, as coordenadas (x,y) do ponto P, indicado, são: •• Pelo exposto, tem-se Fg = Fcp ou GMm/R2 = macp, donde se vê que a aceleração centrípeta tem a expressão GM/R2. •• E mais: a força de atração gravitacional é também a força com que o satélite é atraído para o centro da Terra; representa, portanto, também o peso do satélite em órbita. Daí, vem que Fg = Peso = m . g’, onde g’ é a aceleração da gravidade na altura da órbita. Em consequência disso, vem que g’=GM/R2=acp . (08) Pela 3.ª Lei de Newton (Princípio da Ação e da Reação), que será visto em aula futura, quando um corpo exerce sobre outro uma força, este reage, exercendo sobre o primeiro uma força igual e em sentido contrário. Daí, a força com que a Terra atrai o satélite tem módulo igual ao daquela com que o satélite atrai a Terra. A proposição, portanto, está errada. 4. (Cesgranrio) Decompomos um vetor de módulo 13 em dois outros ortogonais, sendo que um deles tem módulo 12. O módulo do outro será: a) 5 b) 1 c) 25 d) 4 e) 8 5. Desejamos decompor um vetor de módulo 50 em dois outros ortogonais de módulos iguais. Determine o módulo desses vetores. (16) Já se viu no item (04) que acp= g’= GM/R2. Assim, independe da massa do satélite. A proposição, portanto, está correta. 6. (Mackenzie) A resultante de dois vetores perpendiculares entre si tem módulo igual 20 . Sabendo que o módulo de um dos vetores é o dobro do outro, calcule os módulos dos dois vetores. (32) Correto. Já se viu no item (04) que Fg=macp. 7. As proposições corretas, portanto, são as de numerações 01, 04, 16 e 32, que totalizam 53. (UFPI) A resultante dos vetore v 1 e v 2 é mais bem representada por: 1. Uma grandeza física vetorial fica perfeitamente definida quando dela se conhece: b) valor numérico, unidade e direção. c) direção, unidade e sentido. d) valor numérico, unidade, direção e sentido. 2. (Cesgranrio) Das grandezas físicas apresentadas nas opções abaixo, assinale aquela de natureza vetorial. a) Pressão. b) Força eletromotriz. c) Corrente elétrica. d) Campo elétrico. e) Trabalho. 8. (Feso) Dentre as alternativas a seguir, assinale aquela em que todas as grandezas físicas relacionadas são de natureza vetorial: a) velocidade, aceleração e energia potencial. b) posição, impulso e potência. c) aceleração, força e trabalho. d) velocidade, quantidade de movimento e energia cinética. e) força, quantidade de movimento e impulso. 9. Uma bola é arremessada com velocidade de 20m/s, segundo um ângulo de 37O com a horizontal. Determinar as componentes da velocidade na horizontal (vx) e na vertical (vy). Dados: cos 37° = 0,8 10 sen 37° = 0,6 Esse material é parte integrante do Aulas Particulares on-line do IESDE BRASIL S/A, mais informações www.aulasparticularesiesde.com.br EM_V_FIS_004 a) valor numérico, direção e unidade. 10. Dados os vetores, determinar a expressão cartesiana de: 14. (PUC-Rio) Um carro se desloca 200m para o nordeste e 200m para noroeste. Determine a distância final em que se encontra o carro em relação ao ponto de partida. a) 400m b) 200m c) 200 2 m d) 100 2 m a) 2 a + b - c e) 400 2 m b) a - 3 b + 2 c 11. Uma partícula descreve a trajetória da figura abaixo. 15. Quando um atleta percorre metade de uma pista de corrida circular de raio igual a 400m, sofre um deslocamento vetorial de: a) 800πm b) 400πm c) 200πm d) 400m O vetor que pode representar o deslocamento entre os pontos A e B: a) b) e) 800m 16. O comprimento do ponteiro dos segundos de um relógio é igual a 10cm. Considere um ponto M em sua extremidade, sabendo-se que esse ponto deslocou-se do número 12 ao 6 do relógio, determine: a) O deslocamento escalar c) b) O módulo do deslocamento vetorial. 17. (Osec) Um móvel percorre uma trajetória circular de 1,00m de raio com velocidade escalar constante. Após 1/4 de volta, o vetor deslocamento do móvel tem módulo aproximadamente igual a: d) e) 12. Um veículo se desloca 190km para o Norte, depois 50km para o leste e finalmente 70km para o Sul. a) 1,00m Determinar o módulo do deslocamento vetorial. 13. Dado o gráfico cartesiano abaixo, represente: c) 6,28m b) 1,41m d) 3,14m e) 0,252m 18. Um corpo é lançado verticalmente para cima com velocidade inicial de 20m/s. Desprezando-se a resistência do ar e sendo g = 10m/s2, determinar: a) O deslocamento escalar entre os instantes em que ele é lançado e que ele volta a passar pelo mesmo ponto. b) O deslocamento vetorial. EM_V_FIS_004 a) o vetor posição rA → (2,5); b) o vetor posição rB → (5,8); c) o vetor deslocamento ∆ rAB. 19. (PUC-SP) Se a velocidade vetorial de um ponto material é constante e não-nula, sua trajetória: a) é uma parábola. b) pode ser retilínea, mas não necessariamente. c) deve ser retilínea. Esse material é parte integrante do Aulas Particulares on-line do IESDE BRASIL S/A, mais informações www.aulasparticularesiesde.com.br 11 d) é uma circunferência. e) pode ser uma curva qualquer. 20. (FEI-SP) Sabendo-se que a aceleração total (resultante) de um móvel é nula, pode-se afirmar que: a) sua velocidade é nula. e) v a 23. (FEI-SP) Uma partícula descreve uma circunferência com movimento uniforme. Pode-se concluir que: b) seu movimento é circular e uniforme. a) sua velocidade vetorial é constante. c) seu movimento é uniforme, qualquer que seja sua trajetória. b) sua aceleração tangencial é não-nula. d) seu movimento só pode ser retilíneo e uniforme. d) sua aceleração vetorial resultante é nula. e) nenhuma das anteriores é correta. e) suas acelerações tangencial e resultante são iguais em módulo. 21. (PUC-RS) As informações a seguir referem-se a um movimento retilíneo realizado por um objeto qualquer: I. A velocidade vetorial pode mudar de sentido. II. A velocidade vetorial tem sempre módulo constante. c) sua aceleração centrípeta tem módulo constante. 24. (UFMG) Um ventilador (veja figura) acaba de ser desligado e está parando vagarosamente no sentido horário. A direção e o sentido da aceleração da pá do ventilador no ponto P é: III. A velocidade vetorial tem direção constante. A alternativa que representa corretamente o movimento retilíneo é: a) I, II e III b) somente III c) somente II d) II e III e) somente I e III 22. (USS) Um corpo está com movimento uniforme, com sentido de (1) para (2). Quando ele passa pelo ponto A, o par de vetores, velocidade e aceleração representativo do movimento será: 25. (USS) Uma pista de corridas de kart é vista de cima, e no ponto P há um carro em movimento uniforme. a) v a v a c) d) 12 Qual das opções abaixo melhor representa a velocidade e a aceleração do carro no ponto P? Velocidade Aceleração a) I II v b) V II a=0 c) I III v d) V III e) III IV a Esse material é parte integrante do Aulas Particulares on-line do IESDE BRASIL S/A, mais informações www.aulasparticularesiesde.com.br EM_V_FIS_004 b) (Uerj) Dado o esquema responda as questões 26 e 27. I. a = 2 i + 3 j II. b = 2 j III. b + c = i Podemos afirmar que: a) I e II estão corretas. b) II e III estão corretas. c) I e III estão corretas. d) estão todas corretas. e) há apenas uma correta. 26. Suponha constante a desaceleração de um dos carros no trecho retilíneo entre as curvas Laranja e Laranjinha, nas quais ele atinge, respectivamente, as velocidades de 180km/h e 150km/h. O tempo decorrido entre as duas medidas de velocidade foi de 3 segundos. 2. (Mackenzie) Na figura abaixo estão representados cinco vetores de mesma origem e cujas extremidades estão sobre os vértices de um hexágono regular cujos lados medem k unidades. Calcule o módulo da resultante desses vetores. O módulo da desaceleração, em m/s 2, equivale, aproximadamente, a: a) 0 b) 1,4 c) 2,8 d) 10,0 27. A velocidade vetorial média de um carro de Fórmula 1, em uma volta completa do circuito, corresponde a: a) 2k b) 3k a) 0 c) 4k b) 24 d) 5k c) 191 e) 6k d) 240 28. O comprimento do ponteiro dos segundos de um relógio é igual a 10cm. Considere um ponto M em sua extremidade, sabendo-se que esse ponto deslocou-se do número 12 ao 6 do relógio, determinar: a) a velocidade escalar média, em cm/s; b) o módulo da velocidade vetorial média, em cm/s. 3. (PUC-SP) A soma de dois vetores, de módulos respec tivamente iguais a 12u e 16u, é igual a s . Podemos afirmar que: a) s = 20u b) s > 20u c) s = 28u d) 4u ≤ s ≤ 28u e) s < 20u EM_V_FIS_004 1. (Cesgranrio) No gráfico anexo estão representados três vetores a, b e c. Os vetores i e j são unitários. Analise as expressões: 4. Que ângulo devem fazer dois vetores, de mesmo módulo, para que a intensidade do vetor soma seja igual a de cada componente? Dado: cos θ = 2 1 + cosθ 2 5. (Cesgranrio) Na figura abaixo estão representados os vetores a , b e c e os versores i e j. Assinale a sentença errada: Esse material é parte integrante do Aulas Particulares on-line do IESDE BRASIL S/A, mais informações www.aulasparticularesiesde.com.br 13 nula. Se trocarmos os sentidos de dois deles, consecutivos, a resultante terá módulo de: a) 3 b) 6 c) 12 d) 6 2 a) b = 2 j b) a = 3 i c) c = 2 ( i + j ) d) c = a + b e) c = 2 2 e) 12 2 9. No diagrama abaixo temos b = 20u. Determine o módulo do vetor a . 6. (FOA) Para o sistema de vetores representado abaixo, a única igualdade correta é: 10. (Olimpíada Brasileira de Física) A figura mostra seis vetores a, b, c, d, e e f, que formam um hexágono. De acordo com a figura, podemos afirmar que: a) b) a + b + c = d c) a + b + c = -d d) a + b + c + d = 0 7. e) a - b + c - d = 0 (UFLA) Os vetores a, b e c , representados abaixo, têm resultante nula. Sabendo que: a) a + b + c + d + e + f = 6a b) a + b + c = - d – e – f c) a + b + c + d + e + f = 3a d) a + b + c = – d + e - f e) a + b + c = 0 b = 6 , podemos afirmar que os módulos de a e c valem respectivamente: a) 3 e 3 2 + 6 11. (UFCE) M e N são vetores de módulos iguais (M = N = M). O vetor M é fixo e o vetor N pode girar em torno do ponto O (veja figura) no plano formado por M e N . Sendo R = M + N , indique, entre os gráficos a seguir, aquele que pode representar a variação de |R| como função do ângulo θ entre M e N. 2 b) 6 e 2 2 3 c) 3 2 e 3 d) 6 e 3 8. Consideremos quatro vetores de módulos iguais a 6, tais que, ao se determinar a sua resultante pelo método do polígono, obteve-se um quadrado, dando resultante 14 Esse material é parte integrante do Aulas Particulares on-line do IESDE BRASIL S/A, mais informações www.aulasparticularesiesde.com.br EM_V_FIS_004 a) e) 3 e 3 2 b) d) e) 14. Uma partícula executa um movimento circular, no sentido indicado na figura. Sendo o raio da trajetória 7m, determinar o módulo de deslocamento vetorial entre: c) d) e) a) A e C. b) A e B. 12. (UFRN) A figura abaixo representa os deslocamentos de um móvel em várias etapas. Cada vetor tem módulo igual a 20m. A distância percorrida pelo móvel e o módulo do vetor deslocamento são, respectivamente: a) 20 5 m e 20 5 m b) 20 5 m e 40m c) 100m e 20 5 m d) 40m e 40 5 m e) 100m e 40 5 m 13. Na figura abaixo estão representados os vetores correspondentes à posição de uma partícula nos instantes t1 = 2,0s e t2 = 5,0s. 15. (UFRS) Um automóvel percorre uma estrada contida no plano XY, conforme a figura. Às 10 horas, esse automóvel encontra-se nas coordenadas (x1 , y1) = (2,2) e, às 10 horas e 30 minutos, nas coordenadas (x2 , y2) = (6,5). O módulo do vetor deslocamento, nesse intervalo de tempo, é: a) (2 + 3 )km b) 15,0km c) 7,0km d) 5,0km e) 2,5km 16. O inicial de uma partícula posição é igual a vetor r0 = 6 i – 8 j e o vetor posição final r = 10 i + 2 j . Determinar o vetor deslocamento. 17. (Fatec) Um ponto material movimenta-se a partir do ponto A sobre o diagrama anexo, da seguinte forma: 6 unidades (u) para o Sul; 4 u para o Leste e 3 u para o Norte. Qual dos vetores abaixo pode representar o vetor deslocamento, entre os instantes considerados. a) EM_V_FIS_004 b) c) Esse material é parte integrante do Aulas Particulares on-line do IESDE BRASIL S/A, mais informações www.aulasparticularesiesde.com.br 15 O módulo do deslocamento vetorial desse móvel foi de: a) 13u b) 5u d) 40cm e) 50cm 21. Uma partícula em movimento tem uma trajetória que descreve um hexágono regular (ABCDEF) de lado igual a 12m. Partindo do ponto A, determinar quando ela passa no ponto D: c) 7u d) 3u e) 1u a) A distância percorrida. 18. Um carro percorre um arco de 60º de uma circunferência de raio igual a 1 000m. Calcular o módulo do deslocamento vetorial. 19. Em uma cidade os quarteirões são retângulos de 800m × 600m. Uma pessoa caminhando vai da esquina A até a esquina B, conforme a figura acima, com velocidade de 2m/s. Determinar: a) O tempo que levou no percurso. b) O deslocamento vetorial. 20. (FCMSC) Uma partícula se move em um plano, em relação a um sistema de eixos cartesianos fixos, sendo x e y as coordenadas de sua posição; os gráficos a seguir nos dão x e y em função do tempo t. b) O deslocamento vetorial. 22. Duas partículas A e B descrevem uma trajetória sobre os lados de um pentágono regular de lado igual a 50cm, partindo do mesmo vértice. A partícula A percorre 3 lados com aceleração de módulo constante, em sentido horário, e a partícula B percorre 2 lados no sentido anti-horário com velocidade constante, no mesmo intervalo de tempo. Sendo o deslocamento vetorial da partícula A ∆rA e o da partícula B ∆rB, comparar ∆rA com ∆rB; isto é, se ∆rA > ∆rB, ∆rA = ∆rB ou ∆rA < ∆rB. Justifique sua resposta. 23. (EN) O inglês Robin Johnston ganhou a primeira regata volta ao mundo, retornando ao porto de partida, percorrendo 3,00 . 104 milhas em 313 dias. Sabendo que 1 milha tem aproximadamente 1,85km, a velocidade escalar média e a velocidade vetorial média são, respectivamente, em km/h: a) zero e 7,39 b) 7,39 e zero c) 7,39 e 427 d) 427 e 7,39 24. (UFRRJ) Um motorista percorre, num movimento retilíneo, 32km em 30min. Para 1 hora para almoçar e retorna, fazendo 70km em 30min. Nessas duas horas, a velocidade vetorial média do motorista é de: a) 20km/h b) 19km/h c) 44km/h d) 56km/h e) 60km/h b) 20cm c) 30cm 16 a) 2,0 e 2,0 b) 2,0 e 4,0 c) 4,0 e 2,0 Esse material é parte integrante do Aulas Particulares on-line do IESDE BRASIL S/A, mais informações www.aulasparticularesiesde.com.br EM_V_FIS_004 Dentre os valores a seguir o que mais se aproxima do módulo do vetor deslocamento do móvel entre os instantes t = 2,0s e t = 9,0s é: a) 10cm 25. (FOA-RJ) Um móvel parte do repouso com uma aceleração escalar constante de 2,0m/s2 e percorre uma trajetória circular de raio igual a 100m. Após 10 segundos, as componentes tangencial e centrípeta da aceleração valem, respectivamente, em m/s2: d) 4,0 e 4,0 A aceleração vetorial média nesse intervalo de tempo é, em m/s2: e) 10 e 10 26. (UFRRJ) Um corpo é abandonado a uma altura H (em relação ao solo) em queda livre. Ao passar por um ponto A da trajetória retilínea, possui uma velocidade escalar de 10m/s. Um observador fixo na terra poderá afirmar, quanto ao módulo do vetor velocidade, em um ponto B situado a 2,2m de A, que o módulo do vetor: a) depende da massa do corpo. b) é de 12m/s. c) é proporcional ao quadrado do tempo. d) é um vetor cujo módulo é constante. e) vale 15m/s. 27. (Uerj) Pardal é a denominação popular do dispositivo óptico-eletrônico utilizado para fotografar veículos que superam um determinado limite estabelecido de velocidade v. a) 2 b) 2 c) 4 d) 0 e) 0,5 29. Um carro faz uma curva de raio igual a 100m, com velocidade constante em módulo igual a 20m/s, descrevendo um ângulo reto em 10s. Determinar: a) O módulo da variação da velocidade. b) O módulo do vetor aceleração. 30. (FEI-SP) A velocidade v de um móvel em função do tempo acha-se representada pelo diagrama vetorial da figura. Em um trecho retilíneo de uma estrada, um pardal é colocado formando um ângulo θ com a direção da velocidade do carro, como indica a figura a seguir. Suponha que o pardal tenha sido calibrado para registrar velocidades superiores a v, quando o ângulo θ = 0o. A velocidade v do veículo, que acarretará o registro da infração pelo pardal, com relação à velocidade padrão v, será: a) v sen θ b) v cos θ A intensidade da velocidade inicial é v0 = 20m/s. Determine o módulo da aceleração vetorial média entre os instantes t = 0 e t = 8s. 31. (FEI-SP) Uma partícula descreve uma circunferência de raio de 20cm, percorrendo 1/6 da mesma em 8s. Qual é, em cm/s o módulo do vetor velocidade média da partícula no referido intervalo de tempo? 32. (UFF) A figura representa a fotografia estroboscópica do movimento de um disco que desliza sem atrito sobre uma mesa. O disco descreve uma trajetória circular, percorrendo ângulos iguais em intervalos de tempo iguais. Sabendo-se que o flash da máquina fotográfica é disparado a cada 0,50s: c) v/ sen θ d) v/ cos θ 28. (PUC-Rio) Um objeto em movimento circular uniforme passa pelo ponto A e, 1 segundo após, passa pelo ponto B. EM_V_FIS_004 a) Determine o módulo do vetor velocidade média do disco entre as posições 4 e 12. b) Represente graficamente, na figura, os vetores ve locidade v e a aceleração a do disco no instante em que este passa pela posição 8. Esse material é parte integrante do Aulas Particulares on-line do IESDE BRASIL S/A, mais informações www.aulasparticularesiesde.com.br 17 33. (Unicamp) A figura abaixo representa um mapa da cidade de Vitória a qual indica a direção das mãos do tráfego. Devido ao congestionamento, os veículos trafegam com a velocidade média de 18km/h. Cada quadra desta cidade mede 200m por 200m (do centro de uma rua ao centro da outra rua). Uma ambulância localizada em A precisa pegar um doente localizado bem no meio da quadra em B, sem andar na contramão. a) Qual o menor tempo gasto (em minutos) no percurso de A para B? b) Qual é o módulo do vetor velocidade média (em km/h) entre os pontos A e B? 34. (EN) Um móvel desloca-se em uma trajetória retilínea na direção do eixo Ox, de tal maneira que sua velocidade v varia com o tempo t de acordo com a equação: v =(4t – 8) i onde t é dado em segundos, v em metros por segundo e i é o versor mostrado na figura. Sabendo que para t = 1s o vetor posição da partícula (cuja origem está em O) é dado por r = 2i (com r em metros) determine: a) O vetor posição da partícula no instante t = 0. b) O vetor posição da partícula no instante t = 6s. c) O módulo do vetor deslocamento entre os instantes t = 0 e t = 6s. 18 EM_V_FIS_004 d) A distância total percorrida entre os instantes t = 0 e t = 6s. Esse material é parte integrante do Aulas Particulares on-line do IESDE BRASIL S/A, mais informações www.aulasparticularesiesde.com.br 13. 1. D 2. D 3. (9 3 ; 9) 4. A 5. x = 25 2 6. x = 2 e 2x = 4 7. A 8. E 9. Vy = 12m/s V = 16m/s X 15. E 16. a) 31,4cm b) 20cm 17. B 18. Nos dois casos é nulo 19. C 10. EM_V_FIS_004 14. C a) 9i + 7j 20. D b) – 4 i – 5 j 21. E 11. D 22. E 12. 130km 23. C Esse material é parte integrante do Aulas Particulares on-line do IESDE BRASIL S/A, mais informações www.aulasparticularesiesde.com.br 19 24. D 22. 25. C = = 26. C 27. A 23. B 28. 24. B a) 1,05cm/s 25. B b) 0,66cm/s 26. B 27. D 28. B 29. 1. D = 20 2 m/s 2. E a) 3. D b) IamI = 20 2 =2 10 2 m/s2 4. 120o 30. 5m/s2 5. D 31. O arco descrito corresponde a 600, logo temos um triângulo eqüilátero cujos lados são dois raios e o des- 6. D 7. locamento vetorial. A a) 2,5cm/s 9. IaI =20 2 10. B b) v 11. B a 33. 12. C 13. B a) 3min. 14. b) 10km/h 34. a) = 2 x 7 = 14m a) b) 15. D 16. 4 = 2,5cm/s 32. 8. E b) = 20cm e I I +10 17. B c) I∆ I = 24m d) 40m 18. 1 000m 19. a) 2 100s b) 3 000m 20. C 21. EM_V_FIS_004 a) 36m b) 24m 20 Esse material é parte integrante do Aulas Particulares on-line do IESDE BRASIL S/A, mais informações www.aulasparticularesiesde.com.br