Movimento em duas e três dimensões - Física

Movimento em duas e
três dimensões
Professor: Carlos Alberto
Disciplina: Física Geral e Experimental
Profº Carlos Alberto
http://www.fisicacomcarlos.blogspot.com
Objetivos de aprendizagem
Ao estudar este capítulo você aprenderá:
✔ Como representar a posição de um corpo em duas ou três dimensões, usando
vetores;
✔ Como determinar a velocidade de um corpo a partir do que se sabe sobre sua
trajetória;
✔ Como achar a aceleração vetorial de um corpo e por que um corpo tem essa
aceleração, mesmo que sua velocidade escalar seja constante;
✔ Como interpretar os componentes da aceleração de um corpo paralelo e
ortogonal à sua trajetória;
✔ Como descrever a trajetória em curva percorrida por um projétil;
✔ Os principais conceitos sobre o movimento em uma trajetória curva, seja com
velocidade escalar constante, seja com variação na velocidade escalar;
✔ Como relacionar o vetor velocidade de um corpo em movimento do ponto de
vista de dois referenciais distintos.
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Posição e deslocamento
(vetor posição)
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(vetor deslocamento)
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Exemplo 4.1: (Halliday, p.65)
Na figura abaixo, o vetor posição de uma partícula é inicialmente
e depois passa a ser
Qual é o deslocamento da partícula Δr de r1 para r2?
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Exemplo 4.2: (Halliday, p.65)
Um coelho atravessa um estacionamento, no qual, por alguma razão, um conjunto de
eixos coordenados foi desenhado. As coordenadas da posição do coelho, em metro, em
função do tempo t, em segundos, são dadas por
(a) No instante t = 15 s, qual é o vetor posição r do coelho na notação de vetores
unitários e na notação módulo ângulo?
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Velocidade média e instantânea
(vetor velocidade média)
(vetor velocidade instantânea)
“A direção da velocidade instantânea de uma partícula é sempre tangente à
trajetória da partícula na posição da partícula.”
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Exemplo 3.1: (Young, p.71)
Um veículo robótico está explorando a superfície de Marte. O módulo de aterrissagem é
a origem do sistema de coordenadas e a superfície do planeta é o plano xy. O veículo,
que será representado por um ponto, possui componentes x e y que variam com o
tempo de acordo com
(a) Calcule as coordenadas do veículo e sua distância do módulo de aterrissagem no
instante t = 2,0 s.
(b) Calcule o vetor deslocamento e o vetor velocidade média no intervalo de tempo
entre t = 0,0 s e t = 2,0 s.
(c) Deduza uma expressão geral para o vetor velocidade instantânea do veículo.
Expresse a velocidade instantânea em t = 2,0 s, usando componentes e também em
termos do módulo, direção e sentido.
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Aceleração média e instantânea
(vetor aceleração média)
(vetor aceleração instantânea)
A aceleração possui a mesma direção que a
variação de velocidade.
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Exemplo 3.2: (Young, p.74)
Vamos analisar novamente os movimentos do veículo robótico mencionado no Exemplo
3.1. Os componentes da velocidade instantânea em função do tempo são:
e o vetor velocidade é
a) Calcule os componentes do vetor aceleração média no intervalo de tempo entre t =
0,0 s e t = 2,0 s.
b) Ache a aceleração instantânea para t = 2,0 s.
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Movimento de projeteis
(movimento balístico)
No movimento de projéteis, o movimento horizontal e o movimento vertical são
independentes, ou seja, um não afeta o outro.
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Movimento de projeteis
(movimento balístico)
Na ausência de resistência do ar, temos
e
✔ Na horizontal: Movimento Uniforme
✔ Na vertical: Movimento Uniformemente Variado
Equação da trajetória:
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Movimento de projeteis
(movimento balístico)
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Exemplo 4.6: (Halliday, p.74)
Na figura abaixo um avião de salvamento voa a 198 km/h (=55,0 m/s), a uma altura
constante de 500 m, rumo a um ponto diretamente acima da vítima de um naufrágio,
para deixar cair uma balsa.
Lin
h
ad
Tra
jet
óri
a
ev
is a
da
(a) Qual deve ser o ângulo φ da linha de visada do piloto para a vítima no instante em
que o piloto deixa cair a balsa?
(b)No momento em que a balsa atinge a água, qual é sua velocidade vetorial em termos
dos vetores unitários e na notação módulo-ângulo?
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Exemplo 4.7: (Halliday, p.75)
A figura abaixo mostra um navio pirata a 560 m de um forte que protege a entrada de
um porto. Um canhão de defesa, situado ao nível do mar, dispara balas com uma
velocidade inicial v0 = 82 m/s.
(a) Com que ângulo θ0 em relação à horizontal as balas devem ser disparadas para
acertar o navio?
(b) Qual é o alcance máximo das balas de canhão?
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Movimento Circular
Aceleração tangencial:
• Há variação no módulo mas não na
direção da velocidade;
• A partícula se move em linha reta
com velocidade escalar variável.
Aceleração centrípeta:
• Há variação na direção mas não no
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módulo da velocidade;
• A partícula se move em linha uma
trajetória curva com velocidade
escalar constante.
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Movimento Circular
(a) Quando a velocidade escalar é
constante ao longo de uma
trajetória curva
(c) Quando a velocidade escalar é
decrescente ao longo de uma
trajetória curva
(b) Quando a velocidade escalar é
crescente ao longo de uma
trajetória curva
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Movimento Circular Uniforme
e
Demonstração:
Por semelhança de triângulos temos:
Multiplicando ambos os lados por |Δr|/Δt:
Tomando o limite Δt → 0:
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Grandezas angulares
(ângulo em radianos)
Lembre-se que:
Pela definição de MCU
ou ainda
Em um ciclo completo:
(Período)
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(frequência)
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Questão 57: (Halliday, p.88)
Em um parque de diversões uma mulher passeia em uma roda gigante com 15 m de raio,
completando cinco voltas em torno do eixo horizontal a cada minuto. Quais são
(a) o período do movimento,
(b) o módulo e
(c) o sentido de sua aceleração centrípeta no ponto mais alto, e
(d) o módulo e
(e) o sentido de sua aceleração centrípeta no ponto mais baixo.
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Questão 63: (Halliday, p.89)
Uma bolsa a 2,00 m do centro e uma carteira a 3,00 m do centro descrevem um
movimento circular uniforme no piso de um carrossel. Elas estão na mesma linha radial.
Em um certo instante, a aceleração da bolsa é
Qual é a aceleração da carteira nesse instante, em termos dos vetores unitários.
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Movimento Relativo
Derivando:
Derivando novamente:
A aceleração de uma partícula medida por observadores diferentes em
diferentes referenciais que se movem com velocidade constante uns em relação
aos outros é sempre a mesma.
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Questão 69: (Halliday, p.89)
Um cinegrafista está em uma picape que se move para oeste a 20 km/h enquanto filma
um gueopardo que também está se movendo para oeste a 30 km/h mais depressa que a
picape. De repente, o gueopardo para, dá meia-volta e passa a correr 45 km/h para leste,
de acordo com a estimativa de um membro da equipe, agora nervoso, de pé na margem
da estrada, no caminho do gueopardo. A mudança de velocidade do gueopardo leva 2,0
s. Quais são
(a) o módulo e
(b) a orientação da aceleração do animal em relação cinegrafista e
(c) o módulo e
(d) a orientação da aceleração do animal em relação ao membro nervoso da equipe?
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Questão 73: (Halliday, p.89)
Dois navios A e B, deixam o porto ao mesmo tempo. O navio A navega para noroeste a
24 nós e o navio B navega a 28 nós em uma direção 40º a oeste do sul.
(1 nó = 1 milha marítima por hora = 2,24 m/s).
Quais são
(a) o módulo e
(b) a orientação da velocidade do navio A em relação ao navio B?
(c) Após quanto tempo os navios estarão separados por 160 milhas marítimas?
(d) Qual será o curso de B (orientação do vetor posição de B) em relação a A nesse
instante?
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