DINÂMICA DO MOVIMENTO CIRCULAR Questão 1 - (FUVEST) Um acrobata, de massa MA = 60kg, quer realizar uma apresentação em que, segurando uma corda suspensa em um ponto Q fixo, pretende descrever um círculo de raio R = 4,9m, de tal forma que a corda mantenha um ângulo de 45º com a vertical. Visando garantir sua total segurança, há uma recomendação pela qual essa corda deva ser capaz de suportar uma tensão de, no mínimo, três vezes o valor da tensão a que é submetida durante a apresentação. Para testar a corda, com ela parada e na vertical, é pendurado em sua extremidade um bloco de massa M0, calculada de tal forma que a tensão na corda atenda às condições mínimas estabelecidas pela recomendação de segurança. Nessa situação: Questão 3 - (VUNESP) Um motorista, percorrendo uma estrada horizontal com velocidade v 100 km/h, pisa no acelerador do automóvel ao iniciar a subida de um morro, para conseguir chegar ao topo da elevação com essa mesma velocidade escalar. O trecho elevado da estrada possui um raio de curvatura R = 70 m. Considere g 10 m/s2. Desenhe o diagrama das forças que atuam no automóvel no topo da elevação e determine se no ponto mais alto ele “decolará”, descolando momentaneamente da estrada. Questão 4 - (ITA) Um corpo de massa m e velocidade v0 a uma altura h desliza sem atrito sobre uma pista que termina em forma de semi-circunferência de raio r, conforme indicado na figura. a) Represente, no esquema da folha de respostas, a direção e o sentido das forças que agem sobre o acrobata, durante sua apresentação, identificando-as, por meio de um desenho em escala. b) Estime o tempo tA, em segundos, que o acrobata leva para dar uma volta completa em sua órbita circular. c) Estime o valor da massa M0, em kg, que deve ser utilizada para realizar o teste de segurança. NOTE E ADOTE: Força centrípeta FC = mv2/R Adote 3 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. Questão 2 - (UFC) Uma partícula de massa m gira em um plano vertical, presa a uma corda de massa desprezível, conforme a figura a seguir. No instante indicado na figura, a corda se parte, de modo que a partícula passa a se mover livremente. A aceleração da gravidade local é constante e apresenta módulo igual a g. Questão 5 - (PUC - SP) 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 500kg e a máxima velocidade com que o carrinho consegue realizar a curva sem perder contato com os trilhos igual a 36km/h. O raio da curva, considerada circular, é, em metros, igual a Assinale a alternativa que descreve o movimento da partícula após a corda ter se rompido. a) b) a) 3,6 b) 18 c) 1,0 d) 6,0 e) 10 c) Questão 6 - (UNICAMP) Um pêndulo cônico é formado por um fio de massa desprezível e comprimento L = 1,25m, que suporta uma massa m = 0,5kg na sua extremidade inferior. A extremidade superior do fio é presa ao teto, conforme ilustra a figura abaixo. Quando o pêndulo oscila, a massa m executa um movimento circular uniforme num plano horizontal, e o ângulo que o fio forma com a vertical é = 60º. d) e) a) Qual é a tensão no fio? b) Qual é a velocidade angular da massa? Se for necessário, use: sen60º = 0,87, cos60º = 0,5. 1 DINÂMICA DO MOVIMENTO CIRCULAR Questão 7 - (VUNESP) Suponha que um predador de massa 150kg possa atingir e manter uma velocidade de 40m/s, enquanto persegue uma presa de massa 60kg que, por sua vez, corre a 30m/s. a) Se ambos estiverem correndo no mesmo sentido, numa mesma reta, e num dado instante a presa ficar 60 metros à frente, quanto tempo mais demoraria para ela ser pega? b) Uma estratégia para fugir é fazer uma curva. Calcular quais devem ser as forças necessárias para presa e predador fazerem uma curva circular de raio 5,0m, mantendo, em módulo, os valores das velocidades indicadas acima. atrito, não poderá estar animado com qualquer velocidade; existe um valor máximo. Sendo g, o módulo do vetor aceleração gravitacional local, m a massa do automóvel e estando ele com a velocidade máxima, Questão 8 - (VUNESP) Um garoto amarra uma pedra de 250g na ponta de um barbante de 1,0m de comprimento e massa desprezível. Segurando na outra extremidade do barbante, ele gira o sistema fazendo a pedra descrever círculos verticais com velocidade escalar constante igual a 6,0m/s em torno do ponto em que o barbante é seguro. Adotando g = 10m/s2, as trações no fio no ponto mais alto (Ta) e no ponto mais baixo (Tb) da trajetória valem: a) Ta = Tb = 9,0N. b) Ta = 2,0N; Tb = 5,0N. c) Ta = 5,0N; Tb = 2,0N. d) Ta = 6,5N; Tb = 11,5N. e) Ta = 11,5N; Tb = 6,5N. sua Energia Cinética é m.R.g.sen 2 a) Ec = m.R.g b) Ec = 2 sen m.R.g.tg 2 c) Ec = m.R.g. 2.tg d) Ec = m.R.g. cos 4 e) Ec = Questão 9 - (VUNESP) Depois de anos de interrupção, ocorreu neste ano a retomada de lançamentos do ônibus espacial pela NASA, desta vez com sucesso. Nas imagens divulgadas do dia-a-dia no ônibus espacial girando ao redor da Terra, pudemos ver os astronautas realizando suas atividades, tanto fora da nave como no seu interior. Considerando que as órbitas da nave e dos astronautas sejam circulares, analise as afirmações seguintes. I. Não há trabalho realizado pela força gravitacional para manter um astronauta em órbita ao redor da Terra. II. A aceleração de um astronauta girando ao redor da Terra deve-se exclusivamente à ação da força gravitacional. III. A velocidade vetorial do astronauta ao redor da Terra é constante. Estão corretas as afirmações: a) II, somente. b) III, somente. c) I e II, somente. d) II e III, somente. e) I, II e III. Questão 12 - (Vunesp) Em um modelo atômico simples, proposto por Bohr em 1913, um núcleo contendo prótons e nêutrons é rodeado por elétrons que giram em órbitas circulares de raio rn, onde a força de atração elétrica do núcleo positivo sobre cada elétron segue a lei de Coulomb. Utilizando esse modelo para o caso do átomo de hidrogênio (um único elétron girando em torno de um núcleo que contém um próton), a) determine a direção, o sentido e a expressão para o módulo da força elétrica, atuando sobre o elétron, em função da carga e do elétron, do raio rn e da constante eletrostática no vácuo K. b) determine a expressão para a velocidade v da órbita do elétron em função da carga e e da massa me do elétron, do raio rn e da constante eletrostática no vácuo K. Questão 10 - (UECE) Quando o átomo de hidrogênio emite um fóton, o elétron passa de uma órbita de raio r2 , para uma órbita de raio r1 r2 , variando assim sua velocidade orbital de v 2 para v1 . Sendo m e e a massa e a carga do elétron, respectivamente, e k Questão 13 - (UFC) Uma partícula P, de massa m, descreve um movimento circular de raio R, centrado no ponto O, sob a ação das a constante eletrostática, a variação no módulo da velocidade do elétron da órbita maior para a órbita menor é: ke2 v 2 v1 m 1 ke2 v 2 v1 m 1 2 a) b) 2 F 1 1 12 1 2 r r2 1 1 1 12 1 2 r r1 2 1 c) ke2 r1 r2 v 2 v1 m r1r2 d) ke2 r1 r2 v 2 v1 m r1r2 F 1 e 2 , conforme figura ao lado. Das equações de forças movimento apresentadas nas alternativas abaixo, assinale a correta para este sistema. Considere: at a aceleração tangencial da partícula P vp a velocidade tangencial da partícula P 2 1 2 a) F2 cos = ma t b) F1 + F2 = m V p2 R V p2 R c)F1 - F2 cos = m Questão 11 - (Mack) Objetivando melhorar a segurança dos automóveis nos trechos não retilíneos das estradas, independentemente do atrito entre suas rodas e o plano da pista, utiliza-se o recurso da sobrelevação da parte “externa” da pista na curva. Desta forma, tem-se uma inclinação do plano da pista em relação à horizontal. Para um automóvel descrever uma trajetória circunferencial de raio R, sem derrapar e independentemente do 2 DINÂMICA DO MOVIMENTO CIRCULAR V R 2 p d) F1 - F2 = m e) F1 = m V p2 R Se o coeficiente de atrito estático com o solo é µ = 0,80, assinale a opção correta que indica, respectivamente, a velocidade do ciclista, o tempo despendido no percurso e a freqüência de ziguezague no trecho BE. a) 6,0m/s 6,0s 0,17s-1 b) 4,0m/s 12s 0,32s-1 c) 9,4m/s 3,0s 0,22s-1 d) 6,0m/s 3,1s 0,17s-1 -1 e) 4,0m/s 12s 6,0 s Questão 14 - (FMTM) Segurando as mãos de seu filho com as suas, uma mãe põe se a girá-lo uniformemente a uma razão de meia volta por segundo, fazendo com que o menino fique temporariamente suspenso no ar. Se durante a rotação a criança de 15 kg tem seu centro de massa mantido a 1 m do corpo da mãe, a força centrípeta que o centro de massa da criança experimenta, em N, é Adote: = 3 a) 45. b) 60. c) 95. d) 110. e) 135. Questão 18 - (Fuvest) 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. Questão 15 - (UFV) A figura abaixo ilustra uma esfera de massa m = 1,9 kg, lançada do ponto A com uma velocidade de módulo 20 m/s. Presa a um fio inextensível, de massa desprezível e de comprimento L = 3,8 m, ela passa a mover-se em um plano vertical descrevendo uma trajetória circular. 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. 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 / senθ, 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 R1 da trajetória descrita pela bolinha B for igual a 0,10m. Sabe-se que o fio suporta uma tensão máxima de 500 N e que a aceleração gravitacional local é 10,0 m/s2. Desprezando quaisquer efeitos dissipativos, faça o que se pede: a) determine os módulos das velocidades da esfera nos pontos B e C. b) determine o módulo da tensão no fio no ponto B. c) verifique se a esfera vai atingir o ponto D, ou seja, se o fio não se romperá antes. Justifique sua resposta. Questão 16 - (ITA) Um objeto pontual de massa m desliza com NOTE E ADOTE: Não há atrito entre as bolas e o fio. Considere senθ = 0,4 e cosθ = 0,9; = 3 velocidade inicial v , horizontal, do topo de uma esfera em repouso, de raio R. Ao escorregar pela superfície, o objeto sofre uma força de atrito de módulo constante dado por f = 7mg/4. Questão 19 - (PUC-RJ) Um pêndulo simples de massa m = 1,0 kg e comprimento C = 10 cm é deslocado de um ângulo em relação à vertical e largado. Sabendo-se que o pêndulo tem velocidade de 1,0 m/s imediatamente antes de colidir elasticamente com um bloco de igual massa inicialmente em repouso, como mostra a figura, calcule: Para que o objeto se desprenda da superfície esférica após percorrer um arco de 60° (veja figura), sua velocidade inicial deve ter o módulo de: a) b) c) d) e) a) o ângulo ; b) a tração na corda imediatamente antes da colisão; c) o momento linear do bloco imediatamente após a colisão; d) Se, imediatamente após a colisão, o bloco se desloca num terreno acidentado, sendo o coeficiente de atrito cinético entre o bloco e o terreno igual a 0,2, qual é a distância percorrida pelo bloco até parar? (Considere a massa e o bloco como sendo pontuais, e g = 10 m/s2 ). 2gR / 3 3gR / 2 6gR / 2 Questão 20 - (AFA) A figura abaixo representa uma pista pertencente ao plano vertical. O raio R da parte circular vale 4 m. Um corpo parte do repouso no ponto A. Desprezando o atrito e a resistência do ar e considerando que, em B, a força que comprime o móvel contra a pista vale 1/4 do seu peso, pode-se afirmar que, a sua velocidade em B vale, em m/s, aproximadamente, 3 gR / 2 3 gR Questão 17 - (ITA) A figura representa o percurso de um ciclista, num plano horizontal, composto de dois trechos retilíneos (AB e EF), cada um com 6,0m de comprimento, e de um trecho sinuoso intermediário formado por arcos de circunferências de mesmo diâmetro, igual a 4,0m, cujos centros se encontram numerados de 1 a 7. Considere pontual o sistema ciclista-bicicleta e que o percurso é completado no menor tempo, com velocidade escalar constante. a) 3,2. b) 5,5. c) 6,3. d) 7,1. 3 DINÂMICA DO MOVIMENTO CIRCULAR Questão 21 - (UFBA) Na figura abaixo, um pêndulo simples, de massa m e comprimento l, é abandonado, a partir do repouso, no ponto A. Considere o módulo da aceleração da gravidade local igual a g e despreze a ação de forças dissipativas. a) 2o b) 7o c) 13o d) 17o e) 20o Questão 24 - (UFSCar) A figura a seguir representa um pêndulo cônico, composto por uma pequena esfera de massa 0,10kg que gira presa por um fio muito leve e inextensível, descrevendo círculos de 0,12m de raio num plano horizontal, localizado a 0,40m do ponto de suspensão. (Adote g = 10m/s2.) Com base nessas informações e na análise da figura: a) Faça um esboço do diagrama vetorial das forças que agem na massa pendular, identificando cada uma delas, quando a massa passa pelo ponto B da trajetória. b) Determine, em função de g, o módulo da aceleração centrípeta da massa pendular, quando ela passa pelo ponto C da trajetória. c) Determine, em relação ao plano de referência e em função de m, l, g e , a energia potencial gravitacional da massa pendular no ponto D da trajetória. Questão 22 - (Fuvest) Um astrônomo, ao estudar uma estrela dupla E1-E2 , observou que ambas executavam um movimento em torno de um mesmo ponto P, como se estivessem ligadas por uma barra imaginária. Ele mediu a distância D entre elas e o período T de rotação das estrelas, obtendo T = 12 dias. Observou, ainda, que o raio R1 , da trajetória circular de E1 , era três vezes menor do que o raio R2 , da trajetória circular de E2 . Observando essas trajetórias, ele concluiu que as massas das estrelas eram tais que M1 = 3 M2 . Além disso, supôs que E1 e E2 estivessem sujeitas apenas à força gravitacional entre elas. A partir das medidas e das considerações do astrônomo: a) Represente graficamente, na folha de respostas, as forças que atuam sobre a esfera, nomeando-as. Determine o módulo da resultante dessas forças. b) Determine o módulo da velocidade linear da esfera e a freqüência do movimento circular por ela descrito. Questão 25 - (SpeedSoft) O pêndulo da figura oscila em condições ideais, invertendo seu movimento sucessivamente nos pontos A e C. A esfera tem massa de 1,0 kg e o comprimento do fio leve e inextensível vale 2,0 m. Sabendo-se que no ponto B (mais baixo da trajetória) a esfera tem velocidade de módulo 2,0 m/s e que g = 10 m/s² , pede-se determinar: a) Indique as posições em que E1 e E2 estariam, quinze dias após uma observação em que as estrelas foram vistas, como está representado no esquema da folha de respostas. Marque e identifique claramente as novas posições de E1 e E2 no esquema da folha de respostas. b) Determine a razão R = V2/V1 entre os módulos das velocidades lineares das estrelas E2 e E1 . c) Escreva a expressão da massa M1 da estrela E1 , em função de T, D e da constante universal da gravitação G. a) a intensidade da força que traciona o fio, quando a esfera passa pelo ponto B. b) a intensidade da força que tracionaria o fio, se a esfera estivesse em repouso no ponto B. Questão 26 - (SpeedSoft) Um carrinho de brinquedo, cuja massa vale 4,0 kg, descreve movimento circular e uniforme sobre uma mesa horizontal sem atrito, com velocidade de 18 km/h. Um fio ideal, de comprimento 1,0 m, prende-o ao centro de rotação, conforme ilustra o esquema abaixo. a) O carrinho é dotado de aceleração ? Explique. b) Calcule a tração no fio. c) Se o fio suportar uma tração máxima de 256 N, qual a máxima velocidade que o carrinho poderá se mover sem que o fio arrebente ? Questão 23 - (Mack) Um veículo necessita deslocar-se num trecho circunferencial de um autódromo, com velocidade escalar constante de 180 km/h. O raio de curvatura da trajetória é 820 m. Para que esse movimento seja possível, independentemente do atrito entre os pneus e a pista, a estrada deverá apresentar uma sobrelevação, em relação à horizontal, correspondente a um ângulo a mínimo, aproximadamente igual a: 2o 7o 13o 17o 20o sen 0,035 0,122 0,225 0,292 0,342 cos 0,999 0,992 0,974 0,956 0,940 tan 0,035 0,123 0,231 0,306 0,364 Questão 27 - (Unicamp) As máquinas a vapor, que foram importantíssimas na Revolução Industrial, costumavam ter um engenhoso regulador da sua velocidade de rotação, como é mostrado esquematicamente na figura abaixo. As duas massas afastavam-se do eixo devido ao movimento angular e acionavam um dispositivo regulador da entrada de vapor, controlando assim a velocidade de rotação, sempre que o ângulo atingia 30°. Considere hastes de massa desprezível e comprimento L = 0,2 m, com massas m = 0,18 kg em suas pontas, d = 0,1 m e aproxime 4 3 1,8. DINÂMICA DO MOVIMENTO CIRCULAR d articulação L m m a) Faça um diagrama indicando as forças que atuam sobre uma das massas m. b) Calcule a velocidade angular para a qual = 30o . Como a trajetória é uma circunferência, e considerando que se trata de movimento uniforme, a resultante no acrobata é centrípeta, isto é, de acordo com a figura anterior, horizontal e para a direita. Assim sendo, podemos estabelecer relação entre as forças e a resultante por meio do método da linha poligonal. Questão 28 - (Fuvest) Um carrinho é largado do alto de uma montanha russa, conforme a figura. Ele se movimenta, sem atrito e sem soltar-se dos trilhos, até atingir o plano horizontal. Sabe-se que os raios de curvatura da pista em A e B são iguais. Considere as seguintes afirmações: I. No ponto A, a resultante das forças que agem sobre o carrinho é dirigida para baixo. II. A intensidade da força centrípeta que age sobre o carrinho é maior em A do que em B. III. No ponto B, o peso do carrinho é maior do que a intensidade da força normal que o trilho exerce sobre ele. Utilizando a trigonometria: T apres. = 600 2 N Como a intensidade do Peso é 600N, a figura pedida pode ser assim representada. a) Está correto apenas o que se afirma em a) I b) II c) III d) I e II e) II e III Questão 29 - (Unicamp) Uma atração muito popular nos circos é o "Globo da Morte" , que consiste numa gaiola de forma esférica no interior da qual se movimenta uma pessoa pilotando uma motocicleta. Considere um globo de raio R = 3,6 m. b) A partir do triângulo da figura 1: Rc = P Utilizando o princípio fundamental da dinâmica aplicado para o MCU, dado no quadro NOTE E ADOTE, e a expressão para o cálculo da intensidade do Peso V2 R a) Faça um diagrama das forças que atuam sobre a motocicleta nos pontos A, B, C e D indicados na figura abaixo, sem incluir as forças de atrito. Para efeitos práticos, considere o conjunto piloto + motocicleta como sendo um ponto material. b) Qual a velocidade mínima que a motocicleta deve ter no ponto C para não perder o contato com o interior do globo? = g (1) Aplicando a definição de velocidade escalar média para uma volta do movimento do acrobata: v= 2R T (2) Substituindo (2) em (1): T = 4,2s Questão 30 - (UFRJ) Uma pequena esfera metálica, suspensa por um fio ideal de comprimento l a um suporte, está oscilando num plano vertical, com atritos desprezíveis, entre as posições extremas, A e B, localizadas a uma altura h = l / 2 acima do ponto mais baixo C de sua trajetória, como ilustra a figura: c) De acordo com o enunciado, a corda deve ser capaz de suportar uma tensão de, no mínimo, três vezes o valor da tensão a que é submetida durante a apresentação. Considerando que não haja variação nas dimensões da corda, podemos afirmar que a tração apresenta o mesmo comportamento. Tfio suporta 3 . Tapres. Tfio suporta 3.600 2 Tfio suporta 1800 2 N (3) A figura abaixo representa as forças aplicadas no bloco de massa M0 na situação de teste: Considere g = 10m/s2. a) Calcule o módulo de aceleração da esfera dos instantes em que ela passa pelos pontos A e B. b) Calcule o módulo da aceleração da esfera nos instantes em que ela passa pelo ponto C. GABARITO Questão 1 - A figura a seguir, que está fora de escala, representa, em um plano vertical, a situação descrita no enunciado e as forças aplicadas no acrobata. Como na situação de teste o corpo está em repouso Tteste = P ⇒ Tteste = M0 ⋅ g (4) A situação de teste é feita para que seja obtida a tração que o fio deve suportar, assim sendo, 5 DINÂMICA DO MOVIMENTO CIRCULAR podemos substituir (4) em (3). MO . g 1200 MO 180 2 Questão 22 - a) 2 kg Questão 2 - Alternativa: A Questão 3 - V = 95,2 km/h Como a velocidade do automóvel é maior do que a mínima calculada, ele "decolará", descolando- se da estrada. Questão 4 - Resposta: x y = 9 g 2 r 2 (v02 2 gh) 2 M1 v02 2 gh b) R = 3 c) 3 2 D 3 GT 2 Questão 23 - Alternativa: D Questão 5 - Alternativa: E Questão 24 - a) R = 0,30 N Questão 6 - Respostas: a) T10N b) = 4rad/s Consideramos que o examinador queria saber o valor da tração no fio no item a, já que seria impossível calcular o valor da tensão no mesmo, dado que não é conhecida a área de sua seção transversal. Questão 7 - a) Levaria 6s para que o predador alcançasse a presa. b) v = 0,6 m/s e f = 0,8 Hz 40 2 b) Predador: Rc(1) = 150. 5 =48000 N 30 2 Presa: Rc(2) = 60. 5 = 10800N Questão 25 - a) T = 12N b) T = 10N Questão 26 - a) sim, possui acentrípeta, pois realiza uma curva, e a direção de sua velocidade varia. b) T = 100 N c) v = 8 m/s = 28,8 km/h Questão 27 - a) Colocando as forças em apenas um dos corpos: Questão 8 - Alternativa: D Questão 9 - Alternativa: C Questão 10 - Alternativa: C Questão 11 - Alternativa: C Questão 12 - a) • A direção de Fé a da reta que passa pelo próton e pelo elétron. • O sentido é do elétron para o próton (atração). v e b) k me .rn Questão 13 - Alternativa: C b) Questão 14 - Alternativa: E Questão 15 - a) vB = 18 m/s e vC = 20 m/s b) TB = 143 N c) TD = 471,2 N < 500 N e portanto o fio não romperá. Questão 16 - Alternativa: A Questão 17 - Alternativa: B Questão 18 - a) F = 2,5 Mg b) k = 2 Questão 19 - a) = 60o 30m / s 5,47rad / s Questão 28 - Alternativa: E Questão 29 - a) As forças que atuam na motocicleta estão representadas na figura abaixo: c) N = 2,5 Hz b) T = 20 N c) Q = 1 kgm/s d) d = 0,25 m Questão 20 - Alternativa: D (considerando g =10 m/s2 e o ponto B o mais alto da trajetória) Questão 21 - a) b) V = 6 m/s Questão 30 - a) aA = aB = g = 10 m/s2 (para baixo) b) aC = 10 m/s2 (para cima) b) ac = 2g c) Ep = m g l (1-cos) 6