E.E.SENADOR ADOLFO GORDO APOSTILA DE FÍSICA EJA – 1o Termo PROFESSORA GUARA 02/01/2012 E. Sen. Adolfo Gordo – Apostila de Física – prof. Guara FÍSICA: FUNDAMENTOS DE MECÂNICA 1.O que é Física? Esta é a primeira pergunta que o estudante de nível médio deve saber responder. A ciência faz parte do dia a dia de todos nós. Se imaginarmos os primeiros habitantes do nosso planeta, poderemos tentar adivinhar como eles deviam ter duvidas em relação ao tempo e espaço. Sem o conhecimento científico atual como explicar, por exemplo, coisas básicas como o amanhecer e o anoitecer? Como explicar a chuva, o fogo, a água do mar e dos rios? Como explicar as cores do mundo, as estações do ano, o luar, as ondas do mar? A Física é a mais antiga ciência da natureza. Ela nasceu do pensamento humano, da filosofia, da observação e da experimentação. Todas estas capacidades são inerentes do ser humano. E esta capacidade, a inteligência, o raciocínio é o nosso maior dom. Atualmente a Física tem frutos como o funcionamento dos motores em geral, da eletricidade, da informática, dos aviões e foguetes, e muito, muito mais! No primeiro ano, ou melhor, no primeiro semestre, vamos estudar apenas uma parte bem pequena da Física. Vamos tentar explicar algo cotidiano: O movimento. Nosso maior desafio é pensar como cientistas. Precisamos estar concentrados e deixar o pensamento fluir, este é um grande exercício e trará excelentes ganhos, uma vez que nosso cérebro, ao ser estimulado, como qualquer outro sistema do nosso corpo, terá um bom desenvolvimento. E os frutos do exercício do pensamento serão colhidos, com certeza, em inesperados momentos de nossas vidas. Pense nestas questões: O que é movimento? Você está em repouso em movimento? Se você estiver em um trem em movimento com relação à terra e soltar uma bola de sua mão, qual será a trajetória descrita pela bola? Recordando as unidades de medidas de 3 grandezas fundamentais: Espaço, tempo e massa Espaço: lembre-se que: 1 km 1m 1m = 1000 m = 100 cm = 1000 mm Exercícios: 1.Transforme em metros: a) 2 km = b) 30 km = c) ..2,5 km = d) 0,5 km = j) k) l) m) 18 cm = 25 cm = 1000cm = 500 mm = 2 e) f) g) h) i) 0,45 km = 0,200 km = 300 cm = 200 cm = 250 cm = n) o) p) q) r) 750 mm = 10000 mm = 3000 mm = 450 mm = 24 mm = 2. Transforme em quilometros: a) b) c) d) e) f) 2200 m = 250 m = 2480 m = 720 m = 8000 m = 500 m = Tempo: 3. Complete: a) 1 h = ..............min b)1 min = ...............s c) 1h = ....................s d) 1dia = ............h =........................min = ..................................s Massa: Lembrando que 1 kg = 1000 g e que 1 g = 1000 mg ; 4. Complete: a) 2 kg = ..........................g b) 5 kg = .....................…..g c) 200 g = …………….…kg d) 2000 g = ……………...kg e) 500 g = …………….…kg f) 250 mg = ................…..g g) 500 mg = …….……… g h) 450 mg =……………….g i) 22000mg = …………….g j) 3,9 g = …………………mg k) 2,78 g = ...........….….....mg l) 0,5 kg = ………………...g Como transformar unidades do tipo: Quilometros por hora (km/h) em metros por segundo (m/s)? 1 km = 1000 m 1 h = 3600 s 1km/h = 1000m/3600s como simplificar esta transformação? Utilizando a regra: 1m/s = 3,6 km/h 3 Exercícios: 1.Transforme em m/s: a) b) c) d) e) f) 2. Transforme em km/h: 72 km/h = 36 km/h = 54 km/h = 108 km/h = 360 km/h = 720 km/h = a) b) c) d) e) f) 10 m/s = 2 m/s = 25 m/s = 15 m/s = 100 m/s = 30 m/s = 3. O som se propaga no ar com velocidade aproximada de 340m/s. Considerando este valor, qual a velocidade mínima de um avião supersônico? 2.VELOCIDADE ESCALAR MÉDIA (Vm) Quando um móvel está em movimento, a distância que ele percorre em um único sentido, (s), dividida pelo intervalo de tempo (t) nos fornece o valor da velocidade média do móvel. Escrito em forma de equação, temos: Vm = s t A variação de posição ou deslocamento, ∆s, deve ser expressa em metros e o intervalo de tempo, ∆t, em segundos. Desta forma, teremos a medida da velocidade média expressa em m/s (metros por segundo). Esta unidade está de acordo com o Sistema Internacional de Unidades (S.I.U.), que foi estabelecido para que todos os trabalhos científicos do mundo sejam escritos com as mesmas unidades de medida de acordo com a grandeza. Veja as grandezas que inicialmente serão utilizadas no nosso curso com as correspondentes unidades de medida. grandeza Espaço Tempo Massa velocidade aceleração Força Energia unidade de medida (S.I.) metro (m) segundo (s) quilograma (kg) metros por segundo (m/s) metros por segundo ao quadrado (m/s2) Newton (N) Joule (J) Entretanto, sabemos que existe uma medida usual para expressar o valor da velocidade, o quilometro por hora (km/h) que estamos acostumados. Neste caso, estamos medindo a distância em quilometros e o tempo em horas. 4 Sabemos ainda que para transformar km/h em m/s devemos dividir o valor da velocidade por 3,6 e , ao contrário, para transformar m/s em km/h multiplicamos pelo mesmo valor. Exercícios: 1.Um nadador percorreu 100 m de uma piscina em 50 s, com que velocidade média ele nadou? 2.Qual a velocidade média de um trem que durante 50s percorreu 500m? 3.Se você fosse andar 5 km em 0,5 h com qual a velocidade média deveria percorrer este percurso? 4.Para atravessar um canal de 3 km, uma lancha gastou 5 minutos. Calcule a velocidade média da lancha neste evento. 5.Uma família, em viajem de férias, foi de São Paulo ao Rio de Janeiro, aproximadamente 400 km. Sabendo-se que saíram de São Paulo às 10 h da manhã e chegaram ao Rio de Janeiro às 18 h, determine a velocidade média desta família para tal viagem. 6.A distância entre São Paulo e Santos é de aproximadamente 100 km. Se este percurso for feito em 2 h qual deve ser o valor da velocidade média do veículo? 7.Se um estudante para chegar à escola caminha 3,6 km em 30 minutos qual deve ser a sua velocidade média? 8.Para percorrer 1800 km um avião gastou 2h. Determine o valor da velocidade média do avião neste percurso. Alguns exercícios podem envolver o cálculo do deslocamento, ou variação de espaço, ou ainda o intervalo de tempo pode ser questionado. Neste caso, devemos utilizar a mesma equação da velocidade escrita de forma mais apropriada. Assim, para calcularmos o deslocamento fazemos: s = Vm x t e para determinarmos o intervalo de tempo faremos: t = s/Vm. Exemplos: 1. Se Maria mantiver uma velocidade média de 2,5 m/s que distância ela deve percorrer em 10 min? 2. Um automóvel com velocidade média de 72 km/h percorreu 20 km. Qual o intervalo de tempo gasto pelo automóvel neste percurso? Exercícios: 1. Um barco desce um rio com velocidade média de 54 km/h. Quanto tempo gasta para percorrer 1,5 km? 2. A viagem de uma família foi feita em 3 h e a velocidade média desprendida foi de 54 km/h. Qual a distância percorrida nesta viagem? 5 3. Um caminhão mantém a velocidade média de 72 km/h ao percorrer 40km. Determine o tempo gasto. 4. Se mantiver a velocidade de 1080 km/h durante 1,5 h, qual é a distância que um avião percorrerá? 5. Para percorrer 400 km com velocidade média de 80 km/h quanto tempo um automóvel irá gastar nesta viagem? 6. Uma jovem caminhou 1,8 km com velocidade média de 2m/s, qual o tempo gasto neste percurso? 7. Um automóvel percorreu 30 km com velocidade média de 60 km/h e mais 60 km com velocidade média de 120 km/h. Qual o tempo gasto no percurso total? 8. Um trem de velocidade média 70 km/h percorre 35 km e depois mantendo a velocidade de 50 km/h percorre mais 50 km. Determine o tempo gasto para percorrer todo o percurso. Exercícios de revisão A partir do exemplo: 72 km/h = 72:3,6 = 20 m/s ou 20 m/s = 20x3,6 = 72 km/h 1. Transforme em km/h a) 25 m/s = b) 30 m/s = c) 15 m/s = d) 100 m/s = e) 330 m/s = f) 2 m/s = g) 40 m/s = h) 18 m/s = 2. Transforme em m/s a) 54 km/h = b) 540 km/h = c) 108 km/h = d) 72 km/h = e) 90 km/h = f) 900 km/h = g) 1080 km/h h) 10,8 km/h 3. Uma família em viagem de férias para o Rio de janeiro, parte de São Paulo, às 8h da manhã,e chegam ao rio de janeiro às 17h do mesmo dia. Considerando a distância entre as duas cidades aproximadamente 450 km, determine a velocidade média de tal viagem. 4. Um caminhão percorre 30 km com velocidade média de 60 km/h e em seguida mais 40 km com a velocidade média de 50 km/h. Determine a velocidade média total do percurso. 5.Um tatu-bola percorreu uma régua de 30 cm em 5 min. Determine a velocidade média do tatu em cm/s. 3. O MOVIMENTO UNIFORME O carro da polícia vai alcançar o carro do bandido? Se nós desconsiderarmos todas as variáveis e nos limitarmos ao movimento com velocidade constante e trajetória retilínea, teremos o modelo de movimento que é o movimento retilíneo e uniforme. 6 Neste caso, a velocidade do móvel, que permanece constante, tem o valor da velocidade média que aprendemos a calcular. Em outras palavras, podemos utilizar a equação: V= s t e o valor de Vm = Vo. O intervalo de tempo ∆t pode ser escrito simplesmente por t se considerarmos t0 = 0 e ∆s = s - so a mesma equação pode ser reescrita da forma de uma equação matemática de 1º grau, ou seja: s = so + v.t Utilizaremos a fórmula escrita desta maneira para calcularmos por exemplo a posição de um móvel, em um determinado instante,quando conhecemos a sua velocidade e a sua posição inicial. Devermos treinar o maior número possível de exercícios utilizando esta equação, pois assim saberemos como usar um modelo de solução que é sempre muito utilizado nas ciências. Exemplos: 1.Considere que um automóvel passa pelo marco 30 km de uma estrada no instante em que o motorista olha para o relógio e começa a contar o tempo gasto para alcançar o marco 60 km, mantendo a velocidade constante de 60 km/h. A equação horária do movimento do automóvel neste percurso será: s = so + v.t 60 = 30 + 60.t e com esta equação poderemos determinar o tempo gasto pelo automóvel deste a posição 30 km até a posição 60 km. 60 – 30 = 60.t 30/60 = t t = 0,5 h. 2.Escreva a função horária dos espaços para um móvel em M.U. considerando a posição inicial do móvel 4,0 m e a sua velocidade constante de 5,0 m/s. s = so + v.t s = 4,0 + 5,0.t em unidades do S.I. 3.Considere o exercício anterior e determine: a) a posição do móvel no instante t = 3,0s s = 4 + 5.3 s = 4 + 15 s = 19 m b) o instante em que a posição do móvel é 24 m. 24 = 4 – 5.t 24 – 4 = 5.t 20 = 5.t Exercícios: t= 4s 7 1.Determine o valor da velocidade e da posição inicial que cada uma das equações horárias a seguir representam. a) s = 40 – 5,0 .t b) s = -12 + 5,0. t c) s = 3,0 – 12. t d) s = - 10 – 5,0 .t 2.Um móvel partiu da posição 8,0 m no instante t = 0 e mantém a velocidade constante de 4,0 m/s. Escreva a função horária deste movimento e determine a posição do móvel no instante t = 5,0s. 3. Um móvel em movimento uniforme passa pela posição 4,0 m no instante 3,0s e pela posição 14 m após 5s. Determine a velocidade deste móvel. 4. Mantendo a velocidade constante, um caminhão parte (t=0) do marco 10 km e no instante t = 0,5h passa pelo marco 50km. Determine a velocidade que o caminhão manteve. 5. Determine o deslocamento de um móvel que mantém a velocidade de 72 km/h durante 30 min. 6.Um trem mantém velocidade constante de 40 km/h durante 15 min. Determine a distância percorrida por este trem durante este intervalo de tempo. 7. Um trem de comprimento 50m atravessa um túnel de 300m com velocidade constante de 54 km/h. Determine o tempo gasto neste percurso. 8.Um caminhão de 20m de comprimento mantém a velocidade de 72km/h levando 2 min para percorrer uma ponte. Determine o comprimento da ponte. 9. Determine a distância percorrida por um avião a 900 km/h em 1 minuto. 10. Determine a posição de onde partiu um móvel com M.U. e velocidade de 10m/s, sabendo-se que após 5s sua posição era 55m. 11. Determine a posição inicial de um móvel que executa movimento uniforme com velocidade de 4 m/s e que se encontra na posição 40m após 5s de movimento. 12. Se um automóvel mantiver a velocidade de 90 km/h a partir do marco 300km de uma estrada retilínea, qual será a sua posição após 30min? 13. Se um móvel mantiver a velocidade de 20m/s a partir do marco 30m de uma trajetória retilínea, qual será a sua posição após 10s de movimento? Exercícios complementares 1.Um estudante, inicialmente em repouso na posição A de uma praça, desloca-se, a partir daí, 50m para o norte, em seguida 40m para o leste e, depois, 20m para o sul, chegando finalmente a um ponto B. a) faça o desenho do movimento do estudante, representando esse movimento por meio de três vetores deslocamentos; 8 b) represente na figura desenhada no item anterior o deslocamento resultante do estudante, indicando o módulo, a direção e o sentido; c) determine a velocidade escalar média deste estudante, entre A e B, sabendo-se que este movimento foi realizado em 10 minutos. 2.Um ônibus efetua um deslocamento de 150 km, desenvolvendo nos primeiros 120km, uma velocidade média de 80 km/h e, nos 30km restantes, uma velocidade de 60km/h. Calcule: a) o intervalo de tempo de duração da viagem; b) a velocidade média no percurso total. 3. A tabela a seguir representa os espaços de dois carros A e B que se deslocam na mesma estrada, em função do tempo. Carro A – Carro B - Tempo(h) posição (km) posição (km) 0 200 0 40 260 1 80 320 2 faça o gráfico das posições destes carros em função do tempo; a) determine o instante da ultrapassagem; b) determine a posição da ultrapassagem. 4.Um estudante, inicialmente em repouso na posição A de uma praça, desloca-se, a partir daí, 50m para o norte, em seguida 40m para o leste e, depois, 20m para o sul, chegando finalmente a um ponto B. a)faça o desenho do movimento do estudante, representando esse movimento por meio de três vetores deslocamentos; b)represente na figura desenhada no item anterior o deslocamento resultante do estudante, indicando o módulo, a direção e o sentido; c)determine a velocidade escalar média deste estudante, entre A e B, sabendo-se que este movimento foi realizado em 10 minutos. 5.Um ônibus efetua um deslocamento de 150 km, desenvolvendo nos primeiros 120km, uma velocidade média de 80 km/h e, nos 30km restantes, uma velocidade de 60km/h. Calcule: a) o intervalo de tempo de duração da viagem; b) a velocidade média no percurso total. 6. A tabela a seguir representa os espaços de dois carros A e B que se deslocam na mesma estrada, em função do tempo. Carro A – posição (km) 0 40 80 Carro B - posição (km) 200 260 320 Tempo(h) 0 1 2 faça o gráfico das posições destes carros em função do tempo; a) determine o instante da ultrapassagem; b) determine a posição da ultrapassagem. 9 4. AS LEIS DE NEWTON Sir Isaac Newton A vida de Newton pode ser dividida em três períodos. O primeiro sua juventude de 1643 até sua graduação em 1669. O segundo de 1669 a 1687, foi o período altamente produtivo em que ele era professor Lucasiano em Cambridge. O terceiro período viu Newton como um funcionário do governo bem pago em Londres, com muito pouco interesse pela matemática. Isaac Newton nasceu em 4 de janeiro de 1643 (ano da morte de Galileo) em Woolsthorpe, Lincolnshire, Inglaterra. Embora tenha nascido no dia de Natal de 1642, a data dada aqui é no calendário Gregoriano, que adotamos hoje, mas que só foi adotada na Inglaterra em 1752. Newton veio de uma família de agricultores, mas seu pai morreu antes de seu nascimento. Ele foi criado por sua avó. Um tio o enviou para o Trinity College, Cambridge, em Junho de 1661. Isaac Newton foi um dos maiores cientistas de todos os tempos. Chamamos de Mecânica Newtoniana o estudo dos movimentos. Conta-se que Newton era uma criança muito introvertida e foi um jovem bastante reservado. Ele teve uma infância difícil, não cresceu perto da mãe, que se tornando viúva muito jovem, casou-se novamente e deixou o filho vivendo com um tio. Isaac Newton começou cedo seus estudos e tornou-se um famoso alquimista. Estudou os movimentos dos corpos em geral, dos corpos celestes, desenvolveu o cálculo diferencial e contribuiu em vários ramos da Física e da Matemática. Lembrando que Newton nasceu no mesmo ano em que Galileu Galilei morreu. Galileu foi sujeito à inquisição porque defendia o modelo heliocêntrico do sistema solar. Ao contrário de Giordano Bruno, que foi queimado vivo pela inquisição, Galileu negou suas idéias mas não deixou de ensiná-las a seus discípulos e deixá-las registradas Uma das experiências de Galileu que devemos conhecer é a do plano inclinado. Conta-se que ele observou o movimento de uma bolinha ao descer um plano de inclinação variável. Que a cada ângulo que a bolinha percorria através do plano determinava sua velocidade ao chegar ao chão, de forma que a bolinha percorria cada vez mais uma distância até parar. Galileu supôs que se não houvesse forças para parar a bolinha, o movimento desta seria um movimento retilíneo com velocidade constante. Você concorda com esta idéia de Galileu? 10 Conta-se também que Galileu soltou objetos diferentes de cima da Torre de Piza na Itália a fim de provar que os objetos caem com a mesma velocidade, independente da massa do objeto. Você concorda com mais esta idéia? Newton concordou! A primeira lei de Newton, também chamada de Princípio da Inércia, é uma elaboração de idéias de Galileu. O que é inércia? Inércia é uma tendência de todos os corpos que possuem massa em manter o seu estado de equilíbrio: repouso ou movimento retilíneo e uniforme. Quando estamos em repouso, por exemplo, ao acordar de manhã, fazemos uma força para levantar. O mesmo ocorre com todos os corpos, uma vez parado, devem continuar parados até que uma força externa os coloque em movimento. Para um corpo em movimento, a tendência é permanecer em movimento retilíneo e com velocidade constante. Se estivermos em um ônibus e este está em movimento, percebemos a tendência de permanecer em movimento, pois se o motorista breca, somos lançados para frente e se o mesmo faz uma curva, somos lançados para o sentido oposto. Um dos enunciados do princípio da Inércia pode ser: “Todo corpo, livre da ação de forças, está em repouso ou em movimento retilíneo e uniforme”. A segunda Lei de Newton, é o Princípio Fundamental da Dinâmica. A força aplicada em um corpo provoca uma aceleração do mesmo. Sendo que a força é proporcional a aceleração adquirida. A constante de proporcionalidade é justamente o valor da massa do mesmo: F m .a As setas na força e na aceleração representam que além do valor, devemos considerar que as grandezas vetoriais força e aceleração possuem a mesma direção e o mesmo sentido. A unidade de medida de força no sistema internacional é Newton, abreviaremos por N. 1N = 1 kg. m/s2 Uma mesma força provoca em corpos de massas diferentes acelerações diferentes. Exemplos: Um objeto de massa 2,0kg é acelerado por uma força constante e esta aceleração tem módulo 3,0 m/s2. Determine o valor da força aplicada neste objeto. Usando o P.F.D.: F = m.a F=2x3 F=6N 11 Exercícios: 1. Determine o valor da única força que atua em um móvel de massa 3kg para que a aceleração deste seja de 5m/s2. 2. Qual é o valor da força que deve ser aplicada a um móvel de massa 20 kg para que ele adquira a aceleração de 2m/s2? 3. Calcule a força necessária para provocar uma aceleração de 10m/s2 em um móvel de massa m = 8 kg. 4. Qual a massa de um corpo que ao ser aplicada uma força resultante de 40N adquire a aceleração de 8 m/s2 ? 5. Qual a massa de um bloco que ao receber uma força constante de intensidade 200 N adquire a aceleração de 2m/s2? 6. Determine a aceleração adquirida por um corpo de massa 30 kg, sujeito a uma força constante de intensidade 60N. 7. Determine a aceleração adquirida por um corpo de massa 50 kg, sujeito a uma força constante de 100 N. 8. Considere um móvel sujeito a duas forças horizontais de intensidades 30N e 20N: F1 = 30N F2 = 20N Se a massa do corpo é 4kg, determine a aceleração adquirida. 9. Considere um móvel sujeito a duas forças horizontais de intensidades 30 N e 10 N: F1 = 30N F2 = 10N Se a massa do corpo é 4kg, determine a aceleração adquirida.. 12 10. Considere um móvel sujeito a duas forças horizontais de intensidades mostradas na figura: F1= F2 = 50N F3 = 20N Se a massa do corpo é 4kg, determine a aceleração adquirida. A terceira Lei de Newton ou princípio da ação e reação diz que: “À toda força de ação corresponde uma força de reação de mesma intensidade, mesma direção, mas de sentido oposto.” Assim, se um carro bater em um poste, o motorista poderá dizer que o poste bateu no carro? Lembre-se, o referencial sempre tem importância nas explicações físicas. Quando um barco a remo se desloca, o remo “empurra” a água (ação) em um sentido e a água “empurra” o remo no sentido contrário (reação). Sempre as intensidades das forças, de ação e reação são iguais enquanto os sentidos sempre são diferentes. A força peso é um interessante exemplo da 3ª. Lei, quando a Terra atrai um corpo (ação = peso do corpo) o corpo também atrai a Terra com uma força de intensidade igual. Entretanto o corpo deve ser mais leve do que a Terra já que adquire uma aceleração de queda. Diferença entre peso e massa: A massa de um corpo é a medida da matéria que o constitui (em quilogramas no S.I.). O peso do corpo é a sua massa vezes a aceleração da gravidade no local onde ele se encontra (outra aplicação da 2ª. Lei). O peso é medido em newtons pois tratando-se da força com que o corpo é atraído para a Terra. Próximo à superfície da Terra, a aceleração da gravidade é aproximadamente 9,8 m/s2. Utilizaremos para facilitar nossas contas g = 10 m/s2.Em outros planetas ou na Lua por exemplo, o valor da aceleração da gravidade varia. Por isso, o peso de um corpo varia de acordo com o lugar onde ele se encontra. Vamos identificar os pares de ação e reação em um corpo de massa m que se encontra em cima de uma superfície acima do solo. 13 1.Represente as seguintes forças: a) a força com que a Terra atrai o corpo b) a reação desta força c) a força que o corpo exerce sobre a superfície d) a reação desta força. 2.Cite mais alguns exemplos de pares de forças Ação e Reação e depois responda: 3. As forças de ação e reação podem se anular? Explique. Exercícios de revisão: 1. Um pequeno automóvel colide com um grande caminhão carregado. Você acha que a força exercida pelo automóvel no caminhão é maior, menor ou igual à força exercida pelo caminhão no automóvel. Justifique. 2. Como a hélice de um avião o impulsiona? 3. Há necessidade da atmosfera para que o avião seja acelerado? 4.Uma pessoa encontra-se no meio de um lago gelado, de atrito desprezível. a) Ela pode caminhar até a margem do lago? Comente sua resposta. b) Essa pessoa arremessa horizontalmente um sapato e este atinge a outra margem Por quê? 5.Na ausência de forças, um corpo em repouso continua em repouso, e um corpo em movimento continua em movimento em linha reta e com velocidade constante. Que princípio é este? 6.Chama-se resultante de um sistema de forças a única força que produz o mesmo efeito de um sistema. Considere duas forças, uma de 40N e outra de 60N. Determine o valor da resultante quando: a) as duas forças estão na mesma direção e em sentidos opostos, b) se estiverem na mesma direção e mesmo sentido. 7.Desenhe as duas forças do exercício anterior perpendiculares. Qual o valor da resultante sobre elas? 14 15