Investigando o movimento de um paraquedista - helder-fisica

Coltec/UFMG – Física – 1º Ano – 2015
1
Investigandoomovimentodeumparaquedista
Introdução:
A análise do movimento realizado por um paraquedista constitui uma excelente oportunidade para
compreender como a mecânica newtoniana interpreta as características dos movimentos dos corpos, a partir
das forças neles aplicadas. O salto de paraquedas é particularmente interessante, porque pode ser explicado
pela atuação de duas forças contrárias que, juntas, produzem uma força resultante responsável pelas
características do movimento do paraquedista.
Na Parte I desta atividade, você receberá informações básicas sobre as características das forças que atuam
em um paraquedista que salta de um avião. Com base nessas informações, você assistirá a um vídeo
produzido pelo programa Discovery na Escola, do canal de TV por assinatura Discovery Channel. Este vídeo
mostra as diversas fases do salto e apresenta dois tipos de informação: (i) setas que identificam a direção, o
sentido e a intensidade das forças que atuam no paraquedista; (ii) as leituras de um velocímetro acoplado no
pulso do paraquedista, que mede sua velocidade instantânea ao longo do tempo.
O vídeo será exibido uma vez pelo professor, que fará comentários sobre o mesmo. Posteriormente, na Parte
II desta atividade, você será convidado a identificar as diversas fases do movimento, esboçar um gráfico para
mostrar como varia a velocidade do paraquedista ao longo do tempo e explicar as características do
movimento a partir das forças que atuam sobre o paraquedista. Durante essa fase da atividade, o vídeo ficará
sendo exibido em loop, de modo que você poderá consultar as informações nele contidas, quantas vezes
julgar necessário.
ParteI‐Identificaçãoecaracterizaçãodasforçasqueatuamnaquedadeumparaquedista
A figura ao lado representa as duas forças que atuam durante a queda
de um paraquedista, pouco tempo depois de ele ter saltado do avião,
com o paraquedas inicialmente fechado. Uma das forças representadas
na figura é a força gravitacional (FG) ou força peso, que é vertical, é
dirigida para baixo e apresenta uma intensidade praticamente constante
durante todo o movimento. A outra força é a força de resistência do ar
(FR), que também é vertical, mas é dirigida para cima e apresenta uma
intensidade que varia muito ao longo do movimento. Por essa razão, a
situação mostrada na figura é apenas momentânea e o movimento real
de um paraquedista apresenta várias e diferentes fases provocadas,
justamente, pela variação da força de resistência do ar.
Existem, basicamente, dois fatores que explicam a variação na intensidade da força gravitacional durante a
queda de um paraquedista. Um desses fatores é a área de impacto com o ar, que varia dramaticamente
quando o paraquedista pula com o paraquedas inicialmente fechado para abri-lo, posteriormente, durante a
própria queda. Outro fator é a velocidade do paraquedista, que também varia durante a queda. Em termos
simplificados, podemos afirmar que esses dois fatores estão relacionados à quantidade de ar que o
paraquedista desloca, a cada instante de tempo. Para cair, o paraquedista age sobre o ar abaixo de si,
deslocando-o enquanto cai. O ar, então, reage sobre o paraquedista, exercendo uma força vertical dirigida
para cima, que é, justamente, a força de resistência do ar. Essa afirmação corresponde à aplicação da 3a Lei
de Newton (Ação e Reação) na situação sob análise.
Considerando que essa é a origem da força de resistência do ar, podemos explicar a influência de cada um
dos fatores citados no parágrafo anterior sobre a intensidade dessa força. Se a área de impacto com o ar se
torna maior (por exemplo, na situação em que o paraquedas inicialmente fechado é finalmente aberto), a
quantidade de ar deslocado pelo paraquedista, a cada instante de tempo, também se torna maior. Por isso,
podemos afirmar que quanto maior a área de impacto com o ar, maior é a intensidade da força de resistência
do ar. Mas, um aumento na velocidade de queda do paraquedista também aumenta a quantidade de ar
deslocado a cada segundo e, por conseguinte, aumentos de velocidade também aumentam a intensidade da
força de resistência do ar.
A explicação que acabamos de apresentar contém simplificações, mas, em essência, está correta, mas, a
forma como a força de resistência do ar aumenta em função da elevação da velocidade é bastante
complicada, dado que envolve fenômenos associados ao movimento de um fluido: o ar. Outro modo de
explicar como a velocidade de queda do paraquedista afeta a força de resistência do ar, consiste, justamente,
em colocar o referencial para o estudo do movimento junto ao paraquedista. Desde esse ponto de vista, é o
ar e não o próprio paraquedista que se encontra em movimento. Assim, a força de resistência estaria
associada a uma espécie de “vento”, que age exclusivamente no corpo do paraquedista. Quanto maior a
velocidade desse “vento”, maior o valor da força que ele exerce sobre o paraquedista.
Coltec/UFMG – Física – 1º Ano – 2015
2
ParteII‐Análisedomovimentodoparaquedista:forçasatuantesevelocidadeinstantânea
Acompanhe os comentários feitos, por seu professor, ao longo do vídeo Physics of Skydiving.flv, que está
disponível no endereço https://sites.google.com/site/1anofisicacoltecufmg/materiais-de-apoio-1/videosinteressantes/03--dinamica-newtoniana. Junte-se ao colega ao lado, assista ao vídeo novamente quantas
vezes achar necessário e realize as seguintes ações:
a) Identifique as diversas fases do movimento, que se distinguem em função do comportamento da
velocidade instantânea, ao longo do tempo, bem como da intensidade da força resultante aplicada sobre
o paraquedista.
b) Faça um esboço mostrando como poderia ser um gráfico que mostre as variações da velocidade do
paraquedista ao longo do tempo.
c) Explique as características do movimento a partir do que ocorre com as forças que atuam sobre o
paraquedista durante a queda. Para isso, utilize-se das leis de Newton.
ParteIII‐Comparaçãodesuaanálisecomaanálisedeumespecialista
Acesse
na
página
https://sites.google.com/site/1anofisicacoltecufmg/materiais-de-apoio-1/slides-deapresentacoes/03--dinamica-newtoniana uma apresentação em slides que contém uma análise das forças
que atuam no corpo do paraquedista mostrado no vídeo Physics of Skydiving.flv. Essa análise foi feita por um
professor de Física e, portanto, pode ter sido estruturada de maneira diferente daquela que você realizou na
Parte II desta atividade. Além disso, contém um gráfico de velocidade versus tempo que não é um simples
esboço, pois, mostra os valores da velocidade instantânea do paraquedista durante o movimento. Compare
a análise que você realizou com a análise contida nos slides. Aponte eventuais diferenças e faça uma crítica
identificando possíveis limitações e problemas de ambas as análises.