Física Elementar Material Didático Equipe de Física: (PCNA Março de 2017) Alexandre Guimarães Rodrigues (Coordenação) José Benício da Cruz Costa (Orientação) Monitores: Março 2017 Universidade Federal do Pará Adrielle de Sousa Nascimento Diego Ribeiro Pinto de Castro Ingred Rodrigues da Silva Marcel Almeida do Amaral Mayara Gonçalves Costa Odivaldo Barbosa Dias Equipe de Professores Alexandre Guimarães Rodrigues (Coordenação Geral) Matemática: Alessandra Macedo de Souza (Coordenação) Química: Shirley Cristina Cabral Nascimento (Coordenação) Física: Alexandre Guimarães Rodrigues (Coordenação) Administrativo: José Benício da Cruz Costa (Coordenação) PCNA-FÍSICA ELEMENTAR Lista de Figuras 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 Triângulo Retângulo . . . . . . . . Representação de um teodolito. . . Edifı́cio e suas projeções . . . . . . Lago e suas projeções . . . . . . . Ciclo Trigonométrico em radianos. Ciclo Trigonométrico em graus. . . Triângulo para Lei dos Cossenos. . Triângulo para Lei dos Senos. . . . Representação de vetores paralelos, ou seja, vetores que apresentam o mesmo sentido e direção, apresentando ou não mesmo módulo. . . . Representação de vetores negativos, ou seja, vetores que apresentam o mesmo módulo e direção do vetor positivo dado e sentido contrário. . . . . . . . . . . . . . . Representação geométrica de dois vetores. . . . . . . . . . . . . . . . Representação de soma de dois vetores pela regra do paralelogramo [1]. Representação geométrica de dois vetores perpendiculares. . . . . . . Exemplo 2.1. . . . . . . . . . . . . Vetores ~a e ~b no plano cartesiano. . Regra do paralelogramo. . . . . . . Representação de um vetor arbitrário e sua projeção sobre os eixos x e y. . . . . . . . . . . . . . . Triângulo formado pelo vetor principal e suas componentes. . . . . . Triângulo para as relações trigonométricas. . . . . . . . . . . . . . Exemplo 2.2. . . . . . . . . . . . . Exemplo 2.3. . . . . . . . . . . . . Exercı́cio 4. . . . . . . . . . . . . . Exercı́cio 5. . . . . . . . . . . . . . Exercı́cio 6. . . . . . . . . . . . . . Exercı́cio 7. . . . . . . . . . . . . . Exercı́cio 9. . . . . . . . . . . . . . Representação do vetor deslocamento de suas componentes x e y. . Representação do vetor ~a em duas dimensões, x e y. . . . . . . . . . . Representação dos vetores ~a e ~b fornecendo o vetor resultante ~c, a partir de suas componentes. . . . . . . Representação dos vetores ~a e ~b somados fornecendo o vetor resultante ~c. . . . . . . . . . . . . . . . 31 8 8 9 9 10 10 11 11 32 33 34 14 35 14 36 14 14 37 15 15 15 15 38 16 16 16 17 17 17 18 18 18 18 39 40 18 19 20 20 41 Representação de um vetor resultante ~c formando um triângulo retângulo com suas componentes. . Representação da multiplicação de um vetor por um escalar. . . . . . Regra da mão direita. . . . . . . . Quanto mais lisa a superfı́cie, mais longe um disco desliza após tomar uma velocidade inicial.Se ele se move em um colchão de ar sobre a mesa (c) a força de atrito é praticamente zero, de modo que o disco continua a deslizar com velocidade quase constante (YOUNG. H. D; FREEDMAN. Fı́sica 1-Sears & Zemansky. Mecânica. 12a . Edição. Ed. Pearson) . . . . . . . . . . . . Massa, aceleração e a segunda lei de Newton. . . . . . . . . . . . . . Duas forças F~1 e F~2 que atuam sobre um ponto A exercem o mesmo efeito que uma força R dada pela soma vetorial. . . . . . . . . . . . . Achando os componentes do vetor soma (resultante) R de duas forças F~1 e F~2 . . . . . . . . . . . . . . . . O projeto de uma motocicleta de alto desempenho depende fundamentalmente da segunda lei de Newton. Para maximizar a aceleração, o projetista deve fazer a motocicleta ser mais leve possı́vel (isto é, minimizar sua massa) e usar o motor mais potente possı́vel (isto é, maximizar a força motriz). . . . Identificação das forças em ação, quando uma mão puxa uma corda amarrada a um bloco. a) Mão, corda e bloco. b) Pares de ação e reação. (As forças verticais não são mostradas). . . . . . . . . . . . . . Não são pares de ação e reação. a) Essas forças não são um par de ação e reação por que atuam no mesmo corpo. b) Essas forças serão iguais somente se a corda estiver em equilı́brio ou se sua massa for desprezada. (As forças verticais não são mostradas). . . . . . . . . . . . A figura acima representa: a) um esboço da situação a ser estudada. b) as forças atuantes no corpo A. c) a força atuante no corpo B. . . . . 3 20 22 23 28 30 30 31 31 32 32 32 PCNA-FÍSICA ELEMENTAR 42 43 44 45 46 47 48 49 50 a) Uma caixa sobe um plano inclinado, puxada por uma corda . (b) As três forças que agem cobre a caixa: a força da corda T a força gravitacional Fq e a força normal FN . (c) As componentes de Fq na direção ao plano inclinado e na direção perpendicular. . . . . . . . Duas forças atuam sobre o bloco, o seu peso P~ e a força normal F~N exercida pela superfı́cie da mesa. . (a) A força normal F~N é maior do que o peso da caixa, pois a caixa está sendo pressionada para baixo com uma força de 11 N. (b) A força normal é menor do que o peso, pois há uma força de 11 N para cima que sustenta parcialmente a caixa. . . . A prática do hóquei no gelo depende decisivamente do atrito entre os patins do jogador e o gelo. Quando o atrito é muito elevado, o jogador se locomove muito lentamente; quando o atrito é muito pequeno, o jogador dificilmente evita sua queda. . . . . . . . . . . . A área microscópica de contato entre a caixa e o piso é apenas uma pequena fração da área macroscópica da superfı́cie do tampo da caixa. A área microscópica é proporcional à força normal exercida entre as superfı́cies. Se a caixa repousa sobre um de seus lados, a área microscópica aumenta, mas a força por unidade diminui, de forma que área microscópica de contato não muda. Não importa se a caixa está de pé ou deitada, a mesma força horizontal F aplicada é necessária para mantêla deslizando com rapidez constante (PAUL A. TIPLER, GENE MOSCA, 2012). . . . . . . . . . . . . . . . . Atrito Estático. . . . . . . . . . . . Gráfico da força de atrito. . . . . . (a) A força T~ está sendo aplicada à extremidade direita de uma corda. (b) a força é transmitida para caixa. (c) Forças são aplicadas às duas extremidades da corda. Estas forças possuem mesmos módulos e direções opostas (mesma direção e sentidos contrários), (CUTNELL & JOHNSON, 2012). . . . . . . . . . A relação entre massa e peso. . . . 51 52 33 53 37 54 55 56 57 58 37 59 60 38 61 62 63 64 65 66 67 68 Em um movimento circular uniforme, tanto a aceleração, como a força resultante são orientadas para o centro do circulo. . . . . . . . . . O que acontece quando a força orientada para o centro deixa de atuar sobre um movimento circular? . . . Indicação de referencial graduada em metros . . . . . . . . . . . . . . Reta secante a uma função f (x) . . Gráfico de posição no tempo. . . . Reta secante tendendo a uma tangente. . . . . . . . . . . . . . . . . Reta horizontal de uma função constante . . . . . . . . . . . . . . Derivada indicando se a) f (x) é crescente ou se b) f (x) é decrescente. Na figura acima, c é máximo local e d é mı́nimo local (f 0 (c) = f 0 (d) = 0). Tabela representativa de derivada e integral de modo sintético. . . . . . Gráfico de aceleração no tempo. . . Gráfico de velocidade no tempo. . Gráfico da aceleração no tempo. . Gráfico de uma curva qualquer. . . Curva sendo aproximada grosseiramente por retângulos. . . . . . . . Aproximação melhorada com o uso de retângulos mais finos. . . . . . . A variação no espaço é igual a área do gráfico vxt . . . . . . . . . . . . A variação no espaço é igual a área do gráfico axt . . . . . . . . . . . . 38 39 40 40 41 4 42 42 51 53 54 54 55 56 56 57 57 58 58 58 58 59 60 60 PCNA-FÍSICA ELEMENTAR Sumário 4 1 CIÊNCIAS, GRANDEZAS FÍSICAS E UNIDADES 1.1 Objetivos de aprendizagem: . . . . 1.2 A Natureza da Fı́sica . . . . . . . 1.3 Grandezas e Dimensões . . . . . 1.4 Análise Dimensional . . . . . . . 1.5 Conversões de unidades . . . . . 1.6 Incertezas e Algarismos Significativos: . . . . . . . . . . . . . . . 1.7 Funções Trigonométricas Básicas 1.8 Cı́rculo trigonométrico . . . . . . 1.9 Lei dos Cossenos . . . . . . . . . 1.10 Lei dos Senos . . . . . . . . . . . EXERCÍCIOS . . . . . . . . . . . . . . 2 ANÁLISE BÁSICA VETORIAL 13 Objetivos de aprendizagem: . . . Diferenças entre escalares e vetores Conceitos básicos de vetores . . . Soma e subtração gráfica de vetores Componentes de vetores . . . . . Vetores unitários ou versores . . Soma de vetores a partir de suas componentes . . . . . . . . . . . . 2.8 Multiplicação de vetores . . . . . 2.9 Multiplicação de um vetor por escalar . . . . . . . . . . . . . . . . 2.10 Multiplicação de um vetor por um vetor . . . . . . . . . . . . . . 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.10.1 Produto escalar . 2.10.2 Produto vetorial EXERCÍCIOS . . . . . . . . PROBLEMAS ADICIONAIS 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . LEIS DE NEWTON 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 Objetivos de aprendizagem: . . . Introdução . . . . . . . . . . . . . Referencial do ponto de vista da dinâmica . . . . . . . . . . . . . . Primeira lei de Newton (Princı́pio da Inércia) . . . . . . . Relação vetorial entre velocidade e aceleração . . . . . . . . . . . . Segunda lei de Newton . . . . . . Relação entre força e aceleração Terceira lei de Newton . . . . . . Diagrama de corpo livre . . . . . Objetivos de aprendizagem: . . . Introdução . . . . . . . . . . . . . Aplicações da primeira lei de newton: partı́culas em equilı́brio 4.4 Aplicações da segunda lei de newton: dinâmica das partı́culas 4.5 Forças de contato . . . . . . . . . 4.1 4.2 4.3 6 6 6 6 6 7 8 8 9 11 11 12 APLICAÇÕES DAS LEIS DE NEWTON 36 4.5.1 4.5.2 4.5.3 4.5.4 Força normal . . Forças de atrito . Forças de tração Massa e peso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.6 Dinâmica do movimento circular EXERCÍCIOS . . . . . . . . . . . . . . 5 36 36 36 36 37 37 38 40 40 41 43 NOÇÕES DE CÁLCULO DIFERENCIAL E INTEGRAL NA CINEMÁTICA 50 13 13 13 14 15 19 5.1 5.2 5.3 19 21 5.6 5.7 5.8 5.4 5.5 21 5.9 5.10 5.11 Objetivos de aprendizagem: . . . Introdução: . . . . . . . . . . . . . Uma breve discussão sobre referencial do ponto de vista da cinemática . . . . . . . . . . . . . . 5.3 Posição x deslocamento . . . Velocidade vetorial média x velocidade escalar média . . . . . . . Velocidade instantânea . . . . . . Noções de cálculo diferencial . . Aceleração vetorial média x Aceleração escalar média . . . . . . . Aceleração instantânea . . . . . . Noções de cálculo integral . . . . Aplicação na cinemática . . . . . 21 21 23 GABARITO GERAL 24 25 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 27 27 27 27 28 29 30 31 31 32 5 50 50 50 51 52 52 53 54 55 58 59 61 63 PCNA-FÍSICA ELEMENTAR 1 CIÊNCIAS, GRANDEZAS FÍSICAS E UNIDADES 1.1 Objetivos de aprendizagem: • Entender o conceito de fı́sica e sua natureza. • Conhecer as grandezas fundamentais e as unidades usadas pelos fı́sicos para medi-las. GRANDEZAS FUNDAMENTAIS DA MECÂNICA UNIDADE SI CGS BE Metro Centı́metro Pé Comprimento (m) (cm) (ft) Quilograma Grama Slug Massa (Kg) (g) (sl) Segundo Segundo Segundo Tempo (s) (s) (s) Tabela 1: Relações entre os diversos sistemas de • Como fazer a análise dimensional de uma unidades. equação. • Converter unidades e como não perder de vista os algarismos mais significativos nos RELAÇÕES IMPORTANTES seus cálculos. 1 m = 10 dm = 100 cm = 1000 mm 1 kg = 1000 g • Como aplicar os conceitos básicos de trigono1 ton = 1000 kg metria. 1 h = 60 min = 3600 s 1 min = 60 s 1.2 A Natureza da Fı́sica A ciência e a engenharia se baseiam em medições e comparações. Assim precisamos de regras para estabelecer de que forma as grandezas devem ser medidas e comparadas, e de experimentos para estabelecer as unidades para essas medições e comparações. A fı́sica é uma ciência experimental, e assim como a quı́mica e a matemática, forma a base de todas as engenharias. Nenhum engenheiro pode projetar uma tela plana de TV, uma nave espacial, um reator ou até mesmo uma ratoeira mais eficiente, sem antes entender os princı́pios básicos da fı́sica. 1.3 Grandezas e Dimensões Os experimentos fı́sicos exigem medidas, e normalmente usamos números para descrever os resultados das medidas. Medir refere-se a comparar uma grandeza com um padrão que é a unidade de medida. Uma grandeza fı́sica descreve quantitativamente um conceito quando o exprime na forma de número e em função de uma unidade de medida. Por exemplo, duas grandezas fı́sicas para descrever você são a sua massa e a sua altura. Para cientistas e engenheiros, em grande parte do mundo, o sistema padrão utilizado é conhecido como Sistema Internacional ou SI. No SI a massa é medida em quilogramas (Kg) e a altura (comprimento) em metros (m).Existem outros sistemas como CGS e o sistema de Engenharia Britânico (BE) conforme exposto na Tabela 1. 1.4 Análise Dimensional Em fı́sica, o termo dimensão é usado para se referir à natureza fı́sica de uma grandeza. A preocupação com a dimensionalidade de uma grandeza ou de uma fórmula antecede a questão da unidade usada. Por exemplo, para medir a distância entre dois objetos podemos utilizar fita métrica graduada em centı́metro, decı́metro ou metro. Entretanto, ninguém discute que essa medida deverá ser feita a partir de uma unidade de comprimento. Em outras palavras, a análise dimensional é usada para verificar relações matemáticas quanto à consistência das suas dimensões. Na mecânica, parte da Fı́sica que envolve a cinemática e a dinâmica, a totalidade dos conceitos básicos dessa área pode ser expressa em termos de uma combinação de dimensões fundamentais. São elas: • Comprimento [L] • Tempo [T] • Massa [M] Exemplo 1.1: Considere um carro que parte do repouso e acelera até uma velocidade v em um tempo t. Desejamos calcular a distância x percorrida pelo carro, mas não temos a certeza de se a relação correta é x = 12 .v.t2 ou x = 12 .v.t. Podemos verificar as grandezas em ambos os lados da equação para vermos se possuem as 6 PCNA-FÍSICA ELEMENTAR mesmas dimensões da seguinte maneira: Façamos o caso da conversão de velocidade de km/h para m/s. Sabemos que 1 quilômetro pos1 2 Na equação x = 2 .v.t , aplicando as dimensões sui 1000 metros e que 1 hora possui 3600 segundos (60x60s). Logo, 1km/h = 1000m/3600s ≈ [L] e [T], teremos: 0, 2778m/s. Sabemos quanto vale 1km/h em m/s. E quanto vale 1m/s em termos de km/h? Vamos [L] 2 [L] = [T ] .[T ] ou [L] = [L].[T ] para a regra de três! A dimensão do lado esquerdo da equação não coincide com a dimensão do lado direito. Logo, a relação não está correta, pois não faz sentido trabalharmos com uma fórmula do tipo posição = velocidade. Afinal, estamos medindo posição ou velocidade? Daı́ a necessidade de que a dimensão do “lado esquerdo” da fórmula seja igual à do “lado direito” e, caso seja composta por mais de uma parcela, essas devem ter a mesma dimensionalidade entre si e a mesma compatibilidade com a descrição da fórmula em questão. Portanto, todas as fórmulas que utilizamos, independentemente do contexto em questão, deve ter o dimensionamento consistente. Caso contrário deve ser reanalisada ou simplesmente descartada. Lembre-se disso ao final das suas resoluções de problemas e exercı́cios! Para a equação x = 21 .v.t temos: 1km/h —— 0, 2778m/s x —— 1m/s A leitura é feita da seguinte forma: 1km/h vale 0,2778m/s. 1m/s (que ainda não sabemos quanto vale em km/h) em termos de km/h vale x (incógnita). Em seguida fazemos uma multiplicação em diagonal (repare que de um lado temos somente uma unidade (km/h) e do outro lado com outra unidade (m/s)). Assim ficamos com: 1km/h.1m/s = x.0, 2778m/s 1km/h x = 0,27778 = 3, 6km/h Portanto, x, que é igual a 1 m/s escrito em termos de unidade de velocidade em m/s vale 3,6 km/h. A forma de montar uma regra de três é sempre simples. Mas atenção! Fazer uma mudança de unidades não altera a dimensão da grandeza que A dimensão em ambos os lados coincidem, logo você está trabalhando! essa equação está dimensionalmente correta. Exemplo 1.2: [L] = 1.5 [L] [T ] .[T ] ou [L] = [L] Conversões de unidades Uma vez que qualquer grandeza pode ser medida em diferentes unidades é importante saber como converter um resultado expresso em uma unidade para outra unidade. A conversão pode envolver uma única dimensão, como por exemplo, converter 1 km para metros , 1km = 103 m. Pode também envolver mais de uma dimensão, como converter velocidade dada em km/h para m/s. Neste caso, precisamos expressar quilômetro em metros e hora em segundos. Em todos os casos de conversão de unidades pode-se afirmar que não há nada mais envolvido que as operações de multiplicação e divisão. As regras de conversão podem ser sintetizadas a partir de um cálculo simples envolvendo regra de três. É necessário que se diga, embora óbvio, que só é possı́vel converter uma unidade para outra unidade quando sabemos o quanto vale uma unidade de medida em termos da outra e vice-e-versa. O Sistema de unidades estadunidense é diferente do Sistema Internacional (Système National d’Unités), que é utilizado no Brasil e na maioria dos paı́ses. Nos Estados Unidos, para medir massa, por exemplo, utiliza-se a unidade “libras”(pounds). Já no Brasil, geralmente se utiliza o “quilograma”. Para grandes medidas de altura, os norte-americanos utilizam a unidade “pés” (feet), enquanto que nós utilizamos “metros” ou “quilômetros”. Imagine que durante seu perı́odo de graduação você faça um intercâmbio acadêmico para os Estados Unidos e sua primeira aula seja de conversão de unidades. Assim, determine quanto vale 3212ft (feet) em metros. Obs.: 1ft=30,48cm=0,3048m Estratégia de raciocı́nio: 1 ft = 0,3048m. A pergunta é: quanto vale 7 PCNA-FÍSICA ELEMENTAR 3212ft expresso em metros? Vale x metros. É o que queremos descobrir. Vamos montar nossa regra de três! 1f t —— 0, 3048m 3212f t —— x A regra de três foi montada corretamente. Agora é só fazer a multiplicação em diagonal e isolar o fator x. 3212ft.0,3048m = x.1ft x = 979,0 m Figura 1: Triângulo Retângulo sen θ = ho h , cos θ= ha h , tan θ= ha ho o seno, o cosseno e a tangente são números sem Não se esqueça de fazer o corte nas dimensões unidades (nem dimensões) porque cada um é a também! ft do lado esquerdo corta com ft do lado razão entre os comprimentos de dois lados de um direito da equação e a resposta é dada em metros, triângulo retângulo. conforme desejamos. Exemplo 1.3 : 1.6 Incertezas e Algarismos Significativos: As medidas sempre envolvem incertezas. Em muitos casos, a incerteza de um número não é apresentada explicitamente. Em vez disso, ela é indicada pelo número de dı́gitos confiáveis, ou algarismos significativos, do valor da medida. Por exemplo, medimos a espessura da capa de um livro e encontramos o valor 2,91mm, esse valor apresenta três algarismos significativos. Com isto, queremos dizer que os dois primeiros algarismos são corretos, enquanto o terceiro dı́gito é incerto. O último dı́gito está na casa dos centésimos, de modo que a incerteza é aproximadamente igual a 0,01mm. 1.7 “A finalidade principal de um teodolito é a medida de ângulos horizontais e verticais. Indiretamente, podem-se medir distâncias que, relacionadas com os ângulos verticais, possibilita obter tanto a distância horizontal entre dois pontos quanto à diferença de nı́vel entre os mesmos.” (Fonte: Teodolitos e Nı́veis Ópticos – Verificação e Ajustes, FERRAZ, A.S; ANTONINO, L.C.). A Figura 2 mostra uma versão simplificada do Teodolito. Funções Trigonométricas Básicas A trigonometria é uma área da matemática muito aplicada na fı́sica, sobretudo nos tipos de problemas tratados pela mecânica. Em especial, três funções trigonométricas básicas são mais utilizadas. São essas: o seno, o cosseno e a tangente de um determinado ângulo. Vamos definir essas funções a seguir a partir do triângulo retângulo abaixo: Pelo teorema de Pitágoras, determina-se que: Figura 2: Representação de um teodolito. Considere que um topógrafo precisa determinar a altura de um edifı́cio para executar um projeto h2 = h2o + h2a de engenharia. Verifica-se que este edifı́cio produz h = comprimento da hipotenusa de um uma sombra de 67,2 m de comprimento em um dia triângulo retângulo ensolarado. O ângulo, verificado com o auxı́lio do h0 = comprimento do cateto oposto ao ângulo θ teodolito, entre os raios de sol e o chão é de θ= ha = comprimento do cateto adjacente ao ângulo θ 50,0o , como mostrado na Figura 3. Qual a altura do edifı́cio? Em que: Estratégia de raciocı́nio: 8 PCNA-FÍSICA ELEMENTAR Figura 4: Lago e suas projeções Figura 3: Edifı́cio e suas projeções Desejamos determinar a altura do edifı́cio. Para isso, analisamos as informações contidas no triângulo retângulo sombreado da figura dada. São elas: a altura como comprimento h0 do cateto oposto ao ângulo θ e o comprimento da sombra é o comprimento ha do cateto adjacente ao ângulo θ. Sabemos que a razão entre o comprimento do cateto oposto e o comprimento do cateto adjacente é a tangente do ângulo θ que pode ser usada para se determinar a altura do prédio. Solução: Usamos a função tangente conhecida da seguinte maneira, com θ = 50,0o e ha = 67,2 m: Desse modo: tan θ = ho ha Podemos observar que próximo a margem, os comprimentos dos catetos oposto e adjacente do triângulo retângulo formado na figura do lago são ho =2,25 m e ha =14,0 m, em relação ao ângulo θ. Após a identificação dessas informações, podemos usar o arco tangente (tan−1 ) para determinar o ângulo do item (a). Para determinar o item (b), consideramos que os catetos opostos e adjacentes passam a ser os mais afastados da margem onde ho = d e ha =22,0 m. Assim, com o valor de θ obtido no item (a), a função tangente pode ser usada para encontrar o valor da profundidade desconhecida. Considerando a forma com que a profundidade do lago aumenta com a distância na figura do lago, é de se esperar que a profundidade desconhecida seja maior do que 2,25 m. Solução: a) Usando a função arco tangente conhecida, chegamos a: 2,25m θ = tan−1 ( hhao ) = tan−1 ( 14,0m ) = 9, 13o Assim: b) Com θ = 9,13o , a função tangente pode ser usada para determinarmos a profundidade desconhecida a uma distância maior da margem, onde é determinado usando a ho = d e ha = 22,0 m. Conclui-se que: ho = ha .tan θ = (67, 2m).(tan 50, 0o ) ho = (67, 2m).(1, 19) = 80, 0m O valor de tan 50,0o calculadora cientı́fica. ho = ha .tanθ d = 22, 0m.tan9, 13o = 3, 54m Exemplo 1.4 : A profundidade de um lago aumenta gradativamente com um ângulo θ, como indicado na figura abaixo. Por questões de segurança, é necessário se determinar a profundidade do lago em várias distâncias a partir da margem. Para fornecer informações a respeito da profundidade, um guarda-vidas rema até uma distância de 14,0 m da margem em direção ao interior do lago e solta uma linha de pesca com um peso. Medindo o comprimento da linha, o guarda-vidas determina a profundidade como sendo igual a 2,25 m. a) Qual o valor de θ? b) Qual seria a profundidade d do lago a uma distância de 22,0 m a partir da margem? Estratégia de raciocı́nio: Temos que 3,54m é maior que 2,25 m, o que já era esperado. 1.8 Cı́rculo trigonométrico Do ponto de vista matemático é muito útil descrever relações trigonométricas em termos da geometria analı́tica. Do ponto de vista da fı́sica, é importante ter uma descrição matemática simples e completa para o movimento circular, pois muita coisa na natureza pode ser descrita em função desse tipo de movimento. Muitos artefatos produzidos pelo homem (a própria roda e vários tipos de sistema de engrenagens, apenas para ficar em alguns exemplos) possuem formato circular. Várias situações e fenômenos (periódicos e 9 PCNA-FÍSICA ELEMENTAR não periódicos) exigem descrição em termos de Sigamos com a análise do cı́rculo trigomovimentos circulares (isso sem contar a ı́ntima nométrico fazendo referência à duas unidades de relação entre movimentos oscilatórios harmônicos medida angular: radianos e graus. e o movimento circular uniforme). O cı́rculo trigonométrico é dividido em quatro quadrantes, como segue: O I quadrante é constituı́do pelos ângulos que estão entre 0 e π2 ; o II quadrante é constituı́do pelos ângulos que estão entre π2 e π; o III quadrante comporta os ângulos situados entre π e 3π 2 ;e o IV quadrante comporta os ângulos situados entre 3π 2 e 2π. Em termos da medida angular em graus, o I quadrante é delimitado entre 0 e 90o , o II entre 90o e 180o , o III entre 180o e 270o e o IV entre 270o e 360o . Para finalizar, faremos uma brevı́ssima introdução da expressão: C = 2πR Figura 5: Ciclo Trigonométrico em radianos. O que ela traz de tão especial? C é o comprimento do cı́rculo. Sendo um comprimento, tratase, portanto de uma grandeza linear. Do lado direito da expressão temos 2π. No caso, isso significa 2π radianos. É, portanto, uma grandeza angular. Desse modo temos uma relação entre uma relação entre uma grandeza escalar (comprimento C do cı́rculo) e uma grandeza angular (2π radianos). Outras expressões relacionando grandezas lineares com grandezas angulares surgirão no contexto da dinâmica. Figura 6: Ciclo Trigonométrico em graus. IMPORTANTE!! O cı́rculo trigonométrico é mais que o ponto de partida para a descrição matemática do movimento circular (se fosse só isso já não seria pouca coisa). O cı́rculo trigonométrico relaciona um cı́rculo de raio unitário adimensional (por definição) e um plano cartesiano com coordenadas (x,y). O centro do cı́rculo coincide com a origem do plano cartesiano. A relação entre a localização de um ponto no cı́rculo e o sistema de eixos coordenados é dada pela projeção ortogonal do ponto em relação a cada eixo coordenado. A partir daı́ formam-se triângulos retângulos que servem de base para definir todas as definições das funções trigonométricas. De maneira bem simples: O eixo x é o eixo dos cossenos. O eixo y é o eixo dos senos (ver figuras acima). Para que essa relação esteja correta, necessariamente a medida angular deve estar em radianos. É muito importante destacar que ao falar em ângulo, além de informar qual medida angular está utilizando, temos também de ser cuidadosos e explı́citos em relação a como a medida angular é feita. De maneira clara: Dizer simplesmente que o ângulo é 30o não é preciso. Precisamos responder o seguinte: O ângulo foi tomado a partir do semieixo Ox+ ou do semieixo Oy+? A medida angular foi feita no sentido horário ou anti-horário? 10 PCNA-FÍSICA ELEMENTAR O usual (mas não obrigatório) é fazer a sen(α) = hb abertura angular a partir do semieixo Ox+ e h = sen(α). b (I) tomar como sentido positivo a abertura em sentido anti-horário (portanto o sentido horário No triângulo BCH, temos que: é negativo). Observe que o sentido positivo do cı́rculo trigonométrico é o sentido anti-horário, ensen(β) = ha quanto que o sentido negativo é o sentido horário. h = sen(β) . a (II) IMPORTANTE!! Cuidados com a medida angular: A especificação completa da medida angular envolve a escolha do semieixo e o sentido em que a abertura angular é realizada (horário ou antihorário). De (I) e (II), obtemos: sen(α).b = sen(β) . a Ou a sen α = b sen β Assim, podemos concluir que: 1.9 Lei dos Cossenos Para um triângulo qualquer podemos escrever a lei dos cossenos. a2 = b2 + c2 − 2.b.c.cos(α) Onde α é o ângulo oposto ao lado a. a sen α = b sen β = c sen γ Equação essa conhecida como Lei dos senos ou Teorema dos senos. Principais pontos do capı́tulo: • Fı́sica é uma ciência experimental. • Massa, Comprimento e Tempo são as grandezas fundamentais da mecânica. E suas unidades correspondentes no SI são: quilograma, metro e segundo. Figura 7: Triângulo para Lei dos Cossenos. 1.10 Lei dos Senos O triângulo ABC, onde CH é a altura relativa ao lado AB. Como mostrado na Figura 8. • Toda equação deve ter o dimensionamento correto. A análise dimensional é usada para verificar equações matemáticas quanto a consistência das suas dimensões. • A conversão de unidades é importante para o estudo da fı́sica uma vez que qualquer grandeza fı́sica pode ser medida em diferentes unidades. • Toda medição envolve um certo grau de incerteza, que pode ser expresso explicitamente ou não. • O cı́rculo trigonométrico, além de descrever matematicamente o movimento circular, descreve relações trigonométricas importantes para a fı́sica, como o seno, cosseno e tangente. Figura 8: Triângulo para Lei dos Senos. No triângulo ACH, temos que: • Para a descrição completa de uma medida angular devem ser especificados a escolha do semieixo e o sentindo em que a abertura angular é realizada. 11 PCNA-FÍSICA ELEMENTAR EXERCÍCIOS 1. A água utilizada na casa de um sı́tio é captada e bombeada do rio para uma caixad’água a 50m de distância. A casa está a 80m de distância da caixa-d’água e o ângulo formado pelas direções caixa d’água-bomba e caixa d’água-casa é de 60o . Pretende-se bombear água do mesmo ponto de captação até a casa, quantos metros de encanamento são necessários? 2. A figura mostra o trecho de um rio onde se deseja construir uma ponte AB. De um ponto P, a 100m de B, mediu-se o ângulo dos pontos APB = 45o e do ponto A, mediu-se o ângulo PAB = 30o . Qual o comprimento da ponte? 12 PCNA-FÍSICA ELEMENTAR especial, a linguagem dos vetores! Essa linguagem é muito utilizada por cientistas e por engenheiros e, informalmente, até mesmo em conversas do dia a dia. Se você já explicou a alguém como chegar 2.1 Objetivos de aprendizagem: a um endereço usando expressões como “Siga por • Entender a diferença entre grandezas escala- esta rua por cinco quarteirões e depois dobre à esres e vetoriais; querda”, então você usou a linguagem dos vetores. 2 ANÁLISE BÁSICA VETORIAL • Somar e subtrair vetores graficamente; Alguém consegue imaginar o voo das aeronaves • Aprender o que significam as componentes de sem uma determinação precisa de rotas aéreas? um vetor e utilizá-las em cálculo de vetores; Rotas aéreas também são informações vetoriais. Saber caracterizar e manipular vetores é pré• Aprender o que são vetores unitários, o que requisito indispensável para a formação de qualos caracteriza e como aplicá-los; quer engenheiro ou profissional da área de exatas. • Utilizar as formas de multiplicação de vetores. 2.2 Diferenças entre escalares e vetores Algumas grandezas fı́sicas como o tempo, temperatura, volume e massa podem ser descritas apenas por um valor numérico acompanhado da(s) unidade(s) de medida da(s) grandeza(s) fı́sica(s) correspondente(s). Este tipo de grandeza é chamado de grandeza escalar. Por exemplo: quando alguém te pergunta qual a massa de um dado corpo e você diz que é de 2 kg, a informação está completa. Se alguém pergunta a hora e você responde que são 12 horas, a resposta está completa também. A maneira de somar essas grandezas é muito simples e em nada diferem da soma com números como nós estamos acostumados (além do fato de não podermos esquecer a unidade de medida da grandeza, é claro!). Mas há grandezas que precisam de mais informação. Além do valor numérico acompanhado da unidade de medida é necessária, também, uma orientação espacial (uma espécie de “para onde” aponta a grandeza). Muitas grandezas fı́sicas são assim. São chamadas de grandezas vetoriais. O ente que representa essas grandezas fı́sicas vetoriais e que possui tratamento matemático especı́fico é chamado de vetor. Deslocamento, velocidade, aceleração e forças como o atrito, peso e normal são exemplos de grandezas vetoriais. 2.3 Conceitos básicos de vetores A fı́sica lida com um grande número de grandezas que possuem amplitude e uma orientação espacial para serem corretamente representadas. Tais grandezas se combinam segundo regras bem definidas. Para entender essas grandezas e as regras segundo as quais elas se combinam é necessário compreender uma linguagem matemática IMPORTANTE! Grandezas vetoriais necessitam de mais informação do que grandezas escalares. Essas informações são: direção, sentido e módulo. Grandezas vetoriais precisam de uma orientação espacial. Além disso, conforme já dissemos, grandezas vetoriais se combinam (por soma e multiplicação) segundo regras especı́ficas e bem definidas, ou seja, caso uma grandeza “tenha pinta” de vetor, mas não obedeça a essas regras, não é vetor! Saber trabalhar com vetor é saber especificálo, determiná-lo (compô-lo ou decompô-lo) e combiná-lo com outros vetores (ou escalares) seguindo essas regras bem definidas. Acredite, você vai precisar disso na sua vida profissional. Todo vetor possui módulo, direção e sentido. A representação gráfica de um vetor é dada por um segmento de reta orientado (uma seta). O tamanho do segmento de reta representa o módulo do vetor. A direção e o sentido da seta fornecem a direção e o sentido do vetor. Podemos rotular um vetor por uma letra com uma pequena seta (para a direita) acima da mesma. Por exemplo, o rótulo de um vetor que chamamos de A fica assim ~ representado: A Outra opção é colocar a letra que designa o vetor em negrito, porém faremos a opção pela pequena seta acima da letra. Antes de saber “fazer as contas” para valer com os vetores é útil aprender a somar vetores graficamente. Ou seja, vamos 13 PCNA-FÍSICA ELEMENTAR aprender a somar vetores por meio das suas representações em forma de segmentos de reta orientados (setas). As Figuras 9 e 10 mostram representações de vetores paralelos e negativos respectivamente. Figura 11: Representação geométrica de dois vetores. Figura 9: Representação de vetores paralelos, ou ~ seja, vetores que apresentam o mesmo sentido e e “faz de outro jeito”(b + ~a) dando a “mesma coisa” (Equação 1) corresponde a um paralelodireção, apresentando ou não mesmo módulo. gramo. Convença-se disso antes de seguir adiante! Figura 10: Representação de vetores negativos, ou seja, vetores que apresentam o mesmo módulo e direção do vetor positivo dado e sentido contrário. 2.4 Figura 12: Representação de soma de dois vetores Soma e subtração gráfica de vetores pela regra do paralelogramo [1]. Suponha que uma partı́cula sofra um deslocamento ~a e depois um deslocamento ~b, conforme mostra a Figura 11. O que é o vetor ~a +~b? Fisicamente corresponde ao deslocamento total sofrido pela partı́cula. Visualmente falando, o vetor resultante ~a+~b é o vetor que “fecha” o polı́gono, ou seja, é o segmento de reta orientado que vai da origem do vetor ~a até a extremidade (“flecha”) do vetor ~b conforme mostra a Figura 11. O polı́gono é feito “arrastando” o vetor, sem mudar a direção deste vetor, até a extremidade do outro vetor (Este processo segue sucessivamente se tivermos mais de dois vetores até incluir todos os vetores. Como veremos, não importa a ordem que você escolhe para fazer o polı́gono). Uma propriedade fundamental da soma de dois vetores é que a ordem em que os vetores são somados não importa. ~a + ~b = ~b + ~a (Lei comutativa) (1) Quando existem mais de dois vetores podemos agrupá-los em qualquer ordem para somá-los geometricamente. Assim, se queremos somar os vetores ~a, ~b e ~c podemos primeiro somar ~a e ~b e depois somar o resultado a ~c e também podemos somar primeiro os vetores ~b e ~c e depois somar o resultado ao vetor ~a. (~a + ~b) + ~c = ~a + (~b + ~c) (2) (Lei associativa) Quando dois vetores são perpendiculares entre si, na Figura 13 podemos encontrar usando o teorema de Pitágoras, o módulo do vetor resultante. | ~a + ~b |= q | ~a |2 + | ~b |2 (3) Exemplo 2.1: De acordo com os vetores da Figura 14, mostrar, num gráfico em escala, um representante do vetor ~a − ~b. Podemos também somá-los construindo um paralelogramo (lembramos que um paralelogramo é Estratégia de raciocı́nio: Primeiramente, um quadrilátero de lados opostos paralelos). Gra- devemos escolher um eixo coordenado e indicar o ficamente falando, esse “faz de um jeito”(~a + ~b) sentido positivo desse eixo, Figura 15. 14 PCNA-FÍSICA ELEMENTAR Figura 16: Regra do paralelogramo. Figura 13: Representação geométrica de dois vetores perpendiculares. 2. Dados os vetores da Figura 15, mostrar, num gráfico em escala, um representante do vetor: a) ~b − ~a b) −~b − ~a c) 2~a − 3~b 3. Dado os vetores ~a = (4, 1) e ~b = (2, 6), faça um esboço gráfico dos vetores: a) ~a + ~b b) 2~a c) 2~a − ~b 2.5 Figura 14: Exemplo 2.1. Figura 15: Vetores ~a e ~b no plano cartesiano. Podemos enxergar o vetor que se pede da seguinte forma: ~a + (−~b). Perceba que o sinal negativo implica na inversão do vetor ~b em relação ao eixo “x” positivo (ver Figura 10). Ou seja, não alteramos a direção do vetor, mas apenas o seu sentido. Usando a regra do paralelogramo obtemos o vetor ~a − ~b conforme mostra a Figura 16. Antes de prosseguirmos no assunto, sugerimos que você resolva as questões a seguir. 1. Considerando o plano xz, construa, graficamente, os seguintes vetores: ~a = (2, −1), ~b = (3, 2), ~c = (1, 5), d~ = (−1, −2) e ~e = (−2, 3). Componentes de vetores Uma componente de um vetor é a projeção do vetor sobre um eixo. A afirmação sobre componentes nos permite fazer uma pergunta: Qual eixo? Perceba que precisamos definir esse eixo! Bem, para projetar sobre um eixo, precisamos definir um eixo coordenado, e esse é um dos passos para estabelecer um sistema de referência de eixos coordenados (chamamos simplesmente de sistema de coordenadas). Precisamos de uma origem para o sistema de coordenadas e precisamos especificar qual é o sentido positivo de cada eixo coordenado (lembre-se que para cada direção há dois sentidos). Os eixos se cruzam formando um ângulo de 90o , logo, eles são perpendiculares (sempre trabalharemos com sistemas de eixos perpendiculares). No momento focaremos nossa discussão em um sistema de coordenadas fixo chamado de sistema de coordenadas cartesiano (inicialmente para o plano, ou seja, precisaremos de duas coordenadas). Em um sistema cartesiano normalmente a abscissa (horizontal) é o eixo x (coordenada x) e a ordenada (vertical) é designada pelo eixo y (coordenada y). Mas veja bem! Não é obrigatório que o eixo x seja horizontal e o eixo y seja na vertical. Muitas vezes essa escolha (que é a usual) é útil, mas não é uma regra geral. A escolha depende do problema que você estiver analisando. Faça a escolha 15 PCNA-FÍSICA ELEMENTAR que simplifique a sua vida, ou seja, faça escolhas que tornem as contas mais fáceis! Na figura 17, visualizamos o vetor ~a e sua projeção no eixo x e no eixo y. Vale ressaltar que ax e ay são escalares que podem ser positivos ou negativos (a depender da orientação do vetor em relação à orientação do sistema de coordenadas escolhido). Figura 17: Representação de um vetor arbitrário Muito bem! Já vimos que para projetar e sua projeção sobre os eixos x e y. um vetor precisamos escolher um sistema de coordenadas para projetar o vetor sobre os eixos em questão. Para cada escolha de sistema de coordenadas encontraremos um par de componentes correspondente do vetor. Temos ainda um ponto muito importante para falar para você. Não é qualquer projeção do vetor sobre o eixo que corresponde à componente do vetor em relação ao eixo. Somente a projeção ortogonal ao eixo (ou seja, perpendicular ao eixo) corresponde à componente do vetor. Isso é muito importante! Toda projeção corresponde à relações entre triângulos Figura 18: Triângulo formado pelo vetor principal retângulos. Você deve estar lembrado que e suas componentes. as funções trigonométricas seno e cosseno envolvem relações em um triangulo retângulo. Com base no triângulo da Figura 18, poÉ por isso que funções seno e cosseno semdemos encontrar as relações trigonométricas pre vão aparecer em problemas de projeção da Equação 4. (recomendamos que você reveja as seções 1.7 e 1.8 do capı́tulo anterior). Uma observação, prezado leitor. Estabelecer corretamente um sistema de coordenadas é fundamental para estabelecer um referencial a partir do qual vamos poder medir posições e velocidades de um corpo. Não temos intenção que você aprenda tudo agora. O Figura 19: Triângulo para as relações trigoestudo do referencial é algo muito sutil e nométricas. voltaremos a falar sobre isso nos contextos de dinâmica e também no de cinemática. CO CA CO cos θ = tg θ = (4) sen θ = H H CA IMPORTANTE! (Relações trigonométricas) Só faz sentido falar em componentes de um vetor uma vez que o sistema de coordenadas em que o vetor será decomposto já tenha sido Deste modo, obtemos: escolhido de maneira explı́cita. ax =| ~a | .cos θ e ay =| ~a | .sen θ 16 (5) PCNA-FÍSICA ELEMENTAR Sendo θ o ângulo que o vetor ~a faz com o semieixo x positivo e | ~a | é o modulo do vetor. Uma vez que um vetor tenha sido decomposto em relação a um conjunto de eixos, as componentes podem ser usadas no lugar do vetor, assim: | ~a |= q ax 2 + ay 2 e tg θ = ay ax (6) Exemplo 2.2: Quais são as componentes x e y do vetor ~a? Seja | ~a |= 5, 0m e o ângulo θ = 30o . Figura 21: Exemplo 2.3. Estratégia de raciocı́nio: Novamente, lançamos mão das relações trigonométricas, com base nos triângulos retângulos em questão, para encontrar as seguintes relações: sen θ = ax | ~a | cos θ = ay | ~a | Portanto, ax = 8.sen30o = 4m Figura 20: Exemplo 2.2. Estratégia de raciocı́nio: Usaremos as relações trigonométricas com base nos triângulos retângulos em questão. sen θ = ay | ~a | cos θ = ax | ~a | ay = 8.cos30o = 6, 92m Vamos exercitar mais um pouco o conteúdo até aqui aprendido. A ideia é que você exercite a decomposição de vetores para escolhas não usuais de sistemas coordenados. 4. Quais são as componentes x e y do vetor ~a na Figura 22? Seja | ~a |= 5, 0m e θ = 50o . Portanto, ax =| ~a | .cos θ e ay =| ~a | .sen θ ax = 5.cos30o = 4, 33m ay = 5.sen30o = 2, 5m Figura 22: Exercı́cio 4. Exemplo 2.3: Quais são as componentes x ~ A Figura 21 mostra qual foi e y do vetor A? a escolha adotada para os eixos x e y. Considere | ~a | = 8m e θ = 30o . 5. Quais são as componentes x e y do vetor ~a na Figura 23? Seu módulo | ~a |= 6, 50m e o ângulo θ = 45o . 17 PCNA-FÍSICA ELEMENTAR Figura 26: Exercı́cio 9. Figura 23: Exercı́cio 5. 6. Quais são as componentes x e y do vetor ~a na Figura 24? Seja | ~a |= 8, 0m e o ângulo θ = 60o . Exemplo 2.4: Um vetor deslocamento d possui um módulo | d~ |= 175, 0m e uma inclinação de 50,0o , em relação ao eixo dos x como mostrado na figura abaixo. Determine as componentes x e y deste vetor. Figura 24: Exercı́cio 6. Figura 27: Representação do vetor deslocamento 7. Quais são as componentes x e y do vetor ~a de suas componentes x e y. na Figura 25? Seu módulo | ~a |= 9, 0m e o ângulo θ = 120o . Estratégia de raciocı́nio: De acordo com o nosso conhecimento de trigonometria básica, podemos observar o triângulo retângulo formado pelo vetor d e suas componentes x e y. Isto nos permite aplicar as funções trigonométricas seno e cosseno para determinar as componentes em questão. Figura 25: Exercı́cio 7. Solução: A componente y pode ser obtida usando o ângulo de 50,0o e a seguinte relação: 8. Um pequeno avião decola do aeroporto de Belém em um dia chuvoso e é avistado mais tarde a 300 km de distância, em um curso que faz um ângulo de 30o a partir de leste no sentido anti-horário. A que distância a leste e ao norte do aeroporto está o avião no momento em que é avistado? 9. a) Quais os sinais das componentes x de ~a, ~b e ~c na Figura 26? b) Quais são os sinais das componentes y de ~a, ~b e ~c? c) Quais são os sinais das componentes x e y de ~a + ~b + ~c? Dados: | ~a |= 8N, | ~b |= 7N e | ~c |= 10N . sen θ = y | d~ | y =| d~ | .sen θ = (175m)(sen50, 0o ) = 134m Seguindo o mesmo raciocı́nio, a componente x pode ser obtida da seguinte maneira: cos θ = x | d~ | x =| d~ | .cos θ = (175m)(cos50, 0o ) = 112m 18 PCNA-FÍSICA ELEMENTAR Outra forma de determinar as componentes é por meio do ângulo α. Observe: Sabemos que: cosα = y | d~ | Desse modo: y =| d~ | .cosα = (175m)(cos40, 0o ) = 134m x =| d~ | .senα = (175m)(cos40, 0o ) = 112m O valor de 40,0o foi encontrado por meio do conhecimento da soma de ângulos internos de um triângulo que tem que ser igual a 180,0o . 2.6 Vetores unitários ou versores Outro método de expressar componentes vetoriais consiste em usar vetores unitários. Mas, para que usar vetores unitários? Ou ainda, o que são vetores unitários? Para que eles servem? Quais são as suas caracterı́sticas? Um vetor unitário também conhecido como versor é um vetor que possui um módulo unitário e é adimensional. Possui a seguinte notação: Figura 28: Representação do vetor ~a em duas dimensões, x e y. temos as informações necessárias para determinar o vetor resultante. Esse é um ponto essencial ao se trabalhar com vetor. Faremos um exemplo para dois vetores. Mas preste atenção! Esse método pode ser utilizado para soma envolvendo uma quantidade qualquer de vetores. Portanto, você estará aprendendo um método geral, muito útil e importante para a sua formação. Considere os vetores ~a e ~b e suas respectivas componentes ax , ay e bx , by . Logo, podemos escrever os vetores em termos de seus versores da seguinte forma: ı̂ é um vetor unitário adimensional de comprimento 1 que aponta no sentido positivo do eixo dos x. ~a = ax ı̂ + ay ̂ ̂ é um vetor unitário adimensional de comprimento 1 que aponta no sentido positivo do eixo dos y. Os vetores ~a e ~b estão sendo representados na Figura 29. Não devemos esquecer que só podemos somar vetores que estejam na mesma direção ou eixo coordenado! (lembramos que se os vetores estiverem em sentido contrário terão sinais contrários, necessariamente). No nosso caso, analisando o eixo x notamos que, sobre o eixo, encontram-se as componentes ax e bx pois ambas estão orientadas pelo versor ı̂! Devemos extender o mesmo raciocı́nio para o eixo y. Ou seja, para cada coordenada temos um e somente um versor associado. O versor serve para indicar o sentido positivo da coordenada a qual o versor está associado. Lembre-se disso, ok? 2.7 Soma de vetores a partir de suas componentes Uma forma de somar vetores é combinar suas componentes eixo por eixo. Depois de encontrar as componentes do vetor resultante ~b = bx ı̂ + by ̂ Portanto, temos: ~c = cx ı̂ + cy ̂ = (ax + bx )ı̂ + (ay + by )̂ (7) 19 PCNA-FÍSICA ELEMENTAR eixo. Tendo a resultante para cada eixo aplicamos o teorema de Pitágoras para encontrar o módulo do vetor resultante. Para encontrar a orientação espacial do vetor resultante (ou seja, a direção e o sentido do vetor) faremos uso das relações trigonométricas seno, cosseno ou tangente (a depender em relação a quem vamos querer especificar a direção do vetor e se vamos querer usar a informação do módulo do vetor em si ou das suas componentes). Solução: Com as informações dadas na figura, montamos a seguinte tabela: Figura 29: Representação dos vetores ~a e ~b fornecendo o vetor resultante ~c, a partir de suas componentes. Exemplo 2.5: Um corredor se desloca 145 m numa direção nordeste, que faz 20o com a direção norte tomado no sentido horário (representado pelo vetor deslocamento ~a) e depois 105 m em uma direção sudeste fazendo 35,0o com a direção leste também no sentido horário (representado pelo vetor deslocamento ~b). Determine o módulo, a direção e o sentido do vetor resultante para a soma destes dois deslocamentos. Vetor ~a ~b ~c Componente x ax = (145m) .sen20o = 49, 6m bx = (105m) .cos35o = 86m cx = ax + bx = 135, 6m Componente y ay = (145m) .cos20o = 136m by = −(105m) .sen35o = −60, 2m cy = ay + by = 76m Tabela 2: Componente de vetores. A terceira linha da tabela fornece as componentes x e y do vetor resultante ~c : cx = ax + bx e cy = ay + by . A figura seguinte nos mostra o vetor resultante ~c e suas componentes vetoriais. E aplicando o teorema de Pitágoras no triângulo retângulo fornecido pela mesma, temos: Figura 30: Representação dos vetores ~a e ~b somados fornecendo o vetor resultante ~c. Estratégia de raciocı́nio: A Figura 30 Figura 31: Representação de um vetor resultante nos mostra os vetores ~a e ~b. Suponhamos que ~c formando um triângulo retângulo com suas como eixo y positivo coincide com a direção norte ponentes. e o eixo x positivo com o sentido leste. O primeiro passo é decompor cada um dos vetores nos eixos escolhidos para compor o sistema Desse modo: q q de coordenadas. Com isso achamos as com| ~c |= cx 2 + cy 2 = (135, 6m)2 + (76m)2 ponentes ax , bx e ay , by . Em seguida fazemos a soma para determinar a resultante em cada | ~c |= 155, 4m 20 PCNA-FÍSICA ELEMENTAR Pergunta importante: em relação a quem nós vamos especificar a orientação do vetor? Se usarmos uma bússola, normalmente é feito em relação à direção norte. Em relação ao sistema cartesiano, normalmente a orientação é dada em relação ao semieixo x positivo (mas não obrigatoriamente). Portanto, em relação a essa escolha, o ângulo θ que ~c faz com o eixo x é: θ = tg −1 cy cx = tg −1 76m 135, 6m 2.9 Multiplicação de um vetor por escalar Podemos multiplicar um vetor arbitrário ~a por um escalar (número) w. Dessa operação obtemos um vetor resultante ~r com as seguintes caracterı́sticas: = 29, 3o a partir de x (+) no sentindo antihorário. ~r = ~a.w (8) | ~r |=| ~a | .w (9) • O módulo do vetor resultante é o módulo que resulta da multiplicação do módulo de ~a vezes w. • A direção do novo vetor é a mesma. Lembre-se! Para encontrar o valor da componente do vetor resultante você deve somar a contribuição de todos os vetores. As componentes podem ser positivas ou negativas. Se a projeção de um dado vetor sobre um eixo tiver orientação contrária a que foi estabelecida como positiva ela entrará com sinal negativo na soma. • A dimensão do vetor ~r é igual a dimensão do vetor ~a multiplicada pela dimensão do escalar w. Sugerimos neste momento que você, leitor, faça as questões a seguir: 2.10 Multiplicação de um vetor por um vetor 10. Dados os vetores ~a = 2ı̂ + 3̂, ~b = ı̂+̂ e ~c = −4ı̂ + 2̂. Calcule: a) ~a + ~b b) ~a + ~c c) ~a − ~b • O sentido de ~r é o mesmo de ~a se w for positivo e sentido oposto se w for negativo. 11. Com base nos vetores da 10a questão, calcule: a) 2~a − ~b b) ~b + ~c c) ~a + ~b + ~c Existem duas formas de multiplicar um vetor por um vetor: uma forma conhecida como produto escalar que resulta em um escalar, a outra conhecida como produto vetorial que resulta em um vetor. 12. Esboce, no gráfico xy, os vetores da questão 10. 2.10.1 13. Esboce, no gráfico xy, os vetores da questão 11. 2.8 Multiplicação de vetores No inı́cio do capı́tulo dissemos que vetores se combinam segundo regras bem definidas de soma e multiplicação. Já vimos as relações de soma. Fica então a pergunta: Como vetores se combinam segundo regras de multiplicação? Multiplicar um vetor por um escalar é fácil. Significa que estamos alterando o módulo (intensidade) do vetor sem mudar a direção do mesmo. Temos ainda duas formas de multiplicar vetores entre si. Ambas são úteis e muito importantes. Vejamos! Produto escalar A multiplicação de um vetor por outro vetor resultando em um escalar é denominada produto escalar. Dados dois vetores ~a e ~b, o produto escalar é escrito como ~a.~b e definido pela equação: ~a.~b =| ~a | . | ~b | .cos θ (10) Vemos, portanto, que o produto escalar entre dois vetores depende dos módulos dos vetores, mas também depende da angulação entre dois vetores (e a dependência é com a função cosseno. Lembre-se disso!). Isso quer dizer que o produto escalar entre dois vetores de módulo muito grande pode ser zero, a depender da angulação entre eles. 21 PCNA-FÍSICA ELEMENTAR IMPORTANTE! Se o ângulo θ entre dois vetores é 0o , a componente de um vetor em relação ao outro é máxima. Se o ângulo é 90o , a componente de um vetor em relação ao outro é nula. Figura 32: Representação da multiplicação de um vetor por um escalar. Baseado nisso responda: Qual ângulo entre os vetores faz com o que o produto escalar dê zero, independente dos módulos dos vetores? Observe a Figura 32. Repare que | ~a | .cos θ corresponde exatamente à projeção do vetor ~a sobre o vetor ~b. É exatamente disso que se trata o produto escalar! Podemos escrever a equação que define o produto escalar separando as componentes da seguinte forma: ~a.~b = (| ~a | .cos θ). | ~b |= (cos θ. | ~b |). | ~a | Vemos, portanto que a propriedade comutativa se aplica ao produto escalar. Desse modo, ~a.~b = ~b.~a Em três dimensões (x, y, z ) o produto escalar dos vetores ~a e ~b, escritos em termos de seus vetores unitários, assume a forma: ~a.~b = (ax ı̂ +ay ̂ +az k̂ ).(bx ı̂ +by ̂ +bz k̂ ) (11) Exemplo 2.6: Qual é o ângulo θ entre ~a = 3, 0ı̂ − 4, 0̂ e ~b = −2, 0ı̂ + 3, 0k̂ ? Estratégia de raciocı́nio: Sabemos que o ângulo entre dois vetores aparece na definição de produto de escalar (Equação 10). Solução: Sabemos que | ~a | é o módulo do vetor ~a, dado por: q | ~a |= (3, 0)2 + (−4)2 = 5, 0 E que | ~b | é o módulo do vetor ~b dado por: | ~b |= q (−2)2 + (3, 0)2 = 3, 61 Podemos calcular o produto escalar escrevendo os vetores em termos dos vetores unitários e aplicando a propriedade distributiva: ~a.~b = (3, 0ı̂ − 4, 0̂).(−2, 0ı̂ + 3, 0k̂ ) ~a.~b = (3, 0ı̂).(−2, 0ı̂) + (3, 0ı̂).(+3, 0k̂ ) + (−4, 0̂).(−2, 0ı̂) + (−4, 0̂).(+3, 0k̂ ) Aplicaremos a propriedade distributiva na Equação 11. Não é surpresa para ninguém que as direções x, y, z são ortogonais entre si. Portanto os versores relacionados a essas direções são ortogonais entre si. Sabendo que os versores possuem módulo unitário e utilizando a expressão (10) que define o produto escalar demonstre que ı̂.ı̂=̂.̂=k̂ .k̂ = 1 e ı̂.̂=̂.k̂ = k̂ .ı̂= 0 Usando essas informações no produto da expressão (11), obtemos: ~a.~b = ax .bx + ay .by + az .bz De acordo com o produto escalar Logo, ~a.~b = −6, 0. Substituindo todos os resultados encontrados na equação do produto escalar, obtemos, −6, 0 = (5, 0).(3, 61).cos θ (12) θ = cos −1 −6, 0 = 109o (5, 0).(3, 61) 22 PCNA-FÍSICA ELEMENTAR Chegou o momento! Vamos exercitar o conteúdo até aqui aprendido. 14. Calcular o ângulo entre os vetores ~a = (1, 1, 4) e ~b = (–1, 2, 2). 15. Dados os vetores ~a = 3ı̂ + 2̂, ~b = 2ı̂ + ̂ e ~c = −4ı̂ + 2̂. Calcule o produto escalar: a) ~a.~b, b) ~a.~c e c) ~b.~c 16. Com base na questão 15, calcule o produto escalar: a) (~a + ~b).~a, b) (~a + ~b).~b e c) (~a + ~b).~c 2.10.2 Produto vetorial A multiplicação de um vetor por outro vetor resultando em um terceiro vetor é denominada produto vetorial. Dados dois vetores ~a e ~b, o produto vetorial é escrito como ~a × ~b. O módulo do vetor ~c obtido pelo produto vetorial entre os vetores ~a e ~b é dado por | ~c |=| ~a | . | ~b | .sen θ (13) Sendo θ o menor ângulo formado entre os vetores dados, uma vez que sen θ e sen(360o –θ) apresentam sinais opostos. O produto ~a × ~b é lido como “ ~a vetor ~b”. A direção do vetor resultante ~c é perpendicular ao plano definido por ~a e ~b. O seu sentido pode ser determinado pela Regra da Mão Direita. Superponha as origens de ~a e ~b sem mudar suas orientações. Já falamos que a direção do vetor resultante ~c é perpendicular ao plano definido por ~a e ~b. A receita para determinar o sentido de ~c é a seguinte. Vá de ~a para ~b pelo menor percurso angular entre os dois vetores. Quatro dedos da sua mão direita fazem o menor percurso angular de ~a para ~b e o dedo polegar estendido indica o sentido do vetor resultante. Se fizermos o mesmo percurso angular, mas agora de ~b para ~a, o sentido do vetor resultante indicado pelo dedo polegar extendido é invertido conforme indicado na Figura 33 como a regra da mão direita nos fornece de forma clara sobre as caracterı́sticas do produto vetorial. Isso traz uma importante consequência. Observamos que o produto vetorial entre vetores não é comutativo, ou seja, ~a ×~b 6= ~b ×~a. Figura 33: Regra da mão direita. Por isso que o sentido do vetor resultante é invertido quando invertemos a ordem do produto (o módulo do vetor resultante é o mesmo para os dois casos). Portanto, ~a ×~b = −~b ×~a. Vamos então resumir a toda a informação do produto vetorial entre vetores numa tabela a seguir. Para finalizar! Vamos exercitar o conteúdo até aqui aprendido. 17. Dados os vetores ~a = 2ı̂ − ̂, ~b = ı̂ + ̂ + k̂ e ~c = −2ı̂ + k̂ , determine as expressões: a) ~a ×~b, b) ~c ×~b, c) ~a × (~b ×~c) e d) (~a ×~b) ×~c Principais pontos do capı́tulo: • Grandezas vetoriais, diferentemente das grandezas escalares que precisam apenas de um módulo para serem descritas, precisam de uma orientação espacial. • Grandezas vetoriais se combinam usando regras de soma vetorial. • Soma vetorial também pode ser feita usando componentes de vetores. 23 PCNA-FÍSICA ELEMENTAR PRODUTO VETORIAL ~c = ~a × ~b | ~c |=| ~a | . | ~b | .sen θ (função dos módulos dos vetores ~a e MÓDULO ~b e do ângulo entre eles) Perpendicular ao plano DIREÇÃO formado pelos vetores ~a e ~b Convencionado pela regra da mão direita. Quatro dedos vão de ~a para ~b, pelo menor SENTIDO percurso angular e o dedo polegar indica o sentido do vetor resultante. Tabela 3: Propriedades do vetor ~c = ~a × ~b IMPORTANTE! ~ Se ~a e b são paralelos ou antiparalelos, ~a × ~b = 0. E o módulo de ~a × ~b é máximo quando ~a e ~b são perpendiculares. • A decomposição de vetores é feita utilizando as funções trigonométricas básicas. • Um vetor unitário tem módulo igual a 1, é adimensional e tem a função de descrever uma direção no espaço. • O produto escalar entre dois vetores é uma grandeza escalar. Enquanto que o produto vetorial é uma grandeza vetorial orientada sempre perpendicular ao plano formado pelos vetores multiplicados e com sentido definido pela regra da mão direita. EXERCÍCIOS 1. Determine (a) a soma de ~a + ~b, em termos de vetores unitários para ~a = 4ı̂ + 3̂ e ~b = −13ı̂ + 7̂. Determine (b) o módulo e (c) a orientação de ~a + ~b. 2. Um vetor pode ter módulo igual a zero se uma de suas componentes for diferente de zero? 3. É possı́vel que a soma dos módulos de dois vetores seja sempre igual à soma destes dois vetores? 4. Você pode ordenar os acontecimentos no tempo. Por exemplo, o evento b pode proceder ao evento c, porém seguir o evento a, dando a ordenação temporal do evento a, b e c. Consequentemente, existe um sentido para o tempo, distinguindo o passado, o presente e o futuro. Será que o tempo, então, é uma grandeza vetorial? Se não, por quê? 5. O produto escalar pode ser uma quantidade negativa? Justifique. 6. a) Sendo ~a.~b = 0, podemos concluir daı́ que os vetores são perpendiculares entre si? b) Se ~a.~b = ~a.~c, segue-se daı́ que ~b = ~c? 7. Se ~a × ~b = 0, ~a e ~b devem ser paralelos entre si? O inverso é verdadeiro? 8. Considere dois deslocamentos, um igual a 3 m e um outro de módulo igual a 4 m. Mostre como os vetores deslocamento podem ser combinados de modo a fornecer um deslocamento resultante de módulo igual a: a) 7 m; b) 1 m; c) 5 m. 9. Uma mulher caminha 250 m na direção de 30o a nordeste em relação a norte no sentido horário e em seguida 175 m diretamente para leste. a) Utilizando métodos gráficos, determine o deslocamento resultante. b) Compare o módulo do deslocamento com a distância que ela caminhou. 10. Uma pessoa caminha do seguinte modo: 3,1 km para o norte, depois 2,4 km para oeste e, finalmente, 5,2 km para o sul. a) Construa o diagrama vetorial que representa este movimento. b) Que distância um pássaro deveria voar, em linha reta, em que direção, de modo a chegar ao mesmo ponto final? 11. Quais são os componentes de um vetor ~a localizado no plano xy, se sua direção faz um ângulo de 205o com o eixo x positivo e o seu módulo é igual a 7,3 unidades? 12. Um vetor deslocamento ~r no plano xy tem um comprimento igual a 15 m e faz um ângulo de 15o com o eixo x positivo. Determine os componentes x e y deste vetor. 13. Determine, utilizando os vetores unitários, a) a soma dos dois vetores ~a = 4ı̂ + 3̂ e ~b = −3ı̂ + 4̂. B) Quais são o módulo e a direção do vetor ~a e ~b? 24 PCNA-FÍSICA ELEMENTAR 14. No sistema de coordenadas da figura abaixo, mosque que: ı̂.ı̂=̂.̂=k̂ .k̂ = 1 e ı̂.̂=̂.k̂=k̂ .ı̂= 0 20. Um vetor F~ forma um ângulo θ = 30o com ~ Sabendo que | F~ |= 5 e | G ~ |= 8, um vetor G. ~ calcule: (a) o módulo da resultante R; (b) o ângulo formado entre a resultante e o vetor F~ . PROBLEMAS ADICIONAIS 15. Um vetor ~a de módulo igual a 10 unidades e outro vetor ~b de módulo igual a 6 unidades apontam para direções que fazem um ângulo de 60o entre si. a) Determine o produto escalar entre os dois vetores e b) o produto vetorial ~a × ~b. 16. A soma de três vetores é igual a zero, como nos mostra a figura abaixo. Calcule o módulo de: a) ~a × ~b; b) ~a × ~c; c) ~b × ~c. 21. Uma ciclovia circular possui raio igual a 500 m. a) Qual a distância percorrida por uma ciclista que percorre a pista da extremidade norte para a extremidade sul? b) Qual o módulo do deslocamento feito pela ciclista da extremidade norte para a extremidade sul? c) Qual o módulo do deslocamento feito pela ciclista ao executar uma volta completa na ciclovia? 22. Os controladores de tráfego aéreo fornecem instruções para os pilotos informando em que direção e sentido eles devem voar. Essas instruções são chamadas de “vetores”. Se estas forem as únicas informações dadas aos pilotos, o nome de “vetor”está sendo ou não usado corretamente? Explique por que sim ou por que não. 23. Um engenheiro civil desorientado em uma grande obra dirige 3,25 km para o norte, depois 4,75 km para o oeste, por seguinte 1,50 km para o sul e por fim 2,50 km para o leste. Determine o módulo, a direção e o sentido do deslocamento resultante feito pelo engenheiro civil em sua obra. 17. Sejam dois vetores representados em termos de suas coordenadas como: ~a = ax ı̂ + ay ̂ + az k̂ e ~b = bx ı̂ + by ̂ + bz k̂ Mostre que: ~a.~b = ax bx + ay by + az bz 18. Uma força de F~1 , de módulo igual a 2 N forma um ângulo de 30o com o eixo Ox .Uma força F~2 , de módulo igual a 6 N forma um ângulo de 80o com o eixo Ox . Calcule: (a) o módulo |F~r| da força resultante F~r ; (b) o ângulo formado entre a resultante e o eixo Ox . 19. Um vetor ~a forma um ângulo θ = 60 com um vetor ~b. Sabendo que | ~a |= 3 e | ~b |= 4, calcule o módulo do vetor resultante ~r (unidades de força em Newton). 24. Um explorador polar foi surpreendido por uma nevasca, que reduziu a visibilidade a praticamente zero, quando retornava ao acampamento. Para chegar ao acampamento, deveria ter caminhado 5,6 km para o norte, em seguida 3,4 km na direção 30o a nordeste medido do norte e por fim 2,3 km fazendo um ângulo de 85o em relação a oeste no sentido anti-horário. Quantos quilômetros e em que direção o explorador deverá seguir em linha reta para chegar ao acampamento? 25. Uma pesquisadora está indo fazer uma pesquisa em uma caverna e para isso ela deve percorrer 180 m para oeste, depois 210 m fazendo um ângulo de 45o em relação a oeste no sentido horário e por fim 280 m fazendo um 25 PCNA-FÍSICA ELEMENTAR ângulo de 30o em relação a leste no sentido anti-horário. Depois um quarto deslocamento não medido, ela retorna ao ponto de partida, pois esqueceu seu material de pesquisa. Determine o módulo, a direção e o sentido desse quarto deslocamento. 26. Determine a soma de ~a + ~b em termos de vetores unitários para ~a = (4, 0m)ı̂ + (3, 0m)̂ e ~b = (−13, 0m)ı̂ + (4, 0m)̂ juntamente com o seu módulo e a orientação de ~a + ~b relativa a ̂. Obs.: O sı́mbolo m é expresso nos vetores é pra denotar que esses possuem dimensão de comprimento. 27. O módulo do vetor ~a é 6,00 unidades, o módulo do vetor ~b é 7,00 unidades e ~a.~b = 14. Qual o ângulo entre ~a e ~b? 26 PCNA-FÍSICA ELEMENTAR 3 LEIS DE NEWTON dessas leis. É também muito importante entender as relações que cada uma das leis possui entre si, 3.1 Objetivos de aprendizagem: ou seja, não devemos apenas pensar em cada uma • Entender a diferença entre referenciais inerci- das leis separadamente. Antes disso, vamos olhar rapidamente a questão do referencial voltada para ais e não inerciais. o estudo da dinâmica. • Aprender o significado de força resultante e força resultante nula. 3.3 • Aprender como relacionar força resultante, massa e aceleração de um corpo. Referencial do ponto de vista da dinâmica Conforme veremos, ao falar sobre Leis de New• Identificar as forças decorrentes da interação ton precisaremos saber em que referenciais tais leis são válidas (tais como a conhecemos) e em que reentre dois corpos. ferenciais não são válidas. No caso da 1a Lei falaremos também sobre estado de repouso de um 3.2 Introdução corpo. Uma pergunta interessante para iniciar este tópico seria: O que é mecânica do ponto de vista Todas essas questões fazem necessária uma peda Fı́sica? Podemos dizer que a mecânica é uma quena discussão sobre o conceito de referencial. área da fı́sica que trata as questões de movimento dos corpos levando em conta, de uma maneira ge- Vamos trazer algumas situações do cotidiano para ral, as causas do movimento. Nesse sentido, a discutir sobre esse conceito. mecânica inclui a cinemática e a dinâmica. A mecânica estuda também situações de equilı́brio Imagine que você está no banco de trás de dos corpos (estático e dinâmico) e, portanto, po- um carro a 40 Km/h. Para o motorista, você demos dizer que a estática também está compreen- está parado, com velocidade igual a 0 km/h. Já dida nessa importante área da fı́sica. Acrescenta- para alguém que te observa da calçada, você está se também que se o corpo ou sistema fı́sico se mo- se locomovendo a 40 Km/h. Quem está errado vimenta de maneira acelerada, a descrição desse nessa discussão? Resposta: Ninguém! As análises, tipo de movimento também é objeto de estudo tanto do ponto de vista de um referencial (o moda mecânica. Uma outra maneira de descrever a torista) quanto do outro referencial (o observador mecânica é por meio da influência que corpos exer- na calçada) são válidas. Portanto, desta simples cem nas interações entre si via forças (sejam forças discussão podemos tirar algumas conclusões imde contato ou de qualquer outra natureza). Vemos portantes: 1- Repouso (ausência de movimento) que não temos pouca coisa pela frente: Interações é algo relativo (repouso em relação a quem?). entre corpos; estudos de situações de equilı́brio e Depende do referencial adotado! 2 – Velocidade de movimento acelerado, entre outras tantas coi- também é um conceito referente a algum referensas. Do ponto de vista de formação profissional, a cial’ (velocidade em relação a quem?). Em relação mecânica é imprescindı́vel para o engenheiro, qual- ao estado de repouso, alguém pode tentar arguquer que seja a sua área. Do ponto de vista de per- mentar que um referencial fixo em relação à sucepção e entendimento do mundo ao nosso redor é perfı́cie da Terra (uma árvore, por exemplo) está tão importante quanto o aspecto formativo. Con- absolutamente em repouso. Mas se levarmos em vidamos então você para ir adiante ao fascinante conta que a Terra também está em movimento, estudo da mecânica! como fica essa “certeza”? Bem, do que já sabemos pelos avanços da Fı́sica e da Astronomia, ao Neste contexto, estudaremos a Dinâmica: que contrário do que se cogitava na antiguidade, não é a parte da Mecânica que estuda os movimen- existe movimento absoluto e nem repouso absotos e as causas que os produzem ou os modificam. luto. Temos que prestar atenção no referencial Costumamos construir o arcabouço da mecânica que estamos adotando para fazer a análise do moa partir do enunciado das Leis de Newton. As vimento. O estudo do referencial reserva ainda Leis de Newton formam um conjunto consistente algumas surpresas. Veremos que nem todos os repara descrever uma imensa variedade de situações ferenciais são equivalentes, e entender esse ponto é e fenômenos que vemos ao nosso redor. É nosso de- muito importante para a correta compreensão das ver entender ao máximo o que significa cada uma Leis de Newton. 27 PCNA-FÍSICA ELEMENTAR Mais um exemplo (na verdade estamos realizando experiências de pensamento1 !). Imaginemos agora que nos encontramos num elevador movendo-se para baixo num movimento retilı́neo com velocidade constante. Se o observador que se encontra dentro dele deixar cair um objeto, ele cairá normalmente por ação da força de gravidade normal. Imaginemos agoraque num dado instante há um problema com o cabo e o elevador entra em queda livre. Se o observador largar agora o mesmo objeto ele não cairá (em relação ao observador que também está caindo aceleradamente). No primeiro caso (elevador que desce com velocidade constante) podemos tomar o observador como sendo um referencial inercial. Na outra situação (cabo arrebentado) o “pobre” observador que está no elevador não pode mais ser tomado como um referencial inercial. É, portanto, um referencial não-inercial. Aqui avisamos ao leitor que o estudo de referencial é algo bem sutil e procuraremos ser tão “light” quanto possı́vel, mas sem perder de vista que referencial inercial e referencial não inercial do ponto de vista fı́sico e matemático são não equivalentes, portanto não devem ser confundidos2 . Vamos colocar a questão de duas maneiras simples e complementares. A primeira é que um referencial que está sofrendo uma aceleração é não inercial. A outra é a seguinte. Só é válida a aplicação direta das leis de Newton em referenciais inerciais. Se um observador está em um referencial acelerado ele sentirá o efeito de força(s) que ele não conseguirá descrever no próprio referencial. O efeito dessa(s) força(s) é tão real quanto qualquer outra. Não duvide disso, prezado leitor! (quem nunca foi “espremido” contra a parede de um ônibus fazendo uma curva?). O ponto é que nosso corpo “sabe” quando estamos submetidos a acelerações apreciáveis 1 Experiências de pensamento são recursos utilizados por grandes fı́sicos, tais como Galileu Galilei e Albert Einstein. Em tais experiências o arcabouço teórico é utilizado e as consequências podem ser deduzidas sem custos e sem riscos para ninguém. Não substitui a experiência de fato, mas nem por isso deixam de ser interessantes. 2 Apenas para o leitor saber. A Terra por conta dos movimentos que executa em seu “passeio” pelo espaço sideral sofre efeito de acelerações. Ou seja, “para valer, para valer mesmo”, a Terra não é um referencial inercial. Como essas acelerações são muito pequenas quando comparadas à aceleração da gravidade, nós consideramos apenas de maneira aproximada a Terra como sendo um referencial inercial. Isso quer dizer que numa grande variedade de experimentos de mecânica que realizamos em laboratório os resultados não são afetados apreciavelmente por conta dos movimentos acelerados que o nosso planeta sofre. (comparáveis à aceleração da gravidade ou maiores). Mas o observador não conseguirá descrever essa(s) força(s) do ponto de vista do próprio referencial. Por esse motivo essa força(s) é(são) chamada(s) de força(s) fictı́cia(s). O que o leitor precisa mesmo ter em mente é o seguinte: IMPORTANTE! 1- Um referencial inercial não está acelerado. 2- A aplicação e entendimento das leis de Newton conforme estudaremos nesse material são válidos para referenciais inerciais. 3.4 Primeira lei de Newton (Princı́pio da Inércia) A primeira lei de Newton afirma que se a força resultante, atuante sobre um corpo é nula, então o corpo que estiver em repouso, permanecerá em repouso ou se estiver em movimento com velocidade constante, ele continuará nesse mesmo movimento.. Em outras palavras, essa propriedade da matéria de resistir a qualquer variação em sua velocidade recebe o nome de inércia. Essa propriedade é diretamente proporcional à massa do corpo. Figura 34: Quanto mais lisa a superfı́cie, mais longe um disco desliza após tomar uma velocidade inicial.Se ele se move em um colchão de ar sobre a mesa (c) a força de atrito é praticamente zero, de modo que o disco continua a deslizar com velocidade quase constante (YOUNG. H. D; FREEDMAN. Fı́sica 1-Sears & Zemansky. Mecânica. 12a . Edição. Ed. Pearson) A 1a Lei de Newton pode ser ilustrada com algumas experiências de pensamento (ok, podem ser ilustradas na prática também!). Quem já andou de carro, ônibus ou avião sabe que quando o meio de transporte viaja com velocidade estabilizada em linha reta tudo se passa como se o mesmo 28 PCNA-FÍSICA ELEMENTAR Essa é a importância. Não enxergar de maestivesse parado. Mas tudo muda quando o meio de transporte sofre uma variação de direção ou no neira plena a relação entre velocidade e aceleração pode comprometer seu entendimento sobre as leis módulo da velocidade. de Newton. Mas agora você já sabe! Se o ob3.5 Relação vetorial entre velocidade e jeto está acelerado, ele não está em equilı́brio e, portanto, há uma força resultante não nula atuaceleração ando sobre ele (somente enquanto o objeto estiver Não são poucos alunos que confundem concei- acelerado). tualmente e operacionalmente dois conceitos vetoriais muito importantes para a dinâmica: velociHá ainda alguns comentários importantes a sedade e aceleração. rem feitos sobre a primeira lei de Newton. A primeira lei trata sobre estados de equilı́brio (não aceSão conceitos que estão relacionados, mas são lerados – força resultante nula). O repouso é apedistintos. É fundamental que o leitor tenha em nas uma forma de equilı́brio (também chamado mente o seguinte. Velocidade é um vetor, e qualde equilı́brio estático). Um objeto que se mova quer variação nesse vetor (velocidade) corresponde com rapidez constante numa trajetória retilı́nea a uma aceleração. Sem exceção! Mas o que isso também se encontra em equilı́brio. O equilı́brio, quer dizer? Sejamos ainda mais explı́citos. do ponto de vista da mecânica, é um estado em 1. Situação em linha reta. Pense num carro ace- que não ocorrem mudanças no estado de movilerando ou frenando (qualquer coisa que al- mento do objeto. Uma bola de boliche rolando tere o módulo da velocidade). Nesse caso a com rapidez constante numa trajetória retilı́nea aceleração é facilmente visualizável pela mai- também está em equilı́brio (equilı́brio dinâmico) – oria dos alunos. Nesse caso, temos uma ace- até que bata nos pinos. leração associada a uma variação do módulo da velocidade e que possui a mesma direção A forma vetorial da resultante nula é dada pela do vetor velocidade. Equação 14 enquanto que as formas escalares são mostradas na Equação 15. 2. Situação de curva realizada com velociX dade escalar constante (curva realizada com F~ = 0 (14) pressão constante no acelerador, resultando em leitura constante no velocı́metro). Nesse (partı́cula em equilı́brio,forma vetorial) caso temos aceleração associada à variação de X X X direção do vetor velocidade. Essa aceleração Fx = 0; Fy = 0; Fz = 0 (15) é perpendicular ao vetor velocidade (veremos mais a respeito no estudo do movimento cir- (partı́cula em equilı́brio, forma de componentes) cular uniforme) Outro ponto importante da primeira lei de 3. Bola que ricocheteia horizontalmente contra Newton. Um objeto sob a influência de uma uma parede e retorna com o mesmo módulo única força jamais pode estar em equilı́brio. A da velocidade, mas tem seu sentido de moviforça resultante não poderia ser nula. Apenas mento alterado. Nesse caso, não temos muquando duas ou mais forças atuam é que pode dança de módulo ou de direção, mas ainda haver equilı́brio. Podemos testar se algo está ou assim temos uma aceleração associada à munão em equilı́brio observando se ocorrem ou não dança de sentido do vetor velocidade. alterações em no estado de movimento do corpo. Mas por que essa discussão é importante? Para responder façamos outra leitura da primeira Lei de Newton: A velocidade de um objeto, vetorialmente falando, não muda “de graça”. Se há variação do vetor velocidade (seja de módulo, de direção ou apenas mudança de sentido) há aceleração e se há aceleração há também a presença de uma força resultante que perdura enquanto houver mudança do vetor velocidade. IMPORTANTE! Uma força resultante nula sobre um objeto não significa que ele esteja necessariamente em repouso, e sim que seu estado de movimento mantém-se inalterado. Ele pode estar tanto em repouso quanto em movimento uniforme em linha reta. 29 PCNA-FÍSICA ELEMENTAR 3.6 Segunda lei de Newton De acordo com a primeira lei de Newton, quando um corpo sofre uma força resultante nula, ele se move com velocidade constante e aceleração zero. Mas o que acontece quando a força resultante é diferente de zero? Sobre um disco em movimento na Figura 34 com atrito desprezı́vel, aplicamos uma força horizontal constante na mesma P direção e sentido em que ele se move. Logo, F é constante e se desloca na mesma direção horizontal de v. Descobrimos que enquanto a força está atuando, a velocidade do disco varia a uma taxa constante. A velocidade escalar do disco aumenta, de modo que a aceleração a está na mesma direção P de v e F~ (YOUNG. H. D; FREEDMAN. Fı́sica 1-Sears & Zemansky. Mecânica. 12a . Edição. Ed. Pearson.). Concluı́mos que uma força resultante não nula que atua sobre um corpo faz com que o corpo acelere na mesma direção que a força resultante. O vetor força resultante é igual ao produto da massa pela aceleração do corpo. Esta é uma das formulações da 2a Lei de Newton. X F~ = m~a (Segunda Lei de Newton, Forma Vetorial) Figura 35: Massa, aceleração e a segunda lei de Newton. Quando você joga uma bola, pelo menos duas forças agem sobre ela: o empurrão da sua mão e o puxão para baixo da gravidade. Experiências comprovam que, quando duas forças F~1 e F~2 atuam simultaneamente em um ponto A de um corpo (Figura 36), o efeito sobre o movimento do corpo é o mesmo que o efeito produzido por uma única força R dada pela soma vetorial das duas forças F~1 e F~2 .. Generalizando, o efeito sobre o movimento de um corpo produzido por um número qualquer de forças é o mesmo efeito produzido por uma força única igual à soma vetorial de todas as forças. Esse resultado importante denomina-se princı́pio da Superposição das (16) Forças. (YOUNG. H. D; FREEDMAN. Fı́sica 1Sears & Zemansky. Mecânica. 12a . Edição. Ed. Pearson.) Normalmente usaremos essa relação na forma de componentes: X Fx = max X Fy = may X Fz = maz (17) (segunda lei de Newton, forma de componentes) A aceleração de um corpo submetido à ação de um conjunto de forças é diretamente proporcional à soma vetorial das forças que atuam sobre o corpo (a força resultante) e inversamente proporcional à massa do corpo. Esta é outra formulação da segunda lei de Newton. Como na primeira lei, a segunda lei de Newton vale apenas em sistemas de referência inerciais. A unidade de força é definida em termos das unidades de massa e de aceleração. Em unidades SI, a unidade de força denomina-se Newton (N), sendo igual a 1 Kg.m/s2 . Discutiremos um pouco mais sobre a segunda lei tratando do princı́pio da superposição de forças. Figura 36: Duas forças F~1 e F~2 que atuam sobre um ponto A exercem o mesmo efeito que uma força R dada pela soma vetorial. Em problemas de mecânica, só entendemos (e em muitos casos, só resolvemos) os problemas se tratamos as forças pelo o que elas são. Entes vetoriais! Normalmente precisamos determinar o vetor soma (resultante) de todas as forças que atuam sobre um corpo. Chamaremos essa soma de força resultante que atua sobre um corpo. ~ = R PRINCÍPIO DA SUPERPOSIÇÃO DE FORÇAS: N X F~i i=1 30 PCNA-FÍSICA ELEMENTAR Segunda Lei de Newton na Engenharia Figura 37: Achando os componentes do vetor soma (resultante) R de duas forças F~1 e F~2 . Figura 38: O projeto de uma motocicleta de alto desempenho depende fundamentalmente da segunda lei de Newton. Para maximizar a ace1. Uma força resultante que atua sobre um leração, o projetista deve fazer a motocicleta ser corpo faz com que o corpo acelere na mesma mais leve possı́vel (isto é, minimizar sua massa) e direção da força e sentido da força. usar o motor mais potente possı́vel (isto é, maximizar a força motriz). 2. Se o módulo da força resultante for constante a aceleração produzida sobre o corpo também será. 3.7 Relação entre força e aceleração 3.8 3. Quanto maior a força resultante aplicada sobre o corpo maior a aceleração produzida. 4. Corpos de massas distintas adquirem acelerações distintas quando submetidos à mesma força resultante. 5. Quanto mais massivo for o corpo menor a aceleração produzida para uma mesma força resultante. IMPORTANTE! Todo corpo que não está em equilı́brio sob a ação de uma ou mais forças está acelerado, e a recı́proca é verdadeira. Se o corpo está acelerado é porque há uma força resultante não nula atuando sobre ele. IMPORTANTE! A segunda lei de Newton refere-se a forças externas. A segunda lei de Newton é válida somente em sistemas de referenciais inerciais, assim como é também para a primeira lei de Newton. Terceira lei de Newton Das três leis de Newton, a 3a Lei talvez seja a mais conhecida pelos estudantes e pelo grande público, embora com alguns equı́vocos, em geral. Nesse sentido é importante termos claro o que é e o que não é a 3a Lei de Newton. Uma das maneiras menos formais e talvez mais poéticas de se enunciar essa lei seria: “É impossı́vel tocar sem ser tocado”. Com isso queremos dizer que o ato de tocar traz uma consequência intrı́nseca. Você toca em algo ou em alguém e necessariamente é tocado de volta no com o contato fı́sico com o objeto ou pessoa. Outra maneira interessante de colocar a 3a Lei: “Forças acontecem aos pares!”, uma vez que é impossı́vel haver uma ação sem reação. Já sabemos que a reação não é nem mais intensa e nem menos intensa que a ação. Outro ponto importantı́ssimo: A ação se dá num corpo e a reação se dá em outro corpo. Se você estiver analisando um par de forças atuando sobre o mesmo corpo pode afirmar com certeza que não é um par de ação e reação. Vamos agora estabelecer de forma mais precisa a terceira lei por meio de alguns enunciados equivalentes. Enunciados 31 PCNA-FÍSICA ELEMENTAR “Quando um corpo A exerce uma força sobre um corpo B (uma ‘ação’), então o corpo B exerce uma força sobre o corpo A (uma ‘reação’). Essas duas forças possuem mesmo módulo e mesma direção, porém são orientadas em sentidos contrários. Essas duas forças atuam em corpos diferentes.” num esquema ou representação do objeto de estudo livre de sua “vizinhança”, contendo, além do objeto ou corpo, as forças (representadas por vetores) que atuam sobre ele. Vamos tentar sistematizá-lo através de perguntas e respostas. 1) Qual o primeiro passo? R: Seria desenhar uma figura, um esboço da “Quando dois corpos interagem, as forças que cada força exerce sobre o outro são sem- situação que será estudada, contendo o objeto pre iguais em módulo e possuem sentidos ou sistema fı́sico que será estudado e a representação geométrica (vetores indicados por secontrários.” tas) de todas as forças que atuam sobre o corpo. No primeiro passo, você deve entender e responder por meio desse recurso gráfico a seguinte pergunta: O que eu estou estudando? Em linguagem de fı́sico, dizemos que ao responder a essa pergunta você está delimitando o objeto de estudo. Muitas vezes, para poupar tempo, representamos o objeto estudado por um ponto e colocamos sobre o mesmo a representação geométrica de todas as forças que atuam sobre o objeto. Figura 39: Identificação das forças em ação, quando uma mão puxa uma corda amarrada a um bloco. a) Mão, corda e bloco. b) Pares de ação e reação. (As forças verticais não são mostradas). Figura 40: Não são pares de ação e reação. a) Essas forças não são um par de ação e reação por que atuam no mesmo corpo. b) Essas forças serão iguais somente se a corda estiver em equilı́brio ou Figura 41: A figura acima representa: a) um se sua massa for desprezada. (As forças verticais esboço da situação a ser estudada. b) as forças não são mostradas). atuantes no corpo A. c) a força atuante no corpo B. 3.9 Diagrama de corpo livre O que é um diagrama de corpo livre? Podemos encarar como uma parte (fundamental) de um procedimento padrão para resolver diversos problemas de mecânica. Consiste 2) Qual o próximo passo? R:Representar todas as forças que atuam sobre o objeto. Ou seja: Não deixe força de fora (das que atuam sobre o objeto); não coloque forças que o objeto exerce na vizinhança. 32 PCNA-FÍSICA ELEMENTAR Após a representação de todas as forças que atuam sobre o objeto, em geral é necessário escolher um sistema de coordenadas para decompor as forças (se todas as forças estiverem contidas em uma única direção, ou seja, se o problema for unidimensional, basta estabelecer o sentido positivo do eixo). IMPORTANTE! Não se deve confundir a representação das forças que atuam sobre o objeto com as componentes das forças que atuam sobre o objeto. As componentes já implicam em uma escolha de sistema de coordenadas especı́fica. mos as componentes do vetor força resultante. Em geral, podemos afirmar que problemas de dinâmica necessitam de procedimentos de soma vetorial. Observação 1: Se for um problema de estática, temos que a força resultante sobre o sistema é nula. Nesse caso vamos trabalhar com um sistema de equações em que cada componente da força resultante é igual à zero. Observação 2: Ao longo da resolução dos problemas vamos ganhando experiência na escolha de eixos coordenados de modo a simplificar a resolução do problema. 4) Tendo as componentes do vetor força resultante, temos todos os elementos para prosseguir até o final da resolução do problema. 5) Após chegar ao final da resolução do problema, você como engenheiro, vai analisar a validade da solução encontrada. Para isso, faça uma análise dimensional da resposta; análise situações limites¸ e veja se o a resposta fornece resultado fisicamente aceitáveis ou se fornece resultados absurdos. Uma vez que entendemos o passo a passo do diagrama de corpo livre, podemos resumi-lo. Diagrama de corpo livre é uma representação (esboço ou figura) do problema a ser estudado em que você define o objeto (corpo ou sistema fı́sico) que você vai estudar e nele você representa todas as forças que atuam sobre o próprio. Atenção! Você deve colocar no diagrama as forças que atuam sobre o corpo, e não as forças que o corpo exerce sobre a sua vizinhança. Figura 42: a) Uma caixa sobe um plano inclinado, puxada por uma corda . (b) As três forças que agem cobre a caixa: a força da corda T a força gravitacional Fq e a força normal FN . (c) As componentes de Fq na direção ao plano inclinado e na direção perpendicular. 3) Após escolher o sistema de coordenadas que usaremos para decompor as forças, prosseguimos na resolução do problema encontrando a força resultante para cada eixo do sistema de coordenadas. Para isso fazemos a somatória de forças para cada eixo, ou seja, encontra- Principais pontos do capı́tulo: • Um sistema de referência para o qual a primeira e segunda leis de Newton são validas denomina-se Sistema de Referencial Inercial. • Quando um corpo está inicialmente em repouso, ele permanece em repouso, se a soma vetorial das forças que atuam sobre ele for igual a zero. O mesmo é válido para um corpo inicialmente em movimento desenvolvendo uma trajetória retilı́nea e velocidade constante. 33 PCNA-FÍSICA ELEMENTAR • A aceleração de um corpo sujeito a ação de diversas forças é diretamente proporcional a a força resultante das forças que agem sobre ele e inversamente proporcional a sua massa. • Quando dois corpos interagem a força que um exerce sobre o outro é igual em módulo e direção e oposta em sentido. Portanto, um par de ação e reação nunca atua sobre o mesmo corpo. PERGUNTAS CONCEITUAIS: 1. (SEARS & ZEMANSKY, 12a Ed) Pode um corpo permanecer em equilı́brio quando somente uma força atua sobre ele? Explique. 2. (SEARS & ZEMANSKY, 12a Ed) Uma bola lançada verticalmente de baixo para cima possui velocidade nula em seu ponto mais elevado. A bola está em equilı́brio nesse ponto? Por que sim ou porque não? 3. (SEARS & ZEMANSKY, 12a Ed) Quando um carro para repentinamente os passageiros tendem a se mover para frente em relação aos seus assentos. Quando um carro faz uma curva abrupta para um lado os passageiros tendem a escorregar para um lado do carro. Por quê? a 4. (SEARS & ZEMANSKY, 12 Ed) Algumas pessoas dizem que , quando um carro para repentinamente, os passageiros são empurrados para frente por uma ‘força de inércia’ (ou ‘força de momento linear’). O que existe de errado nessa explicação? um fio no limite de sua elasticidade, puxando-se o fio suavemente o peso pode ser levantado; porém, se você puxar bruscamente, o fio se rompe. Explique isso usando as Leis de Newton para o movimento. 8. (SEARS & ZEMANSKY, 12a Ed) Um cavalo puxa uma carroça. Uma vez que a carroça puxa o cavalo para trás com uma força igual e contrária à força exercida pelo cavalo sobre a carroça, por que a carroça não permanece em equilı́brio, independentemente da força que o cavalo imprime na carroça? 9. (SEARS & ZEMANSKY, 12a Ed) Em um cabo-de-guerra duas pessoas puxam as extremidades de uma corda em sentidos opostos. Pela terceira Lei de Newton, a força que A exerce em B tem módulo igual à força que B exerce em A.O que determina quem é o vencedor?(Dica desenhe um diagrama de corpo livre para cada pessoa) 10. (SEARS & ZEMANSKY, 12a Ed) Você amarra um tijolo na extremidade de uma corda e o faz girar em torno de você em um cı́rculo horizontal. Descreva a trajetória do tijolo quando você larga repentinamente a corda usando diagrama de corpo livre. 5. (SEARS & ZEMANSKY, 12a Ed) 11. (CUTNELL & JOHNSON, 6a Ed) Por que o chute em uma rocha grande pode Uma casinha para alimentar pássaros posmachucar mais o seu pé do que o chute em sui grande massa e está pendurada em um uma rocha pequena? A rocha grande deve galho de árvore, como mostrado no desesempre machucar mais? Explique nho. Um fio preso ao fundo da casinha foi deixado solto e fica balançando. Uma 6. (SEARS & ZEMANSKY, 12a Ed) criança fica curiosa com o fio balançando e Por que motivo de segurança um carro puxa o fio tentando ver o que existe dentro é projetado para sofrer esmagamento na da casinha. O fio que fica balançando foi frente e na traseira? Por que não para cocortado do mesmo carretel do que prende a lisões laterais e capotagens? casinha ao galho. É mais provável que o fio 7. (SEARS & ZEMANSKY, 12a Ed) entre a casinha e o galho arrebente com um Quando um peso grande é suspenso por puxão contı́nuo e lento , ou com um puxão 34 PCNA-FÍSICA ELEMENTAR repentino para baixo. Apresente seu raciocı́nio. 12. (CUTNELL & JOHNSON, 6a Ed) A força externa resultante que age sobre um objeto é nula. É possı́vel que o objeto esteja viajando com uma velocidade que não seja nula? Se a resposta é sim, diga se há condições que devam ser impostas ao módulo, direção e sentido do vetor velocidade. Se a sua resposta for não, forneça uma explicação para ela. 13. (CUTNELL & JOHNSON, 6a Ed) Um pai e sua filha de sete anos de idade estão frente a frente em cima de patins de gelo. Com suas mãos, eles se empurram de modo a se afastarem. (a) Comparem os módulos das forças que eles experimentam. (b) Qual deles, em caso positivo, sente a maior aceleração? Justifique sua resposta. 35 PCNA-FÍSICA ELEMENTAR APLICAÇÕES DAS LEIS DE 4.3 Aplicações da primeira lei de newton: partı́culas em equilı́brio NEWTON 4 4.1 Objetivos de aprendizagem: • Utilizar a primeira lei de Newton para resolver problemas referentes às forças que atuam sobre um corpo em equilı́brio. • Utilizar a segunda lei de Newton para resolver problemas referentes às forças que atuam sobre um corpo em aceleração. • Aprender a fórmula empı́rica para forças de atrito estático e de atrito cinético e como resolver problemas que envolvem essas forças. • Solucionar problemas referentes às forças que atuam sobre um corpo que se move ao longo de uma trajetória circular com velocidade escalar uniforme. 4.2 Introdução Vimos no Capitulo 3 que as três leis de Newton do movimento, o fundamento da mecânica clássica, podem ser formuladas de modo simples. Porém, as aplicações dessas leis em situações tais como um rebocador rebocando um navio mais pesado do que ele ou um avião fazendo uma curva acentuada requerem habilidades analı́ticas e técnicas para solução de problemas. Neste capı́tulo aprofundaremos as habilidades para a solução de problemas que você começou a aprender no capı́tulo anterior. No capı́tulo 3, aprendemos que um corpo está em equilı́brio quando está em repouso ou em movimento retilı́neo uniforme em um sistema de referência inercial. Uma lâmpada suspensa, uma ponte pênsil, um avião voando em linha reta e plana a uma velocidade escalar constante – são todos exemplos de situações de equilı́brio. Nesta seção vamos considerar apenas o equilı́brio de corpos que podem ser modelados como partı́culas, ou seja, as dimensões dos corpos não são relevantes para os problemas que estamos resolvendo, isto é, dizer que podemos considerar todas as forças como sendo aplicadas em um mesmo ponto. O principio fı́sico essencial é a primeira lei de Newton: quando uma partı́cula está em repouso ou em movimento retilı́neo uniforme em um sistema de referencia inercial, a força resultante que atua sobre ela – isto é, a soma vetorial de todas as forças que atuam sobre ela – deve ser igual à zero: X F~ = 0 (18) (partı́cula em equilı́brio, forma vetorial) Normalmente usaremos essa relação utilizando os componentes: X Fx = 0; X Fy = 0; X Fz (19) (partı́cula em equilı́brio, forma de componentes) Esta seção é sobre o uso da primeira lei de Newton para resolver problemas envolvendo corpos em equilı́brio. Alguns deles podem parecer complicados, mas o importante é lembrar que todos esses Começamos com problemas envolvendo o problemas são resolvidos do mesmo modo. equilı́brio, nos quais o corpo está ou em repouso ou movendo-se com velocidade vetorialmente constante. A seguir, generalizamos nossas técnicas para a solução de problemas que envolvem corpos que não estão em equilı́brio, para os quais precisamos considerar com exatidão as relações entre as forças e o movimento. Vamos ensinar como descrever e analisar as forças de contato entre corpos em repouso ou quando um corpo desliza sobre uma superfı́cie. Finalmente, estudaremos o caso importante do movimento circular uniforme, no qual o corpo de desloca ao longo de uma circunferência com velocidade escalar constante. 4.4 Aplicações da segunda lei de newton: dinâmica das partı́culas Agora estamos preparados para discutir problemas de dinâmica. Nesses problemas, aplicamos a segunda lei de Newton para corpos sobre os quais a força resultante é diferente de zero e, portanto, não estão em equilı́brio; mas sim em aceleração. A força resultante sobre o corpo é igual ao produto da massa pela aceleração do corpo. X F~ = m~a (20) (partı́cula acelerada, forma vetorial) 36 PCNA-FÍSICA ELEMENTAR Normalmente usaremos essa relação na forma de atômicas” invisı́veis na superfı́cie da mesa sejam componentes: comprimidas, produzindo, assim, uma força norX X X mal sobre o bloco. Fx = max ; Fy = may ; Fz = maz (21) (segunda lei de Newton, forma de componentes) IMPORTANTE! Todo corpo que não está em equilı́brio sob a ação de uma ou mais forças está acelerado, e a recı́proca é verdadeira. Se o corpo está acelerado é porque há uma força resultante não nula atuando sobre ele. 4.5 Forças de contato Em muitas situações, um objeto está em contato com uma superfı́cie, como, por exemplo, a superfı́cie de uma mesa. Por conta do contato, há uma força agindo sobre o objeto. Esta seção discute apenas uma componente desta força, a componente que atua perpendicularmente à superfı́cie. A próxima seção discute a componente que atua na direção paralela à superfı́cie. A componente perpendicular é chamada de força normal. 4.5.1 A terceira lei de Newton tem um papel importante relacionado com a força normal. Na Figura 43, por exemplo, o bloco exerce uma força sobre a mesa comprimido-a para baixo. Consistente com a terceira lei, a mesa exerce uma força na mesma direção, dirigida no sentido oposto, de mesmo módulo sobre o bloco. Esta força de reação é a força normal. O módulo da força normal indica o grau de compressão mútua dos dois objetos. Se um objeto estiver em repouso sobre uma superfı́cie horizontal e não existirem forças atuando na vertical, com exceção do peso do objeto e da força normal, os módulos destas duas forças são iguais; ou seja, | F~N |=| P~ |. Esta é a situação mostrada na Figura 43. O peso deve ser contrabalançado pela força normal para que o objeto permaneça em repouso sobre a mesa. Se os módulos destas forças não fossem iguais, haveria uma força resultante sobre o bloco, e o bloco estaria acelerado para cima ou para baixo, de acordo com a segunda lei de Newton. Força normal Figura 44: (a) A força normal F~N é maior do que o peso da caixa, pois a caixa está sendo pressionada Figura 43: Duas forças atuam sobre o bloco, o para baixo com uma força de 11 N. (b) A força seu peso P~ e a força normal F~N exercida pela su- normal é menor do que o peso, pois há uma força de 11 N para cima que sustenta parcialmente a perfı́cie da mesa. caixa. A Figura 43 mostra um bloco repousado sobre uma mesa horizontal e identifica as duas forças que agem sobre o bloco, o peso P~ e a força normal F~N . Para entender como um objeto inanimado, como o tampo de uma mesa, pode exercer uma força normal, pense no que ocorre quando você senta sobre um colchão. Seu peso faz com que as molas no colchão sejam comprimidas. Em consequência disso, as molas comprimidas exercem em você uma força para cima (a força normal). De maneira semelhante, o peso do bloco faz com que “molas Se houver outras forças atuando na direção vertical além de P~ e F~N , os módulos da força normal e do peso não são mais iguais. Na Figura 44.a, por exemplo, uma caixa cujo peso é de 15 N está sendo empurrado para baixo contra uma mesa. A força de compressão possui um módulo de 11 N. Assim, a força total para baixo exercida sobre a caixa é de 26 N, e deve ser contrabalançada pela força normal orientada para cima para que a caixa permaneça em repouso. Nesta situação, então, a 37 PCNA-FÍSICA ELEMENTAR força normal é de 26 N, que é consideravelmente O atrito é um fenômeno complexo, não totalmaior do que o peso da caixa. mente compreendido, que surge da atração entre as moléculas de duas superfı́cies em contato. A natureza desta atração é eletromagnética – a mesma A Figura 44.b ilustra uma situação diferente. da ligação molecular que mantém um objeto coNeste caso, a caixa está sendo puxada para cima eso. Esta força atrativa de curto alcance se torna por uma força de 11 N. A força resultante que age insignificante após apenas alguns diâmetros molesobre a caixa devido ao seu peso e a força para culares. cima é de apenas 4 N. Não é difı́cil imaginar o que aconteceria se a força aplicada para cima fosse aumentada para 15 N – exatamente igual ao peso da caixa. Nesta situação, a força normal se anularia. Na verdade, a mesa poderia ser retirada, já que o bloco estaria inteiramente sustentando pela força. As situações na Figura 44 são consistentes com a ideia de que o módulo da força normal indica o grau de compressão mútua de dois objetos. Evidentemente, a caixa e a mesa se comprimem mais fortemente na Figura 44.a do que na Figura 44.b. 4.5.2 Forças de atrito O atrito é importante em muitos aspectos de nossa vida cotidiana, ou seja, normalmente pensamos o atrito como algo indesejável, mas o atrito é necessário. O óleo no motor de um automóvel minimiza o atrito entre as partes móveis, porém, não fosse o atrito entre os pneus do carro e o solo, não poderı́amos dirigir um carro e nem fazer curvas. O arraste do ar – a força de atrito exercida pelo ar sobre um corpo que nele se move – faz aumentar o consumo de combustı́vel de um carro, mas possibilita o uso de paraquedas. Sem atrito, os pregos pulariam facilmente, os bulbos das lâmpadas se desenrolariam sem nenhum esforço e o hóquei no gelo seria impraticável (Figura 45). Figura 45: A prática do hóquei no gelo depende decisivamente do atrito entre os patins do jogador e o gelo. Quando o atrito é muito elevado, o jogador se locomove muito lentamente; quando o atrito é muito pequeno, o jogador dificilmente evita sua queda. Figura 46: A área microscópica de contato entre a caixa e o piso é apenas uma pequena fração da área macroscópica da superfı́cie do tampo da caixa. A área microscópica é proporcional à força normal exercida entre as superfı́cies. Se a caixa repousa sobre um de seus lados, a área microscópica aumenta, mas a força por unidade diminui, de forma que área microscópica de contato não muda. Não importa se a caixa está de pé ou deitada, a mesma força horizontal F aplicada é necessária para mantê-la deslizando com rapidez constante (PAUL A. TIPLER, GENE MOSCA, 2012). Como mostrado na Figura 46, objetos comuns que parecem lisos, e que sentimos como lisos são ásperos em escala atômica (microscópica). Isto ocorre mesmo quando as superfı́cies são muito bem polidas. Quando as superfı́cies entram em contato, elas se tocam apenas nas saliências, as chamadas asperezas, mostradas na Figura 46. À medida que um bloco desliza sobre um piso, ligações microscópicas se formam e se rompem, e o numero total dessas ligações é variável. Alisar as superfı́cies em contato pode, na verdade, aumentar o atrito, visto que mais moléculas se tornam aptas a formar ligações; juntar duas superfı́cies lisas de um mesmo metal pode produzir uma ‘solda a frio’. Os óleos lubrificantes fazem diminuir o atrito porque uma pelı́cula de óleo se forma entre as duas superfı́cies (como no caso do pistão e 38 PCNA-FÍSICA ELEMENTAR A orientação da força de atrito estático é tal que das paredes do cilindro no motor de um carro), ela se opõe a tendência de deslizamento da caixa. impedido – as de entrar em contato efetivo. ATRITO ESTÁTICO IMPORTANTE! Se a força horizontal que você exerce sobre uma caixa aponta para esquerda, então a força de atrito estático aponta para a direita. A força de atrito estático sempre se opõe à tendência de deslizamento. Figura 47: Atrito Estático. IMPORTANTE! Você aplica uma pequena força horizontal F~ (Figura 47) sobre uma grande caixa que esta em repouso sobre o piso. A caixa pode não vir a se mover perceptivelmente, porque a força de atrito estático fe exercida pelo piso sobre a caixa contrabalança a força que você aplica. Atrito estático é a força de atrito que atua quando não existe deslizamento entre as duas superfı́cies em contato – é a força que evita que a caixa escorregue. A força de atrito estático, em sentido contraria a força aplicada sobre a caixa, pode variar em magnitude de zero até um valor máximo fe máx , dependendo do seu empurrão. Isto é, enquanto você empurra a caixa, a força oposta de atrito estático vai aumentando para se manter igual em magnitude à força aplicada, até que a magnitude da força aplicada exceda o valor máximo da força de atrito fe máx . Dados mostram que fe máx é proporcional à intensidade das forças que pressionam as duas superfı́cies uma contra outra. Isto é,fe máx é proporcional à magnitude da força normal excedida por uma superfı́cie sobre a outra: fe máx = µe FN (22) (módulo da força de atrito estático) Onde a constante de proporcionalidade µe é o coeficiente de atrito estático. Este coeficiente depende dos materiais de que são feitas as superfı́cies em contato e das temperaturas das superfı́cies. Se você exerce uma força horizontal com uma magnitude menor ou igual a fe máx sobre a caixa, a força de atrito estático irá justo contrabalançar esta força horizontal o mı́nimo que seja maior que fe máx sobre a caixa, então a caixa começará a deslizar. Assim, podemos escrever a Equação 22 como: fe máx ≤ µe FN (23) A Equação 23 é uma desigualdade porque a magnitude da força de atrito estático varia de zero até fe máx . IMPORTANTE! Lembre-se de que a Equação 22 não é uma equação vetorial porque fe e FN são sempre perpendiculares. Em vez disso, representa uma relação escalar entre os módulos das duas forças. ATRITO CINÉTICO Se você empurrar a caixa da Figura 47 com suficiente vigor, ela deslizará sobre o piso. Enquanto ela escorrega, o piso exerce uma força de atrito cinético fc (também chamado de atrito dinâmico, ou de deslizamento) que se opõe ao movimento. Para manter a caixa deslizando com velocidade constante, você deve exercer uma força sobre a caixa igual em magnitude e oposta em sentido à força de atrito cinético exercida pelo piso. Assim como a magnitude da força de atrito estático máxima, a magnitude de fc da força de atrito cinético é proporcional à magnitude fn da força normal exercida por uma superfı́cie sobre a outra: fc = µc FN (24) Onde a constante de proporcionalidade µc é o coeficiente de atrito cinético. Este coeficiente depende dos materiais de que são feitas as superfı́cies em contato e das temperaturas das superfı́cies em contato. Diferentemente do atrito estático, a força de atrito cinético é independente 39 PCNA-FÍSICA ELEMENTAR da magnitude da força horizontal aplicada. Ex- sua vez, aplica uma força a sua vizinha. Conperimentos mostram que µc é aproximadamente sequentemente, a força é aplicada à caixa, como constante para uma larga faixa de valores de mostra a Figura 49.b. rapidez. Figura 48: Gráfico da força de atrito. IMPORTANTE! O atrito entre o pneu e o piso é aproximadamente o mesmo, seja o pneu largo ou estreito. O propósito da maior área de contato é diminuir o aquecimento e o desgaste. IMPORTANTE! Os pneus possuem ranhuras não para aumentar o atrito, mas para deslocar e redirecionar a água entre a superfı́cie da rodovia e o lado externo dos pneus. Muitos carros de corrida usam pneus sem ranhuras, porque correm em dias secos. A Figura 48 mostra um gráfico da força de atrito exercida sobre a caixa pelo piso em função da força aplicada. A força de atrito contrabalança a força aplicada até que a caixa começa a deslizar, o que ocorre quando a força aplicada excede a µe FN por uma quantidade infinitesimal. Enquanto a caixa está deslizando, a força de atrito permanece igual a µc FN . Para quaisquer duas superfı́cies em contato, µc é menor que µe . Isto significa que você deve empurrar com mais vigor para fazer com que a caixa comece a deslizar, do que para mantê-la deslizando com rapidez constante. Figura 49: (a) A força T~ está sendo aplicada à extremidade direita de uma corda. (b) a força é transmitida para caixa. (c) Forças são aplicadas às duas extremidades da corda. Estas forças possuem mesmos módulos e direções opostas (mesma direção e sentidos contrários), (CUTNELL & JOHNSON, 2012). Em situações como a da Figura 49, dizemos que “a força T~ é aplicada na caixa por causa da tração na corda”, significando que a tração e a força aplicada à caixa possuem o mesmo módulo. Entretanto, a palavra “tração” é comumente usada para significar a tendência de a corda ser esticada. Para ver a relação entre estes dois usos da palavra “tração”, considere a extremidade esquerda da corda, que aplica a força T~ à caixa. De acordo com a terceira lei de Newton, a caixa aplica uma força de reação à corda. A força de reação possui o mesmo módulo e mesma direção que T~ , mas sentido contrário. Em outras palavras, uma força −T~ atua na extremidade esquerda da corda. Desta forma, forças de mesmo módulo atuam em extremidades opostas da corda, como na figura 48.c, e tendem esticá-la. 4.5.4 Massa e peso O peso de um corpo é uma das forças mais familiares que a Terra exerce sobre o corpo. (Quando você estiver em outro planeta, seu peso será a força gravitacional que o planeta exerce sobre você.) infelizmente, os termos massa e peso em geral são mal empregados e considerados sinônimos em 4.5.3 Forças de tração nossa conversação cotidiana. É extremamente imForças são frequentemente aplicadas por meio portante que você saiba a diferença entre essas de cabos ou cordas usados para puxar um objeto. duas grandezas fı́sicas. Por exemplo, a Figura 49.a mostra uma força T~ A massa caracteriza a propriedade da inércia sendo aplicada à extremidade direita de uma corda presa a uma caixa. Cada partı́cula na corda, por de um corpo. Por causa de sua massa, a louça 40 PCNA-FÍSICA ELEMENTAR fica praticamente em repouso sobre a mesa quando você puxa repentinamente a toalha. Quanto maior a massa, maior a força necessária para produzir uma dada aceleração; isso se reflete na segunda lei P de Newton, F~ = m~a. IMPORTANTE! Lembre-se que o peso de um corpo atua eternamente sobre o corpo, independentemente de ele estar ou não em queda livre. Quando um objeto de 10 kg está em equilı́brio, suspenso por uma corrente, sua aceleração é igual a zero. Porem, seu peso, dado pela Equação 26, continua puxando-o para baixo (Figura 50). Nesse caso, a corrente exerce uma força que puxa o objeto de baixo para cima. A soma vetorial das forças é igual a zero, mas o peso ainda atua. O peso de um corpo, por outro lado, é a força de atração gravitacional exercida pela Terra sobre o corpo. Massa e peso se relacionam: um corpo que possui massa grande também possui peso grande. É difı́cil lançar horizontalmente uma pedra grande porque ela possui massa grande, e é difı́cil levantá-la porque ela possui peso grande. Qualquer corpo próximo da superfı́cie da terra que possua massa de 1 kg deve possuir um peso igual a 9,8 N para que ele tenha a aceleração que observa- 4.6 Dinâmica do movimento circular mos quando o corpo está em queda livre. GeneraMovimentos circulares são muito comuns na lizando, qualquer corpo de massa m deve possuir natureza. As palhetas de um ventilador, um CD um peso com módulo P dado por: e o pneu de um carro são apenas alguns exemplos que fazem parte de nosso cotidiano. De uma | P~ |= m. | ~g | (25) maneira geral podemos afirmar que uma partı́cula está em movimento circular quando sua trajetória ~ Logo, o módulo | P | do peso de um corpo é é uma circunferência. Em situações onde o vadiretamente proporcional à sua massa m. O peso lor numérico da velocidade permanece constante, de um corpo é uma força, uma grandeza vetorial, dizemos que o corpo descreve um Movimento Cirde modo que podemos escrever a Equação 25 cular Uniforme (MCU). como uma equação vetorial (Figura 50): Quando uma partı́cula se desloca ao longo de uma circunferência com velocidade escalar constante, a aceleração da partı́cula é sempre orientada para o centro do cı́rculo (perpendicular à velocidade instantânea). O módulo arad da aceleração é constante, sendo dado em termos da velocidade v e do raio R por: arad = v2 R (27) O ı́ndice inferior ‘rad’ é um lembrete de que a aceleração da partı́cula é sempre orientada ao longo da direção radial, para o centro do cı́rculo e perpendicular à velocidade instantânea. Podemos Figura 50: A relação entre massa e peso. também representar a aceleração centrı́peta, arad , em termos do perı́odo T , o tempo necessário para uma revolução: P~ = m~g (26) 2πR T = (28) v Lembre-se de que | ~g | é o módulo de ~g , a aceleração da gravidade, logo, g é sempre positivo. Em termos do perı́odo,arad é dada por: Portanto, P , dado pela Equação 25, é o módulo do peso e também é sempre um número positivo. 4π 2 R arad = (29) T2 41 PCNA-FÍSICA ELEMENTAR O movimento circular uniforme, como qualquer movimento de uma partı́cula, é governado pela segunda lei de Newton. A aceleração da partı́cula orientada para o centro deve ser produzida por alguma força, ou diversas forças, tais que a soma P vetorial F~ seja um vetor sempre orientado para o centro do cı́rculo (Figura 51). O módulo da aceleração é constante, logo o módulo da força resultante F~total também é constante. Caso a força para dentro deixe de atuar, a partı́cula é expelida para fora do cı́rculo descrevendo uma linha reta tangente ao cı́rculo (Figura 52). movimento circular uniforme é dado por: | v |2 R | F~total |= m. | arad |= m. (30) O movimento circular uniforme pode ser produzido por qualquer conjunto de forças, desde P que a força resultante F~ seja sempre orientada para o centro do cı́rculo e possua módulo constante. Note que o corpo não precisa se mover em torno de um cı́rculo completo: a Equação 30 é valida para qualquer trajetória que possa ser considerada como parte de um arco circular. IMPORTANTE! A força centrı́peta não é uma força real. Este é meramente um nome que se dá para a componente da força resultante que aponta para o centro de curvatura da trajetória. Assim como a força resultante, a força centrı́peta não está presente em um diagrama de corpo livre. Apenas forças reais pertencem a diagramas de corpo livre. Figura 51: Em um movimento circular uniforme, tanto a aceleração, como a força resultante são orientadas para o centro do circulo. Principais pontos do capı́tulo: • Forma vetorial da Primeira Lei de Newton: X F~ = 0 • Forma de componentes da Primeira Lei de Newton: X Fx = 0; X Fy = 0; X Fz • Forma vetorial da Segunda Lei de Newton: X F~ = m~a • Forma de componentes da Segunda Lei de Newton: X Fx = max ; X Fy = may ; X Fz = maz • Módulo da Força de Atrito Estático: Figura 52: O que acontece quando a força orientada para o centro deixa de atuar sobre um movimento circular? fe máx ≤ µe FN • Módulo da Força de Atrito Cinético: fc = µc FN O módulo da aceleração radial é dado por 2 ~ |arad | = |v| R , logo o módulo | Ftotal | da força resultante sobre uma partı́cula de massa m em um • O movimento circular uniforme é estudado pela Segunda Lei de Newton, sob a forma: |F~total | = m.|arad | = m. 42 |v|2 R PCNA-FÍSICA ELEMENTAR EXERCÍCIOS 1. (HALLIDAY & RESNICK, 8a Ed) Em um cabo-de-guerra bidimensional, Alex, Charles e Betty puxam horizontalmente um pneu de automóvel nas orientações mostradas na vista superior da figura abaixo. Apesar dos esforços da trinca, o pneu permanece no mesmo lugar. Alex puxa com a força FA de módulo 220N, Charles puxa com uma força FC de módulo 170N e Betty puxa com uma força FB . Qual é o módulo da força FB exercida por Betty? 2. (CUTNELL & JOHNSON, 6a Ed) Um alpinista, durante a travessia entre dois penhascos, faz uma pausa para descansar. Ele pesa 535N. Como mostrado no desenho, ele está mais próximo do penhasco da esquerda do que do penhasco da direita, isto faz com que a tração no trecho à esquerda da alpinista seja diferente da tração no trecho à sua direita. Determine as trações na corda à esquerda e à direita da alpinista. 3. (SEARS & ZEMANSKY, 12a Ed) O motor de um automóvel com peso ‘P’ está suspenso por uma corrente que está ligada por um anel ‘o’ a duas outras correntes, uma delas amarrada ao teto e a outra presa na parede. Ache as tensões nas três correntes em função de ‘P’ e despreze o peso das correntes e do anel. 4. (MOYSÉS NUSSENZVEIG, 4a Ed) O sistema da figura está em equilı́brio. A distância ‘d’ é de 1 m e o comprimento relaxado de cada uma das duas molas iguais é de 0,5 m. A massa ‘m’ de 1 kg faz descer o ponto ‘P’ de uma distância h=15 cm e a massa das molas é desprezı́vel. Calcule a constante k das molas. Dados: K=Força/Deformação da mola 5. (MOYSÉS NUSSENZVEIG, 4a Ed) Um acrobata de 60 kg se equilibra no centro de uma corda bamba de 20m de comprimento. O centro desceu de 30 cm em relação às extremidades, presas em suportes fixos. Qual é a tração em cada metade da corda? 6. (SEARS & ZEMANSKY, 12a Ed) Um carro de 1130 kg está seguro por um cabo leve, sobre uma rampa muito lisa (sem atrito), como indicado na figura. O cabo forma um ângulo de 31,0o sobre a superfı́cie da rampa, e a rampa ergue-se 25,0o acima da horizontal. a) Desenhe um diagrama do corpo livre para o carro. b) Ache a tração no cabo. c) Com que intensidade a superfı́cie da rampa empurra o carro? 43 PCNA-FÍSICA ELEMENTAR 7. (CUTNELL & JOHNSON, 6a Ed) A viga ‘I’ de aço do desenho possui um peso de 8,00 kN e está sendo suspensa com velocidade constante. Qual a tração em cada cabo às suas extremidades? 8. (HALLIDAY & RESNICK, 8a Ed) A figura abaixo mostra um arranjo no quais quatro discos estão suspensos por uma corda. A corda mais comprida, do alto, passa por uma polia sem atrito e exerce uma força de 98N sobre a parede à qual está presa. As tensões nas cordas mais curtas são T1 = 58, 8N T2 = 49N T3 = 9, 8N . Quais as massas (a) do disco A, (b) do disco B, (c) do disco C e (d) do disco D? 10. (MOYSÉS NUSSENZVEIG, 4a Ed) O sistema representado na figura está em equilı́brio. Determine as tensões nos fios 1, 2 e 3 e o valor do ângulo θ 11. (HALLIDAY & RESNICK, 9a Ed) Se um corpo-padrão de 1 kg tem uma aceleração de 2,00 m/s2 a 20,0o com o semieixo positivo, quais são (a) a componente x e (b) a componente y da força resultante a que o corpo está submetido e (c) qual é a força resultante em termos dos vetores unitários? (trabalhando vetores no contexto de força). 12. (HALLIDAY & RESNICK, 9a Ed) Duas forças horizontais agem sobre um bloco de madeira de 2 kg que pode deslizar sem atrito na bancada de uma cozinha, situada em um plano xy. Uma das forças é F~1 = 3ı̂ + 4̂. Determine a aceleração do bloco em termos dos vetores unitários se a outra é: (a) F = −3ı̂ + (−4)̂; (b) F = −3ı̂ + 4̂; (c) F = 3ı̂ +(−4)̂.(obs.: todas as forças são dadas em Newtons) (trabalhando vetores no contexto de força) 13. (HALLIDAY & RESNICK, 9a Ed)Na figura abaixo, três blocos conectados são puxados para a direita sobre uma mesa horizontal sem atrito por uma força de módulo T3 =65N. Se m1 =12kg, m2 =24kg e m3 =31kg, calcule (a) o módulo da aceleração do sistema, (b) a tração e T1 (c) a tração T2 9. (MOYSÉS NUSSENZVEIG, 4a Ed) No sistema representado na figura, calcule as Tensões nas cordas A e B a compressão na viga C, desprezando as massas da viga e das cordas. 14. (HALLIDAY & RESNICK, 9a Ed) A figura abaixo mostra dois blocos ligados por uma corda (de massa desprezı́vel) que passa por uma polia sem atrito (também de massa 44 PCNA-FÍSICA ELEMENTAR desprezı́vel). O conjunto é conhecido como máquina de Atwood. Um bloco de massa m1 =1,3kg; o outro tem massa m2 =2,8kg. Quais são (a) o módulo da aceleração dos blocos e (b) a tração na corda? e dos fios e o atrito, calcule a aceleração do sistema e as tensões nos fios 1, 2, 3. 18. (HALLIDAY & RESNICK, 9a Ed) A figura abaixo mostra três blocos ligados por cordas que passam por polias sem atrito. O bloco B está sobre uma mesa sem atrito. As massas são mA = 6,00 kg, mB = 8,00 kg e mC = 10,0 kg. Quando os blocos são liberados qual a tração na corda da direita? 15. (HALLIDAY & RESNICK, 9a Ed) Um bloco de massa m1 = 3,70 kg sobre um plano sem atrito inclinado, de ângulo θ = 30,0o , está preso por uma corda de massa desprezı́vel, que passa por uma polia de massa e atrito desprezı́veis, a um outro bloco de massa m2 = 2,30 kg. Quais são (a) o módulo da aceleração de cada bloco, (b) a orientação da aceleração do bloco que está pendurado e (c) a tração da corda? 16. (HALLIDAY & RESNICK, 9a Ed) A figura abaixo mostra uma caixa de dinheiro sujo (m1=3 kg) sobre um plano inclinado sem atrito de ângulo θ1 =30o . A caixa está ligada por uma corda de massa desprezı́vel a uma caixa de dinheiro lavado (m2=2 kg) situada sobre um plano sem atrito de ângulo θ2 =60o . A polia não tem atrito e tem massa desprezı́vel. Calcule a tração da corda. 17. (MOYSÉS NUSSENZVEIG, 4a Ed) No sistema da figura, m1 = 20 kg, m2 = 40 kg, m3 = 60 kg. Desprezando as massas das polias 19. (CUTNELL & JOHNSON, 6a Ed) No desenho, o peso do bloco sobre a mesa é de 422N e o bloco pendurado tem peso de 185N. Ignorando todos os efeitos de atrito e supondo que a roldana não possui massa, determine: (a) a aceleração dos dois blocos e (b) a tração no cabo. 20. (HALLIDAY & RESNICK, 9a Ed) Uma lata de antioxidantes (m1 = 1,0 kg) sobre um plano inclinado sem atrito esta ligado a uma lata de apresuntado (m2 = 2,0 kg). A polia tem massa e atrito desprezı́veis. Uma força vertical para cima de módulo F = 6,0 N atua sobre a lata de apresuntado, que tem uma aceleração para baixo de 5,5 m/s2 . Determine (a) a tração da corda e (b) o ângulo β 45 PCNA-FÍSICA ELEMENTAR cinético entre o bloco 2 e a mesa? 21. (MOYSÉS NUSSENZVEIG, 4a Ed) No sistema da figura, o bloco 1 tem massa 10 Kg e seu coeficiente de atrito estático com o plano inclinado é 0,5. Entre que valores mı́nimo e máximo pode variar a massa m bloco 2 para que o sistema permaneça em equilı́brio? Desconsidere o atrito entre o bloco 2 e a parede. 1 22. (HALLIDAY & RESNICK, 9a Ed) O bloco B da figura abaixo pesa 711N. O coeficiente de atrito estático entre o bloco e a mesa é de 0,25; o ângulo θ é de 30o . Determine o peso máximo de A para que o sistema permaneça em repouso. 23. HALLIDAY & RESNICK, 9a Ed) Os três blocos da figura abaixo são liberados a partir do repouso. Aceleram com um módulo de 0,500 m/s2 . O bloco 1 tem massa M, o bloco 2 tem massa 2M e o bloco três tem massa 2M. Qual o coeficiente de atrito 24. HALLIDAY & RESNICK, 9a Ed) O bloco A da figura abaixo Pesa 102N, e o bloco B pesa 32N. Os coeficientes de atrito entre o bloco A e a rampa são µe =0,56 e µc =0,25. O ângulo de inclinação da rampa com a horizontal é de 40o . Suponha que o eixo x é paralelo à rampa, com o sentido positivo para cima. Em termos de vetores unitários, qual é a aceleração de A se A está inicialmente (a) em repouso, (b) subindo a rampa e (c) descendo a rampa? 25. (HALLIDAY & RESNICK, 9a Ed) Um bloco de 3,5kg é empurrado ao longo de um piso horizontal por uma força F de módulo 15N que faz um ângulo de 40o com a horizontal (figura abaixo). O coeficiente de atrito cinético entre o bloco e o piso é 0,25. Calcule (a) o módulo da força de atrito que o piso exerce sobre o bloco e (b) o módulo da aceleração do bloco. 26. (HALLIDAY & RESNICK, 9a Ed) Um bloco de 4,1 kg é empurrado sobre o piso pela aplicação de uma força horizontal constante de módulo 40N. A figura abaixo mostra a velocidade do bloco v em função do tempo t quando o bloco se desloca sobre o piso ao 46 PCNA-FÍSICA ELEMENTAR longo de um eixo x. A escala vertical do gráfico é definida por vs=5 m/s. Qual é o coeficiente de atrito cinético entre o bloco e o piso? 27. (CUTNELL & JOHNSON, 6a Ed) O desenho mostra um caixote de 25,0 kg que inicialmente está em repouso. Observe que a vista mostrada é uma vista da parte de cima do caixote. Duas forças, F1 e F2 são aplicadas ao caixote, e ele começa a se mover. O coeficiente de atrito cinético entre o caixote e o piso é µc = 0,35. Determine o módulo e o sentido (em relação ao eixo +x) da aceleração do caixote. o bloco 2. Encontre (a) a magnitude da aceleração dos blocos e (b) a tração no cordão. 30. (HALLIDAY & RESNICK, 9a Ed) Um caixote de 68 kg é arrastado sobre um piso, puxado por uma corda inclinada 15o acima da horizontal. (a) Se o coeficiente de atrito estático é 0,50, qual é o valor mı́nimo do módulo da força para que o caixote comece a se mover? (b) se µc = 0,35, qual é o módulo da aceleração do caixote? 31. (HALLIDAY & RESNICK, 9a Ed) Suponha que o coeficiente de atrito estático entre a estrada e os pneus de um carro é 0,60 e não há sustentação negativa. Que velocidade deixa o carro na iminência de derrapar quando faz uma curva não compensada com 30,5 m de raio? 32. (HALLIDAY & RESNICK, 9a Ed) Qual o menor raio de uma curva sem compensação (plana) que permite um ciclista a 29 km/h faça a curva sem derrapar se o coeficiente de atrito estático* entre os pneus e a pista é de 0,32? 28. (CUTNELL & JOHNSON, 6a Ed) Um caixote de 225 kg repousa sobre uma superfı́cie que está inclinada de um ângulo de 20o acima da horizontal. Uma força horizontal (módulo = 535 N e paralela ao chão, não ao plano inclinado) é necessária para dar inı́cio ao movimento de descida do caixote no plano inclinado. Qual o coeficiente de atrito estático entre o caixote e o plano inclinado? 29. (PAUL A. TIPLER, GENE MOSCA, 6a Ed) Dois blocos ligados por um cordão como mostra a figura abaixo, deslizam para baixo sobre um plano inclinado de 10o . O bloco 1 tem a massa m1 = 0,80 kg e o bloco 2 tem massa m2 = 0,25 kg. Ademais, os coeficientes de atrito cinético entre os blocos e o plano são 0,30, para o bloco 1 e 0,20 para 33. (HALLIDAY & RESNICK, 9a Ed) Durante uma corrida de trenós nas Olimpı́adas de Inverno, a equipe jamaicana fez uma curva de 7,6m de raio com uma velocidade de 96,6 km/h. Qual foi a sua aceleração em unidades de g? 34. (HALLIDAY & RESNICK, 9a Ed) Na figura abaixo, um carro passa com velocidade constante por uma elevação circular e por uma depressão circular de mesmo raio. No alto da elevação a força exercida sobre o motorista pelo assento do carro é zero. A massa do motorista é de 70 kg. Qual é a força normal exercida pelo motorista no banco quando ele passa pelo fundo vale? 47 PCNA-FÍSICA ELEMENTAR 35. (HALLIDAY & RESNICK, 9a Ed) Um avião está voando em uma circunferência horizontal com uma velocidade de 480 km/h(figura abaixo). Se as asas estão inclinadas formando 40o com a horizontal, qual é o raio da circunferência? Suponha que a força necessária para manter esse avião na trajetória resulte inteiramente de uma “sustentação aerodinâmica” perpendicular à superfı́cie das asas. 36. (HALLIDAY & RESNICK, 9a Ed) Um disco de metal de massa m=1,5 kg descreve uma circunferência de raio r = 20 cm sobre uma mesa sem atrito, enquanto permanece ligado a um cilindro de massa M=2,5 kg, pendurado por um fio que passa no centro da mesa (figura abaixo). Que velocidade do disco mantém o cilindro em repouso? 37. HALLIDAY & RESNICK, 9a Ed) As curvas das rodovias costumam ser compensadas (inclinadas) para evitar que os carros derrapem. Quando a estrada está seca a força de atrito entre os pneus e o piso pode ser suficiente para evitar derrapagens. Quando a pista está molhada o coeficiente de atrito diminui e a compensação se torna essencial. A figura abaixo mostra um carro que se move com velocidade escalar constante de 20 m/s em uma pista circular compensada de raio 190 m. Se a força de atrito é desprezı́vel, qual o menor ângulo de inclinação para o qual o carro não derrapa? 38. (HALLIDAY & RESNICK, 9a Ed) Uma curva circular compensada de uma rodovia foi planejada para uma velocidade de 60 km/h. O raio da curva é 200 m. Em um dia chuvoso, a velocidade dos carros diminui para 40 km/h. Qual é o menor coeficiente de atrito entre os pneus e a estrada para que os carros façam a curva sem derrapa? 39. (HALLIDAY & RESNICK, 9a Ed) Uma bola de 1,34 kg é ligada por meio de dois fios de massa desprezı́vel, cada um com comprimento L = 1,70 m, a uma haste vertical giratória. Os fios estão amarrados à haste a uma distância d = 1,70 m um do outro e estão esticados. A tração do fio de cima é 35 N. determine (a) a tração do fio de baixo; (b) o modulo da força resultante a que esta sujeita a bola; (c) a velocidade escalar da bola; (d) a direção da força resultante. 40. (MOYSÉS NUSSENZVEIG, 4a Ed) O coeficiente de atrito estático entre as roupas de uma pessoa e a parede cilı́ndrica de uma 48 PCNA-FÍSICA ELEMENTAR centrı́fuga de parque de diversões de 2 m de raio é 0,5. Qual é a velocidade mı́nima da centrifuga para que a pessoa permaneça colada à parede, suspensa acima do chão? 49 PCNA-FÍSICA ELEMENTAR 5 NOÇÕES DE CÁLCULO DIFERENCIAL E INTEGRAL NA CINEMÁTICA 5.1 Objetivos de aprendizagem: • Entender como ocorre o estudo do movimento via introdução dos conceitos básicos da cinemática. São eles: posição, deslocamento, velocidade e aceleração. • Compreender os fundamentos (aspectos essenciais) do cálculo diferencial e integral aplicados em problemas da cinemática. A ideia é colocar aqui os elementos fundamentais mais básicos do cálculo diferencial e integral. Em sı́ntese, queremos lhe dar uma primeira visão do assunto a partir de três frentes: • Dando uma ideia geral do que é tratado nessa área da matemática; • Apresentando caracterı́sticas básicas do cálculo em nı́vel conceitual-operacional, mas sem aprofundar no rigor matemático; • Relacionando a estrutura conceitualoperacional do cálculo com as representações gráficas correspondentes. • Mostrar exemplos de aplicações de cálculo diAlém disso, para que essa introdução seja vaferencial nas engenharias em nı́vel informaliosa e representativa para você, é necessário o tivo introdutório. entendimento das relações entre os conceitos cinemáticos tanto do ponto de vista conceitual5.2 Introdução: operacional quanto do ponto de vista gráfico. Isso O cálculo diferencial e integral é um ramo da quer dizer que precisaremos ter domı́nio das fermatemática muito adequado para tratar questões ramentas do cálculo (em nı́vel básico) e entendidinâmicas de uma maneira geral. Determinar mento dos conceitos da cinemática conforme acacomo determinadas quantidades variam ou deter- bamos de mencionar. Mas temos mais uma coisa minar a quantidade total (valores) de uma gran- para dizer para você, leitor. Não apenas isso é deza num dado intervalo (de qualquer natureza) possı́vel de ser conseguido como também tem tudo são problemas gerais que podem ser atacados por para ser muito divertido! essa área da matemática. Hoje em dia, o cálculo é usado para achar órbitas de satélites, estimar 5.3 Uma breve discussão sobre refereno crescimento populacional, calcular a inflação, e cial do ponto de vista da cinemática também é utilizado em questões importantes de processos de otimização. Assim, o cálculo diAntes de comentarmos sobre os aspectos de ferencial e integral é hoje considerado um ins- posição e deslocamento é importante nos basear trumento indispensável em todos os campos da no fato de que o referencial pode interferir diciência pura e aplicada: em Fı́sica, Quı́mica, Bi- retamente nestas duas grandezas fı́sicas posição e ologia, Astronomia e principalmente em todas as deslocamento. Por exemplo, numa conversa por Engenharias. Isso nos mostra que as aplicações telefone, ao dizer a sua posição a alguém, você fade cálculo estão entre as maiores realizações in- talmente adotará um referencial que também seja telectuais da civilização, tanto do ponto de vista conhecido para a pessoa com quem você está facientı́fico, como também do ponto de vista cultu- lando (Exemplo: Tô aqui perto do Mercado de ral e social. E você, prezado leitor, terá oportu- São Braz!). nidade de ter um primeiro contato com esse maravilhoso e vasto campo do conhecimento humano Mas afinal de contas o que é referencial? tendo a cinemática como porta de entrada (aqui neste capı́tulo nos restringiremos ao movimento Já discutimos um pouco sobre referencial no em linha reta, ou seja, restritos a uma dimensão). capı́tulo de vetores quando tratamos da adoção Isso mesmo: o estudo do movimento é um dos muitos campos da fı́sica em que o cálculo diferencial integral. Outro inventor do cálculo foi o filósofo, e matemático alemão Gottfried Wilhelm Leibniz. Ambos os e integral é importante.3 3 O fı́sico inglês Isaac Newton estudava questões relacionadas ao movimento e às explicações do movimento (dinâmica). Pelas necessidades matemáticas implicadas em tais estudos, com muita labuta e genialidade, desenvolveu o inı́cio do que conhecemos hoje como cálculo diferencial e gênios, dos maiores que a humanidade já conheceu, se envolveram em uma terrı́vel pendenga pela honra de ter a primazia na invenção do cálculo. Tal briga polarizou boa parte dos cientistas europeus daquela época, com os ingleses ficando do lado de Newton enquanto que os cientistas alemães tomaram partido por Leibniz. 50 PCNA-FÍSICA ELEMENTAR de um sistema de eixos coordenados para fazer a decomposição de vetores (ver Seção 2.5). Também falamos de referencial no inı́cio do capı́tulo de Leis de Newton quando vimos que referenciais que estão acelerados (referenciais não-inerciais) se comportam e são descritos de maneira diferente dos referenciais que não estão acelerados (referenciais inerciais) (Seção 3.2). Vamos falar mais um pouco sobre referencial, agora no contexto de cinemática. Conforme expresso no inı́cio desta introdução, a nossa discussão está restrita a movimentos em uma dimensão. Ou seja, tudo acontece em cima de uma linha reta. Essa discussão pode ser facilmente generalizada para duas e três dimensões, pois nós temos conhecimento de vetores! Mas voltemos à discussão. Toda medida de posição se faz a partir de um ponto. Fisicamente esse ponto é a nossa origem (onde a gente põe o “zero” da fita métrica, por exemplo). Matematicamente, é a origem do nosso sistema de eixos coordenados (lá na Seção 2.5 nós já havı́amos falado sobre a necessidade de adotar formalmente um sistema de coordenadas para efetuar medidas de posição). Todo eixo coordenado possui uma parte positiva a partir da origem e uma parte negativa a partir da mesma. Veja a Figura 53. mas também para onde ele anda (direção e sentido). Veremos esses aspectos com mais detalhes na seção seguinte. Não vamos desenvolver extensivamente o estudo da cinemática. Nosso interesse é abordar tudo o que é estritamente necessário para o estudo da dinâmica. Logo, não vamos desenvolver aqui estudos e manipulações de equações cinemáticas. Mas fica o alerta! Quando for tratar problemas de cinemática, não tente apenas decorar as equações e usa-las cegamente. Estabeleça o seu referencial, ou seja, estabeleça a origem do seu sistema de medidas e oriente o sistema de eixos coordenados que você estiver trabalhando. Esse é o primeiro passo. Sempre! Depois veja como essa escolha afeta as equações que você está trabalhando. Caso resolva “pular” essa etapa, com alta probabilidade você encontrará o resultado errado para o problema que está resolvendo ou de fato não será capaz de explicar como o resolveu, mesmo que esteja “certo” (a última parte tem probabilidade igual a 100%). IMPORTANTE! Para estabelecer um referencial do ponto de vista da cinemática, precisamos estabelecer a origem do seu sistema de coordenadas, bem como a orientação do sistema de eixos coordenados. 5.4 Figura 53: Indicação de referencial graduada em metros 5.3 Posição x deslocamento O que é posição? Posição, de maneira simples, é a localização de um corpo ou objeto em um determinado espaço Digamos que um objeto esteja na posição 1m em relação a um referencial estabelecido por quem (portanto, à direita da origem). Se o objeto estiver à mesma da distância da origem, mas à esquerda está efetuando a análise. Ou seja, para medir a posição de alguém, precisamos medi-la a partir de desta, ele estará na posição -1m. um ponto (origem do referencial). Essa discussão é importante para o conceito de deslocamento (que também já foi mencionado no capı́tulo de vetores). Como já foi dito, deslocamento é um conceito vetorial. No exemplo que estamos desenvolvendo, embora a distância para a origem seja a mesma (nos casos +1m ou -1m) faz diferença do ponto de vista de deslocamento se o objeto sai da origem para a posição +1m ou da origem para a posição -1m. Ou seja, para o deslocamento não importa apenas o quanto ele anda, Para descrever o movimento de uma partı́cula, precisamos ser capazes de descrever a posição da partı́cula e como essa posição varia enquanto essa partı́cula se move para um ponto final. Para o movimento unidimensional, normalmente escolhemos o eixo x como linha ao longo da qual o movimento o movimento ocorre, mas pode ser o eixo y como, por exemplo, queda livre. 51 PCNA-FÍSICA ELEMENTAR O que é deslocamento? Em relação ao deslocamento já vimos que é uma grandeza vetorial. Um aspecto crucial para efeito de deslocamento é que importa apenas as posições final e inicial que o corpo ocupa. Ou seja, para efeito de deslocamento não importa o caminho tomado para ir do ponto inicial ao ponto final. Duas pessoas que saem do mesmo ponto de partida e chegam a um mesmo local possuem o mesmo deslocamento, independente do espaço que percorrem para fazer esse trajeto. 5.5 Velocidade vetorial média x velocidade escalar média Qual a diferença entre essas velocidades? A diferença é que a velocidade média é uma grandeza vetorial e a velocidade escalar média é uma grandeza escalar. Podemos perceber essa afirmação na própria definição de ambas como se segue abaixo: Velocidade Vetorial Média A velocidade vetorial média é a razão entre o A propósito! A origem do verbo deslocar significa tirar de uma localização e levar para vetor deslocamento e o tempo transcorrido (∆t). outra localização. Tão somente isso! Com base ~x − x~0 ∆~x ~v = = (32) no que foi discutido acima, responda: Um corpo t − t0 ∆t sai de uma determinada posição, dá “meia volta ao mundo” e volta para a mesma posição. Esse Onde: ~x é a posição final no instante t final corpo teve um deslocamento nulo ou diferente de e x~0 é a posição inicial no instante t0 inicial. zero? IMPORTANTE! É importante reconhecer a diferença entre deslocamento e distância percorrida. A distância percorrida por uma partı́cula é o comprimento do caminho descrito pela partı́cula de sua posição inicial até a sua posição final. Deslocamento é a variação de posição de uma partı́cula. IMPORTANTE! O vetor velocidade média é um vetor que aponta na mesma direção e no mesmo sentido que o deslocamento, pois a constante ∆t é sempre positiva. Do mesmo modo que no deslocamento, usaremos os sinais de mais (+) e o de menos (-) para indicar os dois sentidos possı́veis para uma dada direção. Velocidade Escalar Média IMPORTANTE! É positivo se a variação de posição ocorre no sentido crescente de x (o sentido +x ) e negativo se ocorrer no sentido decrescente (sentido –x ). Portanto deslocamento é de natureza vetorial e distância percorrida é de natureza escalar. A velocidade escalar média é a razão entre a distância percorrida e o tempo gasto para realizar o percurso. vescalar = Distância percorrida Tempo gasto (33) Obs: Unidade no SI: metros por segundo (m/s). 5.6 Velocidade instantânea Antes de analisarmos o conceito de velocidade O deslocamento é a diferença entre as instantânea vamos ver o exemplo abaixo para esposições final e inicial (~x e x~0 ). clarecer com mais detalhes o significado de veloci∆~x = ~x − x~0 (31) dade instantânea. Em uma competição de Moto Cross, um engenheiro, por meio de equipamentos Onde temos como variáveis: de medição, conseguiu descrever a função posição ∆~x - Deslocamento. de uma das motos como apresentado a seguir: ~x - Posição Final. x~0 - Posição Inicial. x(t) = 5t2 52 PCNA-FÍSICA ELEMENTAR Calcule a velocidade média entre os instantes função varia em função de um parâmetro pontot = 1s e t = 2s. a-ponto (taxa de variação instantânea da função). Veremos que quanto maior for a taxa de variação x(2) − x(1) 20 − 5 v= = = 15m/s; ∆t = 1s da função num dado ponto maior será a inclinação t1 − t0 2−1 (tangente) da função naquele ponto. No estudo do movimento a partir do cálculo diferencial vemos Agora, entre t = 1s e t = 1, 1. que encontrar a reta tangente à função horária da x(1,1) − x(1) 6, 05 − 5 = = 10, 5m/s; ∆t = 0, 1s posição em função do tempo e o problema para v= t1 − t0 1, 1 − 1 encontrar a velocidade de um objeto num determinado instante envolve determinar o mesmo tipo E então, entre t = 1s e t = 1, 01. de limite. Esse tipo especial de limite é chamado de derivada e veremos que pode ser interx −x(1) 5,1−5 v = (1,01) = 1,01−1 = 10, 05m/s; ∆t = 0, 01s pretado como uma taxa de variação ou razão t1 −t0 incremental tanto nas ciências quanto na engenharia. Veremos que o estudo de cálculo integral relaciona-se ao processo inverso da derivada (soIMPORTANTE! matório das áreas). À medida que ∆t diminui, a velocidade média se aproxima de um valor-limite, que é a velocidade instantânea. Para poder entender Conceito melhor a definição de velocidade instantânea, precisamos aprimorar o entendimento do que vem a ser cálculo diferencial e integral. Seja uma função f (x) qualquer, e sobre ela traçamos uma reta que intercepta dois pontos quaisquer desta função, f (x). A essa reta, chamamos de reta secante, conforme segue na Figura 5.7 Noções de cálculo diferencial 53, que mostra como extraı́mos o fator coeficiente Para começar, qual o problema fundamen- angular da reta. tal que o cálculo diferencial responde? Procuraremos responder intuitivamente a essa pergunta (portanto em nı́vel básico) tanto do ponto de vista conceitual-operacional quanto do ponto de vista gráfico. Começando pelo ponto de vista conceitual- operacional. O cálculo diferencial, cuja operação matemática correspondente é chamada de derivada, busca responder a seguinte questão fundamental: Como uma função varia ponto a ponto? Ou ainda, de maneira equivalente: Qual a taxa de variação que uma função apresenta em função de um determinado parâmetro? É difı́cil superestimar a importância dessa pergunta. Talvez não seja difı́cil imaginar que responder como a Figura 54: Reta secante a uma função f (x) posição de um corpo varia em função do tempo é importante para o estudo da cinemática e que essa variação da posição do corpo em função do tempo, ou melhor, a taxa de variação da posição do corpo IMPORTANTE! em função do tempo tem algo a ver com a velociA reta secante a uma curva é uma reta que dade do corpo. Veremos que quanto menor for o cruza dois ou mais pontos desta mesma curva intervalo de tempo considerado, mais nos aproxie o coeficiente angular da reta secante acima é mamos do conceito matemático da derivada, que é dado pela fórmula da geometria analı́tica: definido em termos de um processo de limite. Graf (x + h) − f (x) ficamente, grosso modo, tudo o que vamos fazer é m= (34) h sair acompanhando a tangente à função, pontoa-ponto, para responder a questão de como uma 53 PCNA-FÍSICA ELEMENTAR Note que a Equação 34, quando aplicada à cinemática, nos fornece uma equação conhecida que é a velocidade média. Em outras palavras, podemos afirmar que velocidade média é a inclinação de uma reta secante como podemos ver na Figura 55. Figura 56: Reta secante tendendo a uma tangente. Em outras palavras podemos dizer que quando h tende a zero, o valor da inclinação da reta secante tende ao valor da inclinação da reta tangente. Figura 55: Gráfico de posição no tempo. Logo a velocidade média em x é dada pelo coeficiente angular da reta secante à curva como segue abaixo: f (x + h) − f (x) (35) mx = h Substituindo, temos: vmx = x2 − x1 ∆x = t2 − t1 ∆t Vemos que a reta tangente a uma curva é a reta que intercepta essa mesma curva em somente um ponto, ou seja, mx = inclinação da reta tangente. h→0 f (x + h) − f (x) h Substituindo, temos: ∆x dx = ∆t→0 ∆t dt vx = lim ∆x dx = ∆t→0 ∆t dt vx = lim (39) Onde dx dt é a taxa de variação com a qual a posição x está variando com o tempo t, podemos ver isso de forma clara em um velocı́metro de um automóvel. (36) Agora, aproximando o ponto x2 do ponto x1 , o próprio ∆t se aproxima de zero e consequentemente a reta secante vai se aproximando de uma reta tangente no ponto P1 , ou seja, numa reta que intercepta a função somente neste ponto, além de ser “rente” ao gráfico. Note que o coeficiente angular dessa reta é a velocidade instantânea. mx = lim IMPORTANTE! Através da expressão da velocidade instantânea. (37) 5.8 Aceleração vetorial média x Aceleração escalar média Qual é a diferença entre aceleração média e aceleração escalar média? A diferença é que aceleração média é uma grandeza vetorial e aceleração escalar média é a intensidade ou magnitude dessa grandeza vetorial. Quando a velocidade de uma partı́cula varia, diz-se que a partı́cula foi acelerada. Para movimentos ao longo de um eixo, a aceleração média, em um intervalo de tempo ∆t é: v~2 − v~1 ∆~v a~m = = (40) t2 − t1 ∆t Para a partı́cula que tem velocidade v~1 no instante t1 e velocidade v~2 no instante t2 , onde a unidade no SI de aceleração é metros por segundo (38) ao quadrado (m/s2 ). 54 PCNA-FÍSICA ELEMENTAR 5.9 Aceleração instantânea Também chamada de aceleração pode ser definida seguindo o mesmo procedimento adotado quando definimos velocidade instantânea. Portanto, temos que: ∆v dv = ∆t→0 ∆t dt a = lim (41) Como podemos ver que a velocidade instantânea é dada por: Figura 57: Reta horizontal de uma função constante dx v= (42) dt função permanece constante, ou seja, não varia. Portanto, só relembrando, a taxa de variação Então: d2 x a= 2 (43) da função em termos de x , ou seja, a derivada dt é igual à zero. Ou seja, a aceleração de uma partı́cula DERIVADA DE UMA em qualquer instante é a derivada segunda da posição x(t) em relação ao tempo. A POTÊNCIA EM X aceleração também é uma grandeza vetorial. (xn )0 = n.xn−1 IMPORTANTE! Tome cuidado para não confundir aceleração com velocidade! A velocidade indica como a posição de um corpo varia com o tempo e é um vetor cujo módulo indica a velocidade da variação de deslocamento do corpo e sua direção e sentido mostram a direção e sentido do movimento. Já a aceleração depende de como o vetor velocidade varia em relação ao tempo. (45) Obs.:Para qualquer n real diferente de zero. Escolhemos fornecer a regra da derivada para a função potência, pois uma grande variedade de fórmulas importantes para a fı́sica é descrita por esse tipo de função (também conhecida como função polinomial). Por exemplo, veremos que no estudo do movimento em uma dimensão que a posição de um objeto em função do tempo pode ser descrita da seguinte forma: x = x0 + v0 t + PROPRIEDADES DA DERIVADA FUNÇÃO at2 2 (46) Como podemos encontrar a velocidade instantânea em função do tempo para a função acima? Veremos a seguir os procedimentos a se0 k =0 (44) rem feito para se determinar a velocidade instantânea e a sua aceleração instantânea em função O leitor pode estar se perguntando: Por que a do tempo através da regra de soma ou a subtração derivada de uma função constante é igual à zero? das derivadas das funções. Bem, o que caracteriza uma função constante é que independentemente do valor que a variável asSOMA OU SUBTRAÇÃO sume, o valor da função permanece o mesmo, ou seja, a taxa de variação é igual à zero para a f (t) = u(t) ± v(t) função abaixo conforme a Figura 57. DERIVADA DE UMA CONSTANTE k f 0 (t) = u0 (t) ± v 0 (t) (47) Vimos que a derivada nada mais é do que a taxa de variação da função. Para o caso da função constante, a resposta da pergunta “Como A derivada da soma (subtração) é igual à soma varia a função em termos de x ?” é simples. A (subtração) das derivadas. 55 PCNA-FÍSICA ELEMENTAR CONSTANTE k MULTIPLICANDO A FUNÇÃO (kf (t))0 = kf 0 (t) (48) IMPORTANTE! A derivada obedece, portanto, à propriedade da distributividade para a soma e subtração. Ou seja, para calcular a derivada de uma função com dois ou mais termos, derive cada um dos termos e depois some tudo. A regra exposta em 5.7 expõe que a derivada de uma função f (t) multiplicada por k é igual a derivada de f (t) vezes k. Ou seja, a constante fica “esperando” para ser multiplicada pelo resultado da derivada de f (t). Sendo a derivada igual à taxa de variação de uma função em termos do parâmetro do qual ela depende. A pergunta de interesse é o quanto varia a função em um ponto especı́fico. Para isso procedemos da seguinte forma: Derivamos a função e em seguida substituı́mos na derivada da função o ponto especı́fico no qual estamos interessados. Com base no conhecimento adquirido até aqui, usando a derivada, calcule a velocidade instantânea e a aceleração instantânea da seguinte expressão: at2 x = x0 + v0 t + 2 Figura 58: Derivada indicando se a) f (x) é crescente ou se b) f (x) é decrescente. De outra forma, percebe-se que uma função é crescente em x0 se a reta tangente à função em x0 está “subindo”, e “mergulhando” em direção ao eixo x para o caso decrescente. Para o caso de f 0 (x0 ) = 0, como já visto, diz-se que x0 é um ponto crı́tico de f . Um ponto crı́tico é basicamente um ponto cuja derivada é nula ou não existe. Intuitivamente, os pontos que anulam a derivada são ditos máximos ou mı́nimos locais de uma função, já que a reta tangente a eles é horizontal e, portanto Em seguinte verifique se a velocidade e a ace- tem coeficiente angular igual a zero, conforme fileração dependem do tempo e reflita sobre os re- gura abaixo: sultados obtidos. ANÁLISE DA DERIVADA A derivada é uma ferramenta muito poderosa que nos diz se uma função é crescente ou não em um determinado ponto. Isso é possı́vel analisandose o sinal da derivada da função neste ponto, conFigura 59: Na figura acima, c é máximo local e d forme a regra abaixo: 0 0 0 f (x0 ) > 0: A função f é crescente em x = x0 ; é mı́nimo local (f (c) = f (d) = 0). f 0 (x0 ) < 0: A função f é decrescente em x = x0 ; f 0 (x0 ) = 0: x = x0 é um ponto crı́tico de f . Um ponto de máximo local pode ser definido como o “cume da montanha”, ou seja, As duas primeiras afirmações podem ser cons- é um ponto cuja imagem (f (c)) é maior tatadas pela figura a seguir sobre aspectos impor- que as imagens dos pontos imediatamente tantes: à esquerda e à direita de c (c − 0, 00001 e 56 PCNA-FÍSICA ELEMENTAR c + 0, 00001, por exemplo). Explicação análoga vale para o mı́nimo local (“vale da montanha”). IMPORTANTE! O estudo dos máximos e mı́nimos de uma função é uma das aplicações mais importantes da derivada para um engenheiro, o qual usa essa ferramenta, entre outras finalidades, para minimizar o custo de seus projetos. APLICAÇÕES DO CÁLCULO DIFE- Figura 60: Tabela representativa de derivada e integral de modo sintético. RENCIAL O calculo diferencial ou simplesmente derivada é encontrado nos mais diversos ramos da fı́sica e engenharia. Podemos encontrar na 2a Lei de Newton com mais sofisticação, como sendo a taxa de variação do momento linear com o tempo. dP~ F~ = dt Encontramos na definição de potência como taxa de variação de energia com o tempo: P = dU dt dq dt v= x = x0 + v0 t + at2 2 v = v0 + at Na engenharia elétrica, podemos encontrar na simples definição de tensão e corrente, temos: i= Antes de nos depararmos com a ferramenta matemática de imensa aplicabilidade na engenharia que é cálculo integral aplicado na cinemática, iremos abordar pontos importantes das equações usadas no ensino médio quando temos uma aceleração constante; as equações que conhecemos do ensino médio como segue abaixo: dw dq v 2 = v0 2 + 2a∆x Se analisarmos um gráfico com aceleração constante temos: Outro exemplo da aplicação da derivada encontra-se na engenharia de telecomunicações com a famosa Lei de Faraday em campos variantes no tempo, onde podemos obter a força eletromotriz induzida através da taxa de variação do fluxo magnético com o tempo: ε=− dΦs dt Sem contar com as aplicações da derivada na medicina, biologia, economia e outras áreas do conhecimento. Portanto, podemos perceber a grandiosidade e aplicabilidade dessa valiosa ferramenta Figura 61: Gráfico de aceleração no tempo. que é o calculo diferencial. Observando a Figura 60, percebemos que o caminho de “ida” a partir da posição para a velocidade e posteriormente para a Com a aceleração constante podemos traçar o aceleração, nós sabemos! Agora como fazer o cagráfico v x t e encontrar o espaço total. minho de “volta”? 57 PCNA-FÍSICA ELEMENTAR pois somar todos os pedaços para obter a área do todo.”(Cálculo para Leigos). CONCEITO DE INTEGRAL O conceito de integral está bastante relacionado à noção de áreas. Os povos gregos se perguntavam na Antiguidade: “como calcular a área de uma figura qualquer?”, como mostra a Figura 64. Figura 62: Gráfico de velocidade no tempo. Agora façamos a seguinte pergunta: e se a aceleração não for constante? Ou seja, se a aceleração depender do tempo como poderemos encontrar a velocidade e o espaço? Nessa configuração que citamos, o gráfico, em termos puramente expositivos, é: Figura 64: Gráfico de uma curva qualquer. Como a curva da figura acima não pertence às figuras clássicas, como quadrado, triângulo e cı́rculo, não são possı́veis calcular sua área com fórmulas “prontas” da geometria. Bom, mas existe uma figura geométrica cuja área é bem conhecida na geometria: o retângulo. Sua área pode ser calculada pelo produto da base com a altura. Numa tentativa de calcular a área da figura acima, poderı́amos desenhar vários retângulos cujas alturas são determinadas pela própria figura, como segue: Figura 63: Gráfico da aceleração no tempo. Por não se tratar de um problema simples a obtenção dessa área, apropriamo-nos de um método matemático chamado integral. 5.10 Noções de cálculo integral A integral é um recurso matemático inverso ao da derivada, ou seja, ao invés de achar deridy vada dx de uma função f (x), calcula-se a função dy f (x) a partir da derivada da função dx , ou seja, também é conhecida como Anti-Derivada. “A integração é uma adição sofisticada. É a modo de processo de pegar uma forma cuja área você não pode determinar diretamente, cortar em pequenos pedaços cujas áreas você pode determinar, e de- Figura 65: Curva sendo aproximada grosseiramente por retângulos. Como se vê, a aproximação não é perfeita, mas quanto menores forem as bases desses retângulos, mais próxima à soma de suas áreas vai ficar em 58 PCNA-FÍSICA ELEMENTAR relação à área A desejada, como podemos ver na Figura 66 a seguir. INTEGRAL DE UMA CONSTANTE k Z kdx = kx + c INTEGRAL DE POTÊNCIA EM X Z xn dx = (49) UMA FUNÇÃO xn+1 +c n+1 (50) Para qualquer n 6= −1. Obs.: Se n = −1, sua integral será dada pela função logarı́tmica ln(x) + c, ou seja, temos: Z Figura 66: Aproximação melhorada com o uso de retângulos mais finos. x−1 dx = Z dx = ln(x) + c x (51) SOMA OU SUBTRAÇÃO f (x) = u(x) ± v(x) Z Z f (x)dx = IMPORTANTE! A ideia da integral é que a área de uma figura qualquer é aproximada pela soma das áreas de incontáveis retângulos de espessura praticamente nula. Daı́ pode-se considerar a integral um processo de soma de pequenı́ssimas parcelas, que seriam as áreas de cada retângulo, até chegar ao total esperado (área A da Figura 66). NOTAÇÃO u(x)dx ± Z v(x)dx (52) A integral da soma (subtração) é igual à soma (subtração) das integrais. CONSTANTE UMA FUNÇÃO MULTIPLICANDO Z Z kf (x)dx = k f (x)dx (53) IMPORTANTE! Como se podem perceber, essas duas últimas propriedades da integral são análogas às da derivada. A integral deR uma função f (x) é denotada por f (x)dx, onde se assemelha a um S estendido, de soma. Tal qual fizemos em relação à derivada, vamos colocar algumas propriedades da integral. 5.11 R IMPORTANTE! As propriedades de distributividade da soma e da multiplicação de uma integral por uma constante são mantidas na integração, tal como na operação de diferenciação. PROPRIEDADES DA INTEGRAL Aplicação na cinemática A derivada foi usada para obter a velocidade instantânea a partir do espaço e a aceleração instantânea a partir da velocidade instantânea. Já que a integral é o processo inverso da derivada, como dito no inı́cio do capı́tulo, era de se esperar que a integral fosse usada para calcular a variação de espaço em função da velocidade instantânea e a velocidade instantânea a partir da aceleração instantânea. Essa suposição, felizmente, é verdadeira, da qual vêm as equações: Z Assim como na seção derivadas, f , u e v são funções de x. Vamos considerar c uma constante arbitrária que aparece no processo de integração. ∆S = vinstantânea dt (54) Z vinstantânea = ainstantânea dt 59 (55) PCNA-FÍSICA ELEMENTAR Ora, se a integral de uma grandeza é igual à área do gráfico dessa mesma grandeza, então se nos for apresentado um gráfico da velocidade instantânea em relação ao tempo (vxt), sua área entre dois instantes t1 e t2 será igual à variação de espaço ocorrida entre esses mesmos instantes. A Figura 67 a seguir exemplifica melhor essa ideia. Principais pontos do capı́tulo: • Gráficos trazem informações importantes e precisamos relacionar essas informações com base nos conceitos que estamos estudando. Neste capı́tulo fizemos a extração da informação a partir de gráficos da cinemática e relacionamos a informação com as ferramentas básicas do cálculo diferencial e integral. • Seja o problema de determinar a taxa de variação de uma função ponto-a-ponto ou calcular a área de um gráfico delimitada por uma dada função em certo intervalo, precisamos prestar atenção na dimensionalidade da taxa de variação e na dimensionalidade da área que estamos trabalhando. Figura 67: A variação no espaço é igual a área do gráfico vxt Embora possa parecer estranho obter o espaço percorrido a partir de um gráfico da velocidade em função do tempo, fizemos isso sem perceber quando resolvı́amos problemas de cinemática no ensino médio. O mesmo raciocı́nio vale para a velocidade instantânea. Por ser a integral da aceleração no tempo, pode ser calculada também como a área do gráfico da aceleração versus tempo(axt): • Cálculo diferencial (a derivada) e o cálculo integral (a integral) são operações matemáticas inversas. Isso quer dizer que, atuar com uma das duas operações matemáticas sobre a função e, em seguida atuar com a outra operação, o efeito da primeira é anulado. Isso nos “devolve” a função original. Esse é, grosso modo, o que quer dizer operações matemáticas serem inversas. Figura 68: A variação no espaço é igual a área do gráfico axt 60 PCNA-FÍSICA ELEMENTAR GABARITO GERAL 23o Questão R: a) 2,85 km e b) O vetor deslocamento, θ = 142, 12o em relação ao eixo x positivo. ANÁLISE VETORIAL BÁSICA 24o Questão o 1 Questão R: a) 6,43km e b) O vetor deslocamento, R: a) ~a + ~b = −9ı̂ + 10̂, b) 13,45 e c) θ = 132o , θ = 76, 5o em relação ao eixo x positivo. em relação ao eixo x positivo. 25o Questão o 2 Questão R: a) 301,04 metros e b) O vetor deslocamento, R: Conceitual θ = 286, 6o em relação ao eixo x positivo. o 3 Questão 26o Questão R: Conceitual R: a) ~a + ~b = −9ı̂ + 7̂ e b) O vetor deslocao 4 Questão mento, θ = 52, 13o em relação à ̂ , no sentido R: Conceitual anti-horário. 5o Questão 27o Questão R: Conceitual R: θ = 70, 52o . o 6 Questão R: Conceitual LEIS DE NEWTON 7o Questão R: Conceitual 1o Questão 8o Questão R: Conceitual R: Conceitual 2o Questão o 9 Questão R: Conceitual R: a) 370 m e b) 425 m 3o Questão o 10 Questão R: Conceitual o R: a) Gráfico, b) 3,19 Km e c) θ = −138, 81 4o Questão o 11 Questão R: Conceitual R: Ax = −6, 61 unid. e Bx = −3, 08 unid. 5o Questão 12o Questão R: Conceitual R: Rx = 14, 48m e Ry = 3, 88m 6o Questão 13o Questão R: Conceitual R: a) ~a + ~b = ı̂ + 7̂, b) | ~a |= 5 e θ = 36, 87o ; 7o Questão | ~b |= 5 e θ = 126, 87o . R: Conceitual o 14 Questão 8o Questão R: Conceitual R: Conceitual 15o Questão 9o Questão R: a) ~a.~b = 30 unid. e b) ~a × ~b = 51, 96 unid. R: Conceitual 16o Questão 10o Questão R: a) ~a × ~b = 12 unid., b) ~a × ~c = 12 unid. R: Conceitual c)~b × ~c = 12 unid. 11o Questão o 17 Questão R: Conceitual R: Conceitual 12o Questão o 18 Questão R: Conceitual o R: a) 7,43 N e b) 68,12 13o Questão o 19 Questão R: Conceitual R: 6,08 N 20o Questão APLICAÇÕES DAS LEIS DE NEWR: a) 12,58 N e b) 11,46o TON PROBLEMAS ADICIONAIS 21o Questão R: a) 1570,8 m, b) 1000 m e c) zero 22o Questão R: Conceitual 1o R: 2o R: 3o R: Questão 241N Questão T~e = 918, 57N e T~d = 845, 35N Questão T~1 = P~ , T~2 = 0, 577P~ e T~2 = 1, 155P~ 61 PCNA-FÍSICA ELEMENTAR 4o Questão R: k = 775N/m 5o Questão R: T~ = 9804N 6o Questão ~ = 7224, 38N R: T~ = 5459, 93N e N o 7 Questão R: T~ = 4257N 8o Questão R: a) 4,0 kg b) 1,0 kg c) 4,0 kg d) 1,0 kg 9o Questão R: T~a = 980N , T~b = 2677N e T~c = 3279N . 10o Questão R: T~1 = 1960N , T~2 = 1697, 4N , T~3 = 3394, 8N e θ = 60o 11o Questão R: a) 1,88 N, b) 0,684 N e c) (1, 88N )ı̂ +(0, 684N )̂ 12o Questão R: a) 0m/s2 , b) (4, 0m/s2 )̂ e c) (3m/s2 )ı̂ 13o Questão R: a) 0, 97m/s2 , b) T~1 = 11, 6N e c) T~2 = 34, 9N 14o Questão R: a) 3, 59m/s2 ; b) T~ = 17, 4N 15o Questão R: a) 0, 735m/s2 e c) T~ = 20, 8N 16o Questão R: T~ = 15, 8N 17o Questão R: a) 1, 79m/s2 b) T~1 = 134N c) T~2 = 402N d) T~3 = 402N 18o Questão R: a) T~ = 81, 67N 19o Questão R: a) 2, 99m/s2 e b) T~ = 129N 20o Questão R: a) T~ = 2, 6N e β = 17, 21o 21o Questão R: a) 3, 54kg < m < 10, 6kg. 22o Questão R: P~ = 102, 62N 23o Questão R: 0,37 24o Questão R: a) 0m/s2 , b) −3, 88m/s2 e c) –1, 03m/s2 25o Questão R: a) 11 N; b) 0, 14m/s2 26o Questão R: a) 0,54 27o Questão R: a) 1, 68m/s2 28o Questão R: 0,665 29o Questão R: a) 0, 96m/s2 e b) T~ = 0, 18N 30o Questão R: a) 304,2 N e b) 1, 29m/s2 31o Questão R: 13 m/s 32o Questão R: 20,69 m 33o Questão R: 9, 7~g 34o Questão R: 1372 N 35o Questão R: 2, 4x103 m 36o Questão R: 1,81 m/s 37o Questão R: 12o 38o Questão R: 0,063 39o Questão R: a) 8,74 N, b) 37,9 N e c) 6,45 m/s 40o Questão R: 6,26 m/s 62 PCNA-FÍSICA ELEMENTAR REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS • CUTNELL. J. D; JOHSON, K. W. Fı́sica. Volume 1. Sexta Edição. Ed. LTC. • DOCA, R. H.; BISCUOLA, G. J.; BÔAS, N. V. Tópicos de Fı́sica 1: MECÂNICA. 18a Ed. São Paulo: Saraiva, 2001. • FEYNMAN, R.P., LEIGHTON, R.B., SANDS, M., Lectures on Physics. v. 1, New York: Addison-Wesley Publishing Company, 1963. • HALLIDAY, D.; RESNICK, R., Fı́sica. v. 1, 4a ed. Rio de Janeiro: LTC Ltda, 1992. • HEWITT, P. G. Fı́sica Conceitual. trad. Trieste Freire Ricci e Maria Helena Gravina. 9a ed. Porto Alegre: Bookman, 2002. • MARK, R.; Cálculo para Leigos. 2a Edição. Rio de Janeiro : Alta Books 2012. • NUSSENZVEIG, H.M., Curso de Fı́sica Básica, v. 1, São Paulo: Edgar Blücher LTDA, 1987. • PAUL, A.T; GENE. M; Fı́sica para Cientistas e Engenheiros. Volume 1 Rio de Janeiro: LTC 2012 • WALKER, J. Fundamentos de Fı́sicaHlalliday-Resnick. Volume 1 8a . Edição. Rio de Janeiro: LTC Ltda, 1993. • YOUNG. H. D; FREEDMAN. Fı́sica 1-Sears & Zemansky. Mecânica. 12a . Edição. Ed. Pearson. 63