física cinemática - aula 2

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Física Cinemática Aula 2 Professor: Sérgio Aranha

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Page 1: Física Cinemática - aula 2

Física Cinemática

Aula 2

Professor: Sérgio Aranha

Page 2: Física Cinemática - aula 2

Objetivos:O(s) objetivo(s) desta aula

(apresentação, conteúdo, etc.) é xxxxxxx

xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx

xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx

xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx

xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx

Page 3: Física Cinemática - aula 2

Vivemos num mundo que tem com uma das principais

característica o movimento. Mesmo corpos que

aparentemente estão em repouso, só estão neste estado

em relação a um certo referencial.

Movimento Retilíneo

Quando estamos deitados em

nossa cama, tudo à nossa volta

parece estar em repouso. E de

fato, tudo está em repouso em

relação ao nosso corpo, mas

não está em repouso em

relação à Lua, ou ao Sol.Criação: DI - CETEC

Page 4: Física Cinemática - aula 2

Se estivéssemos deitado em uma cama de um vagão de

um trem dormitório, todos os objetos do quarto ainda nos

pareceriam parados, apesar desse conjunto se mover em

relação aos trilhos.

Movimento RetilíneoContinuação

Daí concluirmos que

movimento (ou repouso) é

uma característica de um

corpo em relação a um

certo referencial

específico.Criação: DI - CETEC

Page 5: Física Cinemática - aula 2

Movimento Retilíneo

Quando um objeto real está em movimento, além de sua

translação ele também pode tanto girar quanto oscilar. Se

fôssemos sempre considerar essas características, o

movimento de um corpo seria sempre um fenômeno

bastante complicado de se estudar.

Continuação

Page 6: Física Cinemática - aula 2

Movimento Retilíneo

Acontece, que em diversas situações o fenômeno mais

importante é a translação, desse modo, sem incorrer em

grande erro, podemos isolar este tipo movimento e

estudá-lo como o único existente, chamado de

Movimento Retilíneo.

Continuação

Page 7: Física Cinemática - aula 2

Posição e deslocamento

A localização de uma partícula é fundamental para a

análise do seu movimento. O seu movimento é

completamente conhecido se a sua posição no espaço é

conhecida em todos os instantes.

Vamos considerar que esse movimento componha-se de

uma trajetória retilínea que tem como posição inicial o

ponto P com coordenada xi no instante ti e posição final

com coordenada xf no instante tf .

Page 8: Física Cinemática - aula 2

Posição e deslocamento

O deslocamento Δx é uma medida da

diferença entre as posições inicial xi

que a partícula ocupou e a sua posição

final xf .

Δx = xf - xi

e o intervalo de tempo é expresso

como:

Δt = tf - ti

Obs.: A letra grega delta (Δ) na Física significa variação, ou seja,

(final – inicial).

Sendo: xi = posição inicial

xf = posição final

ti = tempo inicial

tf = tempo final

Continuação

Page 9: Física Cinemática - aula 2

A velocidade de uma partícula é a razão segundo a qual a sua

posição varia com o tempo. Podemos analisar um movimento

de diversas maneiras, dependendo da sofisticação dos nossos

instrumentos de medida.

A velocidade escalar média é definida como a razão entre o

deslocamento (Δx) o tempo intervalo de tempo Δt, durante o

qual ocorre esse deslocamento.

Velocidade média

Page 10: Física Cinemática - aula 2

Velocidade média

titf

xixf

t

xvméd

No gráfico x contra t, vméd é o coeficiente angular da reta que liga dois

pontos particulares sobre esta curva x(t)

Continuação

Page 11: Física Cinemática - aula 2

Velocidade escalar média

A velocidade média, envolve o deslocamento da partícula

(Δx), enquanto a velocidade escalar média envolve a

distância total percorrida pelo móvel, independente da

direção ou sentido.

t

totaldistânciaSméd

(Halliday R.W.)

Page 12: Física Cinemática - aula 2

Velocidade escalar média

Como a velocidade escalar média não envolve direção e

sentido, ela não possui sinal algébrico. Em algumas

situações, Sméd é igual a vméd (exceto pela ausência de

sinal).

A velocidade escalar média, também é chamada de

velocidade média de repouso, que é sempre positiva.

Observação: Cuidado para não confundir Sméd (Speed em

inglês) com S (Space em inglês).

t

S

totaltempo

totaldistânciarepousodemédiavelocidade

( Tipler P.A.)

Continuação

Page 13: Física Cinemática - aula 2

À medida que o intervalo de tempo Δt diminui o ponto Q se

aproxima do ponto P. No limite quando Δt → 0 , quando o

ponto Q tende ao ponto P , a reta que os une passa a coincidir

com a própria tangente à curva no ponto Q , ou seja v = tanα .

Assim, a velocidade instantânea em um dado ponto do gráfico

espaço versus tempo é a tangente à curva neste ponto

específico.

Velocidade Instantânea

Page 14: Física Cinemática - aula 2

A velocidade instantânea v nos dá

informações sobre o que está

acontecendo num dado momento.

Ela é definida como:

Velocidade Instantânea

A velocidade instantânea v pode ser chamada simplesmente de velocidade.

(Halliday)

dt

dx

t

xtv

t

0lim)(

Continuação

Page 15: Física Cinemática - aula 2

Velocidade escalar

A velocidade escalar, é o módulo da velocidade instantânea, ou

seja, a velocidade escalar é a velocidade destituída de

qualquer indicação de direção ou sentido .

Exemplo, o velocímetro de um automóvel, ele marca a

velocidade escalar, porque o velocímetro não pode determinar

a direção e o sentido do movimento.

dt

dx

t

xv

t

lim

0

Assim como , temos:

dt

dxv Velocidade escalar : ou simplesmente v

Page 16: Física Cinemática - aula 2

Velocidade escalar

Observação: tanto a velocidade escalar, quanto a

velocidade escalar média, podem ser completamente

diferentes, por exemplo, a velocidade de + 10 m/s e a

velocidade – 10 m/s, possuem a mesma velocidade

escalar, que é 10 m/s.

Continuação

Page 17: Física Cinemática - aula 2

Resumo

VELOCIDADE MÉDIA:

VELOCIDADE ESCALAR MÉDIA:

VELOCIDADE INSTANTÂNEA:

VELOCIDADE ESCALAR:

titf

xixf

t

xvméd

t

totaldistânciaSméd

dt

dx

t

xtv

t

0lim)(

dt

dxv

Page 18: Física Cinemática - aula 2

Aceleração média

A aceleração de uma partícula é a razão segundo a qual a sua

velocidade varia com o tempo. Ela nos dá informações de como

a velocidade está aumentando ou diminuindo à medida que o

corpo se movimenta.

Para analisar a variação da velocidade durante um certo

intervalo de tempo Δt nós definimos a aceleração média deste

intervalo como:

Page 19: Física Cinemática - aula 2

Aceleração média

t

v

titf

vivfaméd

Onde temos:

vf = velocidade final do movimento;

vi = velocidade inicial;

Δv = variação da velocidade;

Δt = variação do tempo.

A aceleração média, também é representada por , porque

não informa como a velocidade varia com o tempo, durante o

intervalo de tempo Δt, a aceleração média, nos fornece

apenas a variação total da velocidade e o intervalo de tempo

em que se verificou essa variação.

a

Continuação

Page 20: Física Cinemática - aula 2

Aceleração instantânea

A aceleração instantânea, ou simplesmente, aceleração ,

é a derivada da velocidade em relação ao tempo.

dt

dv

t

va

t

0lim

A aceleração de uma partícula em qualquer instante, é a taxa

com que sua velocidade está variando naquele instante.

Graficamente, a aceleração em qualquer ponto é a declividade

da curva de v(t) naquele ponto.

Como vimos anteriormente, a velocidade é a derivada de sua

posição em relação ao tempo, assim, podemos definir a

aceleração como sendo a derivada segunda da posição, em

relação ao tempo.

2

2

dt

xd

dt

dx

dt

d

dt

dva

Page 21: Física Cinemática - aula 2

Aceleração Constante

Um caso especial e bem comum na Física, é o do movimento

unidimensional com aceleração constante, ou movimento

retilíneo uniformemente acelerado.

Em virtude da aceleração ser constante, a aceleração média

é igual a aceleração instantânea, por isso, a velocidade

aumenta ou diminui numa mesma taxa temporal durante todo

o movimento.

Com algumas pequenas mudanças na notação podemos

escrever a equação da velocidade em função de qualquer

tempo, partindo do tempo inicial igual a zero.

0

0

tt

vvaaa méd

tavv .0

(com a = constante)

Page 22: Física Cinemática - aula 2

Movimento Unidimensional

com aceleração constante

A expressão , nos possibilita prever a velocidade

em qualquer instante de tempo t, se a velocidade inicial, a

aceleração e o tempo forem conhecidos.

tavv .0

O gráfico da velocidade contra

o tempo, está representado

por uma reta cujo coeficiente

angular é a aceleração a , o

que está de acordo com o fato

da aceleração ser:

dt

dva = constante

Page 23: Física Cinemática - aula 2

O gráfico da

aceleração contra

o tempo é uma

constante cujo

coeficiente

angular é igual a

zero.

Movimento Unidimensional

com aceleração constanteContinuação

Page 24: Física Cinemática - aula 2

Equações do Movimento

Unidimensional

De forma análoga a dedução da equação da velocidade ( v = v0

+ at) , podemos escrever a equação da velocidade média para

um movimento unidimensional com aceleração constante e

partindo do tempo t = 0, como:

Com essa equação e algumas mudanças de notação podemos

escrever:

0

0

t

xx

titf

xixf

t

xvméd

tvxx méd .0

Page 25: Física Cinemática - aula 2

Equações do Movimento

Unidimensional

Como essa equação do

deslocamento é uma

função do 1º grau, o

gráfico da posição X

contra o tempo , é uma

reta.

x

x0

t

(reta)

Continuação

Page 26: Física Cinemática - aula 2

Para a função linear da velocidade v = v0 + a.t, dentro de um

intervalo de tempo qualquer, digamos de t = 0 até um tempo

posterior t, a velocidade média é a média da velocidade no

início do intervalo ( v0), até a velocidade no fim do intervalo

(v). Assim, para um intervalo de tempo posterior a t, a

velocidade média é:

)(2

10 vvvméd

Equações do Movimento

UnidimensionalContinuação

Page 27: Física Cinemática - aula 2

Como , podemos substituir na equação acima:

Substituindo vméd na equação

da posição

teremos:

tavv .0

tavvtavvv médméd .2

1)).((

2

1000

tvxx méd .0

2

00 .2

1tatvxx

Equações do Movimento

Unidimensional

(curvatura)x0

x

t

Continuação

Page 28: Física Cinemática - aula 2

Equação de TorricelliVamos considerar o movimento com velocidade constante de

uma partícula, entre um instante inicial t0 e um instante

posterior t . No instante inicial t0 a partícula se

encontrava na posição inicial x0 com velocidade inicial v0 e no

instante t ela se encontrava na posição x com velocidade v .

A velocidade média da partícula neste intervalo entre t0 e t é

dada por:

onde a última igualdade é válida

apenas para movimentos com

aceleração constante, como esse

caso específico.

V = x – xo = v+vo

t - t0 2

Page 29: Física Cinemática - aula 2

Podemos colocar as equações anteriores com a seguinte

forma que define x :

Como a aceleração é constante, podemos usar a definição de

aceleração média

que é a própria aceleração constante neste caso presente:

Equação de TorricelliContinuação

Page 30: Física Cinemática - aula 2

Usando este valor de v na equação que define x,

encontraremos:

e rearrumando os vários termos teremos:

Equação de TorricelliContinuação

Page 31: Física Cinemática - aula 2

Usando o valor de (t - to) na equação que define x

encontraremos:

ou seja:

e finalmente:

)(.2 0

2

0

2 xxavv

Equação de TorricelliContinuação

Page 32: Física Cinemática - aula 2

Derivada e integral

Como vimos anteriormente:

Se derivarmos a equação do espaço, chegaremos na

velocidade, e se derivarmos a velocidade, chegaremos

na aceleração.

dt

dva

dt

dxv

2

2

dt

xda

Page 33: Física Cinemática - aula 2

Derivada e integral

O processo inverso, também pode ser aplicado:

O que integrando fornece:

Onde C´ = x0

dtv

dxedtadv.

.

dttadtvdx 0

Ctatvx o 2

2

1

**Halliday , 6ª Edição

Página 21.

Continuação

Page 34: Física Cinemática - aula 2

Aplicação - Gráficos

Um motorista viaja ao longo de uma estrada reta

desenvolvendo uma velocidade de 15m/s quando resolve

aumentá-la para 35m/s usando uma aceleração constante de

4m/s2 . Permanece 10s com essa velocidade, quando resolve

diminuí-la para 5m/s usando uma aceleração constante de

10m/s2 . Trace os gráficos de x versus t , v versus t e a versus t

para o todo o movimento mencionado.

Intervalo Aceleração

O — 5s Nula

5s —, lOs Positiva

lOs —, 20s Nula

20s — 23s Negativa

> 23s Nula

Page 35: Física Cinemática - aula 2

Aplicação - Gráficos

Velocidade -

Constante

Reta ascendente

Constante

Reta descendente

Constante

Espaço

Reta ascendente

Parábola com concavidade

voltada para cima

Reta ascendente

Parábola com concavidade

voltada para baixo

Reta ascendente

Continuação

Intervalo

O — 5s

5s —, lOs

1Os —, 20s

20s — 23s

> 23s

Intervalo

O — 5s

5s —, lOs

lOs —, 20s

20s — 23s

>23s

Page 36: Física Cinemática - aula 2

Exercício: Halliday – 6ª edição

pág 25 seção 2.3 – 1E

1. Se um lançador de beisebol lança uma bola rápida a

uma velocidade horizontal de 160 Km/h, quanto

tempo a bola leva para alcançar a base principal

distante 18,4 m ?

2. Uma partícula percorre uma distância entre dois

pontos A e B , sendo que na primeira metade dessa

distância a velocidade média foi de 20 m/s , e na

segunda metade foi de 60 m/s . Determine a

velocidade média no percurso total ?

Page 37: Física Cinemática - aula 2

Exercícios: Tipler P.A.

pág 27 – 2-7

Um guepardo pode acelerar de 0 a 96 km/h (60 mi/h)

em 2s, enquanto um veículo médio necessita de 4,5

segundos. Calcule as acelerações médias daquele

felino e do veículo e compare-as com a aceleração de

queda livre pelo feito da gravidade, g = 9,8 m/s2.

Respostas: Felino: 13,33 m/s2 ; 1,36g ; carro:

5,92 m/s2 ; 0,60 g