mecânica da partícula - física e química · exemplos: a força gravítica, ... a força normal...

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10-11-2010 1 Mecânica da partícula Movimentos de corpos sujeitos a ligações Prof. Luís C. Perna Forças As forças traduzem e medem interacções entre corpos e essas interacções podem ser de contacto ou à distância (FQA ano 1). Forças de contacto à distância Uma vez definido o sistema físico em estudo, as forças que actuam nas partículas podem ser interiores ou exteriores ao sistema. Forças Interiores resultam das interacções entre as partículas do sistema (actuam sempre aos pares no interior do sistema) Exteriores resultam de interacções entre as partículas do sistema com partículas exteriores (actuam aos pares mas encontram-se em sistemas diferentes)

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Mecânica da partícula

Movimentos de corpos sujeitos a ligações

Prof. Luís C. Perna

Forças

As forças traduzem e medem interacções entre corpos e essas

interacções podem ser de contacto ou à distância (FQA ano 1).

Forças

de contacto

à distância

Uma vez definido o sistema físico em estudo, as forças que actuam

nas partículas podem ser interiores ou exteriores ao sistema.

Forças

Interiores – resultam das interacções entre as partículas do sistema (actuam sempre

aos pares no interior do sistema)

Exteriores – resultam de interacções entre as partículas

do sistema com partículas exteriores (actuam aos pares mas encontram-se em

sistemas diferentes)

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Forças aplicadas e forças de ligação

Uma questão importante no estudo do movimento de um corpo tem a

ver com as ligações ou vínculos a que um corpo está sujeito, uma vez

que essas ligações ou vínculos restringem o seu movimento.

Quais são as forças que actuam sobre o saco de

tangerinas?

São a força gravítica, Fg, e a tensão, T, que o dinamómetro

exerce sobre o saco.

A tensão, T, surge pelo facto de existir uma ligação ou

vínculo do saco de tangerinas ao dinamómetro. Trata-

se de uma força de ligação.

O mesmo não se verifica com a força gravítica, Fg. Esta

actua quer o saco de tangerinas esteja pendurado no

dinamómetro ou não. Trata-se de uma força aplicada.

Forças aplicadas e forças de ligação

As forças aplicadas são forças com características bem definidas e

actuam num corpo independentemente da existência ou não de

ligações ou vínculos.

Exemplos: a força gravítica, força eléctrica, a força muscular, a

força elástica, ...

As forças de ligação são forças que se exercem pelo facto de um

corpo estar sujeito a ligações ou vínculos. Os seus valores

dependem das forças aplicadas e, em situações de movimento, das

características do movimento.

Exemplos: as tensões de fios, as reacções normais de superfícies,

as forças de atrito, ...

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Movimentos de corpos sujeitos a ligações sem forças de atrito

Para analisar o movimento de qualquer corpo considerado como

partícula, sujeito a forças de ligação e/ou forças aplicadas devemos

utilizar algumas regras:

1- Identificar as forças ou interacções que se exercem na partícula;

2- Representá-las num diagrama de forças, indicando as direcções e os

sentidos; e devem ser desenhadas num ponto que simbolize o CM;

3- O comprimento dos vectores que representam as forças devem

traduzir, aproximadamente a intensidade relativa das forças;

4- Utilizar a lei fundamental da dinâmica de acordo com o referencial

escolhido, tendo em atenção os sinais atribuídos às componentes escalares

das forças e decompondo a resultante das forças;

5- Resolver as equações em ordem às incógnitas.

Movimento no plano horizontal de um sistema de corpos ligados

Consideremos um sistema de dois corpos A e B, de massas mA e

mB, ligados por um fio inextensível e de massa desprezável.

Sobre o sistema, actua a força horizontal F, constante.

aaa BA

TTT BAAB //

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Movimento no plano horizontal de um sistema de corpos ligados

Aplicação da lei fundamental da dinâmica aos corpos em separado.

A

xx

yy 0

/

ANA

AAAB

PR

amT

0

ANA

A

PR

amT

+

ANA PR

Aplicação das regras ao corpo A:

Movimento no plano horizontal de um sistema de corpos ligados

Aplicação da lei fundamental da dinâmica aos corpos em separado.

B

xx

yy 0

/

BNB

BBBA

PR

amFT

0

BNB

B

PR

amFT

+

BNB PR

Aplicação das regras ao corpo B:

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Movimento no plano horizontal de um sistema de corpos ligados

Aplicação da lei fundamental da dinâmica aos corpos em separado.

amFT

amT

B

A

+

amamF BA ammF BA )(

BA mm

Fa

BA

A

mm

mFT

Movimento no plano vertical de um sistema de corpos ligados. A máquina de Atwood

A máquina de Atwood consiste num sistema de dois

corpos, de massas diferentes, ligados por um fio

inextensível de massa desprezável, que passa pela gola de

uma roldana fixa com muito pouco atrito.

Forças exteriores que actuam no sistema: PA e PB

Forças de ligação que actuam no sistema: TA/B e TB/A

Sendo o fio inextensível de massa desprezável verifica-se:

TTT ABBA //

aaa BA

Por ser um sistema de corpos ligados:

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Movimento no plano horizontal de um sistema de corpos ligados

Aplicação da lei fundamental da dinâmica aos corpos em separado.

amPT

amPT

BB

AA

Aplicação das regras ao corpo A:

A

BBBBA

AAAAB

amPT

amPT

/

/

B

+ +

)( BAAB mmaPP )()( BAAB mmammg

gmm

mma

BA

AB

amPT AA amPT BB ou

mB >mA

Movimento no plano inclinado de um sistema de corpos ligados

Começa-se por desenhar o

diagrama das forças que

actuam nos dois corpos

ligados, A e B.

Decompõem-se o peso PA,

segundo o referencial Oxy

considerado.

Seguidamente procede-se da mesma forma que nos casos anteriores,

aplicando a Lei Fundamental da Dinâmica a cada corpo em separado.

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Movimento circular num plano vertical: o looping

Porque será que o

carrinho não cai quando

passa pela posição mais

alta do looping?

Com que velocidade deve

passar por essa posição

para haver segurança?

Será que o raio de

curvatura é importante?

Nota: Vamos fazer o estudo do mov. admitindo desprezável a força de atrito no percurso.

Movimento circular num plano vertical: o looping

Análise do movimento na

posição .

A

PNFF

FF

Any

tx

0

Em A: o valor da velocidade é máximo e o valor da força normal também é máximo.

R

va A

n

2

PNF

F

An

t

0

0

0

n

t

a

a

R

vmPN A

A

2

A força normal é maior que o peso e a segurançaestá garantida, a força normal depende da velocidade.

A

Se a velocidade for grande a força é grande e podeincomodar o passageiro.

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Movimento circular num plano vertical: o looping

Análise do movimento na

posição .

B

PFF

NFF

ty

Bnx

B

Também nesta posição, o módulo da força normal depende da velocidade.

mgma

NF

t

Bn

ga

R

mvN

t

BB

2

0

0

t

n

a

axx

yy

Movimento circular num plano vertical: o looping

Análise do movimento na

posição .

C

PNFF

FF

Cny

tx

0

C

PNF

F

Cn

t

0

PFN nC

0

0

t

n

a

a

PR

vmN C

C

2

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Movimento circular num plano vertical: o looping

Para haver segurança em C o

que é que terá de se verificar?

0CN

02

PR

vm C gm

R

vm C

2

gRvC Condição de segurança em C.

PR

vmN C

C 2

Movimento circular num plano vertical: o looping

Qual será a altura mínima, h, para

que o carrinho ao ser abandonado

em D consiga atingir a posição C?

Pela conservação da energia

mecânica vem:

CCD ghmvmghm 2

2

1

CD EmEm

CCD ghvgh 2

2

1

RgRghg D 22

1

gRvC A velocidade mínima em C é: RhC 2e

RRhD 22

1 RhD

2

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Movimento circular num plano horizontal: bobsled

Para que o bobsled consiga descrever a curva a força resultante tem de ter

uma componente que puxe o corpo para o centro da curva ou seja uma força

centrípeta.

O veículo descreve a curva porque está apoiado numa rampa.

Forças que actuam no veículo:

xx

yy

nxx amNF

0

PNF yy

R

vmN

2

sin

mgN cos

Velocidade máxima permitida: tangRvmáx

cos

mgN

Forças de atrito como força de ligação

O atrito está sempre presente no nosso dia-a-dia, umas vezes é útil

outras é prejudicial.

O atrito entre superfícies sólidas é devido à sua rugosidade, que muitas

vezes acontece a uma escala microscópica. Quando tentamos deslizar

uma superfície sobre a outra essa rugosidade impede o movimento dos

corpos.

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Forças de atrito como força de ligação

Consideremos um corpo, em repouso, assente sobre uma superfície horizontal.

F

Se sobre o corpo aplicarmos uma força , horizontal, o corpo pode

permanecer em repouso. Explica-se este facto pela existência de uma

força entre as superfícies de contacto, que se opõem ao deslocamento de

uma superfície sobre outra que é a força de atrito.

A força de atrito estático, .

Enquanto não houver movimento verifica-se:

Se aumentarmos a força aplicada ao corpo, a força de atrito estático

aumenta mas, no instante em que se torne eminente o movimento do

corpo, a força de atrito estático atinge o seu valor máximo, .

Depois de iniciado o movimento do corpo a força de

atrito diminui e designa-se por força de atrito cinético, .

A força de atrito é paralela à superfície de contacto.

A força de atrito tem sentido oposto ao movimento dos corpos.

eaF

eaFF

máxeaF

F

caF

Forças de atrito estático e força de atrito cinético

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Ao actuar uma força, ,

e até o corpo estar na

eminência do movimento

(situação 1), verifica-se:

Depois de iniciado o

movimento do corpo

(situação 2), verifica-se:

eaFF

caFF

Forças de atrito estático e força de atrito cinético

F

Leis do atrito de escorregamento com base na observação experimental

1- O valor da força de atrito estático máximo , para a qual o

corpo está na eminência de iniciar o movimento em relação ao outro é

directamente proporcional ao valor da reacção normal de contacto ,

entre as duas superfícies.

máxeaF

nR

nemáxe RaF

2- O coeficiente de atrito estático, , depende da natureza das

superfícies de contacto.e

3- A força de atrito estático é independente da área de contacto entre

os corpos.

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Leis do atrito de escorregamento com base na observação experimental

4- Quando há movimento de uma superfície em relação à outra, o valor da

força de atrito cinético é directamente proporcional ao valor da reacção

normal, :nR

ncc RaF

5- O coeficiente de atrito cinético, , depende:

a) Da natureza das superfícies que contactam;

b) Da velocidade relativa das superfícies que contactam podendo

dentro de determinados limites ser considerada constante.

c

ce

A Tabela, mostra valores de alguns coeficientes de atrito estático e de

atrito cinético. Por se tratar de grandezas macroscópicas que dependem

das propriedades microscópicas dos dois materiais, os coeficientes de

atrito são variáveis para cada par de superfícies.

SuperficiesCoeficiente de

atrito estático e

Coeficiente de

atrito cinético c

Níquel / níquel 0,74 0,57

Gelo / gelo 0,10 0,03

Cobre / aço 0,53 0,36

Madeira / madeira 0,40 0,20

Vidro / vidro 0,94 0,40

Cobre / ferro 1,05 0,29

Aço / aço 0,74 0,57

Tabela de coeficientes de atrito

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Consideremos um bloco de granito que se desloca sobre uma

superfície horizontal, sob a acção de uma força F, constante:

0PFR

maFF

yN

ax

maRF Nccos

m

RFa Nccos

Como determinar a aceleração do corpo?

Assentado ideias – Aplicando a 2ª Lei de Newton

Uma caixa com a massa de 50 kg é

deslocada por acção de uma força

de intensidade 300 N, que faz um

ângulo de 30° com a horizontal. A

intensidade da força de atrito é

de 140 N.

Represente todas as forças

que actuam na caixa.

Calcule o valor da aceleração

adquirida pela caixa.

Exercício de Aplicação 1

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Exercício de Aplicação 2

Sobre um corpo B, de massa 8,0 kg, assente numa

mesa, coloca-se um outro corpo A, de massa 1,0 kg.

Ao ser aplicada no corpo B uma força constante , F ,

horizontal (ver figura), o sistema de corpos A+B adquire

a aceleração a = 3,0 ex (m/s2). O coeficiente de atrito

cinético entre os materiais das superfícies de contacto

da mesa e do corpo B, é igual a 0,20.

1. Represente as forças que actuam em cada um dos

corpos.

2. Determine a força de atrito que o corpo B exerce

sobre o corpo A.

3. Calcule o módulo da força F.

Exercício de Aplicação 3

Fa = 3,0 ex (N)

F = 45 N