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PROF. OSCAR CAPITULO 2

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Page 1: PROF. OSCAR CAPITULO 2. O que é física? Um dos propósitos da física é estudar o movimento dos objetos: a rapidez com que se movem, por exemplo, ou a distância

PROF. OSCAR

CAPITULO 2

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O que é física?

Um dos propósitos da física é estudar o movimento dos objetos: a rapidez com que se movem, por exemplo, ou a distância percorrida em um certo intervalo de tempo. Os engenheiros da NASCAR e da F1 são fantásticos por estes aspectos da física quando determinam o desempenho dos seus carros antes e durante as corridas. Os geólogos usam esta física para estudar o movimento das placas tectônicas, e existem vários outros exemplos. Neste capítulo estudamos a física básica do movimento.

[email protected]

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Mecânica

[email protected]

MECÂNICA: ramo da física em que se estuda o movimento. Pode ser dividida em Cinemática e Dinâmica.

CINEMÁTICA

Estuda o movimento dos corpos sem se preocupar com as forças que o origina. Preocupa-se em determinar POSIÇÃO, VELOCIDADE e ACELERAÇÃO de um corpo em cada instante do seu movimento.

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Ponto Material e Corpo Extenso

[email protected]

Quando um corpo possui dimensões importantes no estudo do seu movimento, dizemos que é um corpo extenso.

• Quando um corpo possui dimensões desprezíveis ao estudo do movimento, dizemos que é um ponto material.

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Referencial e Trajetória

[email protected]

O REFERENCIAL é um ponto de referência para o qual um corpo está em movimento ou em repouso;

TRAJETÓRIA – caminho percorrido ou posições ocupadas pelo móvel no decorrer do tempo;

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1 - Posição e Deslocamento

Localizar um objeto significa determinar sua posição relativa a algum ponto de referência, freqüentemente a origem (ou ponto

zero) de um eixo tal como o eixo x.

Se um corpo sai de um móvel sai de uma posição inicial xi e se

desloca para uma posição final xf, o seu deslocamento Δx é dado por:

toDeslocamen if xxx

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Δt é o intervalo de tempo durante o qual ocorre o deslocamento Δx. E representa a diferença entre o tempo ti em que o móvel estava em xi e o tempo tf, em que o móvel estava na posição final xf.

Tempo de Intervalo ttt if

• Se ti = 0 →Δt=tf=t

Δx > 0→ Movimento Progressivo - Deslocamento no sentido positivo do eixo x.

toDeslocamen if xxx

x

Δx < 0→ Movimento Retrógrado - Deslocamento no sentido negativo do eixo x.

x

Classificação dos movimentos e intervalo de tempo

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Velocidade MédiaÉ definida como a razão entre o deslocamento e o tempo necessário para esse evento.

Para calcularmos a velocidade média da viagem entre as duas cidades, deveríamos saber a distância em linha reta entre elas. Essa distância seria o deslocamento, que foi definido anteriormente.

méd

xv

t

Unidades: m/s (SI) ; cm/s; km/h.

smhkm, 163

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Velocidade média Uma forma compacta de

descrever a posição de um objeto é desenhar um gráfico da posição x em função do tempo t, ou seja, um gráfico de x(t).

Tatu em repouso na posiçãoX=-2m.

Movimento do tatu.

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Em um gráfico x versus t, vméd é a inclinação (ou coeficiente angular) da reta que liga dois pontos particulares sobre a curva x(t).

médvt

xtg

médvtg

Velocidade média

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t

xvm

if xxx

mx

x

6

42

• Exemplo1 - Qual a velocidade média do tatu entre os instantes t=1s e t=4s?

st

t

3

14

sms

mvm 2

3

6

if ttt

Velocidade média

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Exemplos

2 – Durante um forte espirro, seus olhos podem fechar por 0,50s. Se você estiver dirigindo a 120 km/h e espirrar tão fortemente, quanto se desloca seu carro durante o espirro?

3 – Numa corrida o deslocamento total dos atletas é de 100m. Qual a velocidade média do corredor sobre os 100m se:

a) os primeiros 50m são cobertos com velocidade média de 10m/s e os segundos 50m com velocidade média de 8m/s?

b) os primeiros 25m são cobertos com velocidade média de 10m/s e o restante de 75m com velocidade média de 8m/s?

(Resp.: a)9m/s, b)8,4m/s)

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Velocidade Instantânea

ainstantâne ade velocid0 dt

dx

t

xlimvt

A velocidade em cada instante do movimento é definida como VELOCIDADE INSTANTÂNEA, ou simplesmente VELOCIDADE.

A velocidade indicada pelo velocímetro do carro é a velocidade instantânea.

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Movimento Retilíneo e Uniforme Movimento em uma mesma direção e com velocidade constante.

O móvel percorre distâncias iguais em intervalos de tempo iguais.t t

x x

uniforme retilíneo movimento 0 vtxx

• A posição do móvel é dada pela seguinte função:

x = posição em um tempo t

x0 = posição inicial

v = velocidade

ctet

xvvméd

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Gráficos do MRU Os gráficos do Movimento Retilíneo Uniforme

para a posição e a velocidade são os seguintes:

0x

t

x

A0v

t

v

A área sob a reta de v e o eixo x nos fornece os valores de Δx.

vt

xtg

A inclinação da reta de x(t) é dada pela velocidade v.

tvA

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Exemplo 5:

[email protected]

5. A posição de uma pedra que cai de um rochedo é dada por x = 5t3 +2t2 +5, em que x é dado em metros e t é dado em segundos. Determine a velocidade da pedra

a) para um tempo t qualquer:

b) Para t=2s.(Resp.: 68m/s)

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Aceleração

média aceleração Δt

Δv

tt

vva

if

ifméd

ea)(instantân aceleração dt

dv

t

vlimat

0

A grande maioria dos movimentos não possuem velocidade constante.

tetanconsdt

dxv

A grandeza física que indica o quão rápido a velocidade varia com o tempo é a aceleração. A aceleração média é dada por:

Unidades: m/s2 (SI)

A aceleração em qualquer ponto é tangente à curva de v(t) naquele ponto

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AceleraçãoGráficos de posição, velocidade e aceleração de um elevador que, estando inicialmente em repouso, passa a se mover para cima e depois pára.

1- A inclinação de x(t) é zero nos intervalos de 0 a 1 s e dos 9 s em diante. Se Δx = 0, v = 0.

3- Nos intervalos de 1 a 3s e 8 a 9s x(t) varia mas não de forma linear, isto porque v(t) também varia, tendo acelerações positiva e negativa, respectivamente, de acordo com a derivada de v(t) nesses pontos.

2- O intervalo de 3 a 8 s a inclinação de x(t) é a mesma em qualquer ponto, indicando que a velocidade é constante neste trecho. Se v = constante, não há aceleração (a = 0).

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Exemplo6:

[email protected]

A posição de uma partícula é expressa por x= 5t3 +2t +5 . Obtenha a velocidade e a aceleração da partícula como função do tempo.

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[email protected]

Movimento Uniformemente Variado

ctet

vvaa méd 0

0

MUVatvv 0

Movimento Uniformemente Variado: Movimento em linha reta com variação uniforme de velocidade no tempo, ou seja, com aceleração constante.

A velocidade varia no tempo de acordo com a função:

RETA

Temo que a área A entre a reta

da aceleração e o eixo x é Δv.

A

v = velocidade em um tempo t

v0 = velocidade inicial

a = aceleração

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Movimento Uniformemente Variado

MUVattvxx 200 2

1

x = posição em um tempo t

x0 = posição inicial

A posição do móvel varia temporalmente por:

PARÁBOLA

Podemos utilizar uma equação do MUV que não possui a variável t. É a equação de Torricelli:

MUVx2avv 20

2

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(a) Diagrama do movimento de um carro com velocidade constante (aceleração zero). (b) Diagrama do movimento de um carro cuja aceleração é constante na direção de sua velocidade. O vetor velocidade em cada instante é indicado por uma seta vermelha, e a aceleração constante por uma violeta. (c) Diagrama do movimento de um carro cuja aceleração é constante na direção oposta à velocidade em cada instante.

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Movimento Uniformemente VariadoI. Movimento ACELERADO: quando v e a tem mesmo sinal.

Se v >0 → a > 0, e se v < 0 → a < 0.II. Movimento RETARDADO: quando v e a tem sinais

opostos. Se v >0 → a < 0, e se v < 0 → a > 0.

t

v0

v

a>0, movimento acelerado t

v

v0

a<0, movimento retardado

t

Sa>0

V<0retardado

V>0acelerado

t

S a<0V>0retardado V<0

acelerado

Concavidade para cima → a > 0, Concavidade para baixo → a< 0

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Exercício1: A cabeça de uma cascavel pode acelerar 50m/s2 no instante do ataque. Se um carro, partindo do repouso, também pudesse imprimir essa aceleração, em quanto tempo atingiria a velocidade de 100km/h ?

Exercício2: Um jumbo precisa atingir uma velocidade de 360km/h para decolar. Supondo que a aceleração da aeronave seja constante e que a pista seja de 1,8km , qual o valor mínimo desta aceleração?

Exercício3: Um carro a 97km/h é freado e para em 43m .a)Qual o módulo da aceleração (na verdade, da desaceleração) em unidades SI e em unidades g ? Suponha que a aceleração é constante.b) Qual é o tempo de frenagem? Se o seu tempo de reação tr, para freiar é de 400ms , a quantos "tempos de reação" corresponde o tempo de frenagem?

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Exercício4: Em uma estrada seca, um carro com pneus em bom estado é capaz de frear com uma desaceleração de 4,92m/s2 (suponha constante).a)Viajando inicialmente a 24,6m/s , em quanto tempo esse carro conseguirá parar?b)Que distância percorre nesse tempo?

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Experimento de Galileu na Torre de Pisa

Renascença Aristóteles era uma autoridade indiscutível, e comoele afirmara em seu livro sobre Física que coisas diferentes caemcom velocidades proporcionais a seu peso, todos acreditavamque assim seria.Mas Galileu não se conformava apenas com afirmações semprovas. Para ele essa teoria só seria válida se fosse provada atravésde um experimento; e ele já havia feito testes antes que nãocomprovaram a idéia de Aristóteles.

Aceleração em Queda Livre

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Aceleração em queda livre

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Se você arremessasse um objeto para cima ou para baixo e pudesse de alguma forma eliminar o efeito do ar sobre o movimento, observaria que o objeto sofre uma aceleração constante para baixo, conhecida como aceleração de queda livre, cujo o módulo é representado pela letra g.

Nas proximidades da Terra é a=-g=-9,8m/s2

0v v gt 20 0

1

2y y v t gt

2 20 2v v g y

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Aceleração em Queda Livre7 – Um rapaz joga uma pedra praticamente para baixo com uma

velocidade inicial de 12m/s, a partir do telhado do edifício, 30,0m acima do solo.

a) Quanto tempo leva a pedra para alcançar o solo?b) Qual a velocidade da pedra no momento do impacto?Resp.: a)1,54s, b)27,1 m/s.

8 Uma chave cai de uma ponte que está a 45 m acima da água. Ela cai diretamente sobre um barco, que se move com velocidade constante e estava a 12 m do ponto de impacto quando a chave foi solta. Qual é a velocidade do barco?

Res.: 4 m/s

9. A posição de um objeto movendo-se ao longo do eixo x é dada por x = 3t – 4t2 +t3, onde x está em metros e t em segundos.(a) Qual é o deslocamento do objeto entre t = 0s e t = 4s? (b) Qual é sua velocidade média para o intervalo de tempo de t = 2s e t = 4s?

Resp.: (a) 12 m, (b) 7m/s

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10. Os carros A e B se movem no mesmo sentido em pistas adjacentes. A posição x do carro A é dada na figura, do instante t = 0 e t = 7s. Em t= 0, o carro B está em x = 0, com uma velocidade de 12 m/s e uma aceleração negativa aB. Qual deve ser aB, de modo que os carros estejam lado a lado em t = 4s?

Res.: - 2,5 m/s2

11. No instante t = 0, uma maçã 1 é largada da ponte, caindo numa estrada abaixo da mesma; num instante posterior, uma maçã 2 é jogada para baixo da mesma altura. A figura fornece as posições verticais y das maçãs versus o tempo durante as respectivas quedas até que ambas atinjam a estrada. Qual a velocidade aproximada com a qual a maçã 2 foi jogada para baixo?

Res.: -9,6 m/s

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12. Água goteja de um chuveiro sobre o piso 200 cm abaixo. As gotas caem em intervalos de tempo regulares (iguais), com a primeira gota atingindo o piso quando a quarta gota começa a cair. Quando a primeira gota atinge o piso, a que distância do chuveiro encontram-se (a) a segunda e (b) a terceira gotas?

Res.: (a) 89 cm e (b) 22cm.

13. (Zemansky) Um antílope que se move com aceleração constante leva 7,0

s para percorrer uma distância de 70,0 m entre dois pontos. Ao passar pelo segundo ponto, sua velocidade é de 15 m/s.

a) Qual era sua velocidade quando passava pelo primeiro ponto?b) Qual era sua aceleração?Resp.: (a) 5,0 m/s e (b) 1,43 m/s2.

14. Ao pegar um rebote, um jogador de basquete pula 76,0 cm verticalmente. Qual é o tempo total que o jogador gasta deslocando-se (a) nos 15 cm mais altos e (b) nos 15 cm mais baixos do seu salto?

Resp.: (a) 0,175s e (b) 0,04s.