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As leis de newton e suas aplicações Módulo: 2 Capítulo: 5 Página: 8 a 49 Apoie este projeto! Forças usuais da mecânica Força-peso (P) Como vimos no estudo da queda livre, corpos próximos da Terra sofrem a ação do seu campo gravitacional, quantificado pelo valor da aceleração do campo gravitacional g. Assim, todos os corpos são atraídos pela Terra com uma força proporcional a g. Essa força, quando estamos próximos da superfície da Terra, é chamada de força-peso (P) e quantificada pela seguinte expressão: P = m · g A intensidade dessa força é dependente da posição do corpo em relação à Terra, já que existem alterações em relação à aceleração da gravidade. Essa força está sempre direcionada para o centro da Terra. O valor de g, em muitos casos, será o mesmo adotado na queda livre: g = 10 m/s². Apoie este projeto! Força de tração (T) Esse tipo de força está relacionado à presença de cabos e fios presos aos corpos de estudo. Em vez de empurramos um carro, por exemplo, podemos amarrar uma corda para puxá-lo. Ao puxarmos o fio, ou ainda tracionarmos, transmitimos a força de um ponto ao outro. Nos problemas básicos, consideramos a corda ou o cabo como um fio ideal: sem massa e inextensível (não pode ser estendido, aumentado). Apoie este projeto! Força normal (N) Ocorre quando existe um contato direto entre dois corpos impedindo que eles se atravessem. Essa resistência promovida pelos corpos sempre tem direção perpendicular à superfície de contato e atua no sentido de empurrá-los. Exercícios do livro didático 1) Observe as situações (I a IV) ilustradas nas figuras ao lado, onde blocos de massas M e 2M são submetidos a forças resultantes F e 2F. Com relação aos módulos das acelerações (aI, aII, aIII e aIV) sofridas pelos blocos, respectivamente nas situações I, II, III e IV, é CORRETO afirmar que: a) aII < aI = aIV < aIII b) aII < aI = aIV > aIII c) aI > aII = aIII < aIV d) aI > aII = aIII > aIV. 2) Antes de sair de férias, um estudante de Porto Alegre mediu seu peso na balança digital de uma farmácia. Viajou com a família para São Luís do Maranhão para visitar seus primos, que não via desde as últimas férias. Passeando pela cidade, entrou em uma farmácia e encontrou uma balança idêntica aquela de Porto Alegre. Resolveu medir novamente seu peso e teve uma surpresa. Estava com peso menor do que havia medido em sua cidade. Podemos dizer que, nas proximidades da linha do equador: a) O valor da aceleração da gravidade é maior. b) O valor da aceleração da gravidade é menor. c) Nosso organismo apresenta um pequeno ganho de massa corporal. d) Nosso organismo apresenta pequena perda de massa corporal. 3) Um garoto resolve fazer um experimento com uma balança doméstica: coloca em um elevador parado, sobe sobre ela e observa que o ponteiro indica o valor 50. Em seguida, ele aciona o botão de um dos andares superiores e verifica que, no início do movimento, o ponteiro aponta para o número 59 e que, quando o elevador inicia o processo de parada o valor indicado cai para 41. Com base nas informações e sabendo que g = 10 m/s2, faça o que se pede. a) É possível afirmar que houve variação da massa do garoto, dada a alteração de valores mostrados na balança. b) Descreva graficamente as forças que atuam no corpo do garoto no início e no fim do deslocamento do elevador. c) Determine o valor da aceleração para esses dois movimentos. d) O que aconteceria se o elevador permanecesse todo o tempo de subida com velocidade constante. 4) (UFTM-MG) No filme, pendurado em sua teia, do Homem-Aranha lança-se em um movimento pendular em direção às ruas da cidade. A resultante das forças que agem sobre o Homem-Aranha, no momento indicado no desenho, tem direção e sentido mais próximo de: a) b) c) d) e) 5) (FMP-RJ) Um helicóptero transporta, preso por uma corda, um pacote de massa 100 kg. O helicóptero está subindo com aceleração constante vertical e para cima de 0,5 m/s². Se a aceleração da gravidade no local vale 10 m/s²,a tração na corda, em newtons, que sustenta o peso vale: a) 500 b) 950 c) 1000 d) 1050 e) 1500 6) (IFSul-RS) O sistema abaixo está em equilíbrio. A razão T1/T2 entre as intensidades das trações nos fios ideais 1 e 2 vale: a) 2/5 b) 2/3 c) 3/2 d) 5/2 Apoie este projeto! Força de atrito de escorregamento 1 Atrito dinâmico Considere um livro apoiado sobre uma mesa (fig. 1A). Pela aplicação de uma força ele atinge, após certo tempo, uma velocidade v (fig. 1B). Quando cessa a força, a velocidade diminui até o livro parar (fig. 1C). Interpretamos esse fato considerando uma força de resistência oposta ao movimento relativo dos corpos, chamada força de atrito dinâmico (fig. 1D). O atrito é denominado dinâmico quando há movimento relativo entre os corpos em contato. Quando não há movimento, o atrito é denominado estático. Apoie este projeto! A força de atrito é devida às rugosidades das superfícies em contato e às forças de adesão entre as moléculas das duas superfícies. As rugosidades se interpenetram e as forças de adesão entre os pontos de contato formam “microssoldas”, dificultando o movimento de um corpo em relação ao outro. Quando há movimento, a experiência mostra que a intensidade da força de atrito, dentro de uma boa aproximação, é proporcional à intensidade da força normal FN: 𝑓𝑎𝑡 = 𝜇𝑑 · 𝐹𝑁 Nessa fórmula, 𝜇𝑑 é uma constante de proporcionalidade chamada coeficiente de atrito dinâmico. O coeficiente 𝜇𝑑 não possui unidade, pois é a relação entre duas intensidades de forças 𝜇𝑑 = 𝑓 𝑎𝑡 𝐹 𝑁 . Em Física, grandezas que não têm unidades são chamadas grandezas adimensionais. O coeficiente de atrito depende da natureza dos sólidos em contato (aço sobre aço, madeira sobre aço etc.) e do estado de polimento das superfícies. Pode variar desde valores baixos (por exemplo, 0,02) até valores bastante elevados (por exemplo, 1,20). Apoie este projeto! A força normal FN entre as superfícies em contato tem intensidade igual ao próprio peso P ou sua componente Pn = P · cos 𝜃, nos casos simples indicados na figura 2. A força de atrito dinâmico independe da velocidade com que o corpo desliza sobre a superfície e também independe da área de contato entre o corpo e a superfície. Assim, por exemplo, um bloco de madeira desliza sobre uma mesa por ação de uma força F (fig. 3). A força de atrito fat. tem a mesma intensidade, quer o bloco se apoie na face de maior área ou na de menor área. Apoie este projeto! O coeficiente de atrito dinâmico é também chamado coeficiente de atrito cinético. Exercícios do livro didático 7) (PUC-RS) Sobre uma caixa de massa 120 kg, atua uma força horizontal constante F de intensidade 600 N. A caixa encontra-se sobre uma superfície horizontal em um local no qual a aceleração gravitacional é 10 m/s2. Para que a aceleração da caixa seja constante, com módulo igual a 2 m/s2, e tenha a mesma orientação da força F, o coeficiente de atrito cinético entre a superfície e a caixa deve ser de: a) 0,1 b) 0,2 c) 0,3 d) 0,4 e) 0,5 8) Uma diarista precisava limpar o local onde estava a mesa de centro e, para isso, levantou-a, porém havia um controle remoto de TV sobre ela, que começou a deslizar para a borda da mesa. Então, ela baixou um pouco a mesa, diminuindo a inclinação, e percebeu que o controle parou de deslizar. Sabendo que o controle tem uma massa de 150 g e que a superfície da mesa ficou inclinada 20° em relação a horizontal, encontre o menor valor do coeficiente de atrito para que o controle não deslize. 9) Após retornar de férias, um casal resolve modificar a posição dos móveis da sala do apartamento. Começa arrastando o sofá, porém encontra dificuldade para movê-lo. Percebe que o piso não ajuda muito, pois é repleto de ondulações. Após pensar por alguns instantes, tem uma ideia. Entre as possibilidades abaixo, qual delas facilitaria a movimentação do sofá? a) Utilizar um cabo de vassoura para servir com uma alavanca para levantar um dos lados e empurrar. b) Molhar o piso decorado para provocarum deslizamento melhor. c) Usar um tapete com o lado emborrachado voltado para cima sob os pés de sofá. d) Amarrar uma corda em volta do sofá que seria puxada por ambos. 10) Uma bala de revólver de massa 10 g é disparada, com velocidade horizontal de 300 m/s, contra um bloco de madeira. A bala perfura o bloco e para somente depois de percorrer 8 cm sob a ação de uma força de atrito constante. Qual é a intensidade da força de atrito? 11) (UFJF-MG) Em relação às forças de atrito entre um bloco e uma superfície sobre a qual o mesmo repousa, assinale a afirmação CORRETA: a) A força de atrito é diretamente proporcional à área da superfície de contato. b) o coeficiente de atrito estático não depende da natureza da superfície. c) A força de atrito máxima é diretamente proporcional ao módulo da força normal. d) A força de atrito máxima é inversamente proporcional ao módulo da força normal. e) Uma vez que o bloco começa a deslizar, a força de atrito aumenta proporcionalmente à velocidade do bloco. 12) Uma criança brinca de escalar uma porta firmando-se apenas com os pés em cada um dos batentes, conforme mostram as figuras a seguir. Considerando que a massa da criança é 30 kg e o coeficiente de atrito entre seu pé e o batente é igual a 1, qual é a intensidade da reação dos batentes sobre seus pés no momento em que ela se encontra em equilíbrio? 13) Uma caixa encontra-se em repouso em relação a uma superfície horizontal. Pretende-se colocar essa caixa em movimento em relação a essa superfície. Para tal, será aplicada uma força de módulo F que forma 53° acima da direção horizontal. Considerando que o coeficiente de atrito estático entre a superfície da caixa e a superfície horizontal é igual a 0,25, que o coeficiente de atrito dinâmico entre a superfície da caixa e a superfície horizontal é igual a 0,10, que a massa do objeto é igual 2 kg e que a aceleração da gravidade no local é igual a 10m/s2, o menor módulo da força F que deverá ser aplicado para mover a caixa é um valor mais próximo de Utilize: sen 53° = 0,8 e cos 53° = 0,6 a) 6,25N b) 8,33N c) 12,50N d) 20,00N Apoie este projeto! Força elástica É a ação de uma mola ou ainda de um objeto que apresenta elasticidade sobre um corpo. Quando puxamos uma mola, percebemos que existe uma resistência para altas deformações. Após soltarmos, a mola encolherá até certo tamanho, porém voltará a se esticar e encolher, sucessivamente. Assim, vemos que existe a ação de uma força contrária ao movimento da mola. Essa força é o que chamamos de força elástica (Fel). Apoie este projeto! Para calcular a intensidade da força elástica, usamos a expressão experimental do físico inglês Robert Hooke, que determinou a proporcionalidade entre a força e a deformação da mola (Δx): 𝐹𝑒𝑙 = 𝑘 · ∆𝑥 O sinal da força é negativo pela ação da força elástica contrária ao deslocamento da mola. O k é a constante da mola, que depende do material que a constitui. Sua unidade é o N/m. Assim, uma mola que possui um k alto precisa de uma força intensa para promover uma deformação. Exercícios de fixação Exercícios do livro didático 14) (Unioeste-PR) Na figura, um bloco de massa M está preso a uma mola que se encontra esticada. O bloco está em repouso sobre uma superfície áspera. O coeficiente de atrito estático entre o bloco e a superfície é 𝜇. Considerando o bloco como partícula, todas as forças mostradas na figura atuam no centro de gravidade. P é a força peso “exercida pela Terra”, N é a força normal “exercida pela superfície”, F é a força exercida pela mola e f é a força de atrito, também exercida pela superfície. Considerando o exposto, assinale a alternativa correta. a) As intensidades das forças N e P devem ser iguais para satisfazer a Terceira Lei de Newton b) A intensidade da força f pode ser calculada pela expressão f= 𝜇 · N. c) As intensidades das forças F e f devem ser iguais para satisfazer a Segunda Lei de Newton d) A resultante das forças N e f é igual à resultante das forças F e P. e) A resultante das forças N, f e P é oposta à força F e possui a mesma intensidade desta. 15) Dois amigos, Nilton e Kelvin, ao praticarem bungee-jump, decidiram saltar utilizando cordas com diferentes constantes elásticas. Newton preferiu usar duas cordas de mesmo comprimento, dispostas em paralelo. Kelvin, por sua vez, resolveu aumentar o comprimento de sua corda. Os gráficos abaixo apresenta a constante elástica desse tipo de corda. O gráfico I, à esquerda, representa a corda original e indica a relação entre a força de restauração de uma corda elástica de acordo com seu deslocamento (elongação) e em relação à posição de equilíbrio (parada), que ocorre durante o salto de bungee-jump. O gráfico II, à direita, apresenta duas retas, A e B. Cada uma representa a elongação dos diferentes tipos de corda usadas por Newton e Kelvin no salto de bungee-jump. Observe as retas A e B, no gráfico II, e indique aquela que melhor representa a corda usada por Newton e por Kelvin. Apoie este projeto! Sistemas de forças Plano inclinado Um dos sistemas mais simples utilizados para elevar objetos é o plano inclinado. A vantagem em sua utilização, para elevar um objeto até uma altura h, consiste no fato de realizarmos uma força menor do que a que é necessária para elevar esse objeto, até a altura h, diretamente na vertical. Consideremos um bloco em repouso, em um plano inclinado com atrito. Sabe-se que a resultante das forças que atuam sobre o bloco deve ser nula. Logo, deve haver uma força vertical para cima atuando sobre o bloco, de modo a anular-se com a força peso, vertical e para baixo. Apoie este projeto! A força que a superfície exerce sobre o bloco pode ser decomposta em duas componentes perpendiculares, a força normal e a força de atrito. De modo semelhante, a força peso que atua sobre o bloco pode ser decomposta em duas componentes perpendiculares: uma paralela à superfície (Px) e outra perpendicular a esta (Py). Os valores dessas componentes podem ser calculados utilizando-se relações trigonométricas. Considerando a condição de equilíbrio do bloco, podemos deduzir que: 𝑃𝑥 = 𝐹𝐴 𝑒 𝑃𝑦 = 𝑁 Nessa figura, observe que o ângulo entre o plano inclinado e o solo e o ângulo entre P e Py são formados por lados perpendiculares entre si. Por isso, esses ângulos são congruentes. Assim, os módulos de Px e de Py podem ser calculados por meio das relações Px = P · sen α e Py = P · cos α. Apoie este projeto! Uma situação interessante é aquela na qual um objeto desce ou sobe um plano inclinado sem atrito, como mostra a figura a seguir. Ao decompormos as forças que atuam sobre o bloco, percebemos que a componente (Px) é a força resultante que atua sobre ele, ou seja, é a força responsável pela aceleração do bloco. O módulo dessa aceleração pode ser facilmente determinado; veja: Direção Y: Py = N ⇒ equilíbrio (FR = 0) Direção X: FR = Px ⇒ movimento acelerado Desenvolvendo a igualdade FR = Px, teremos: Px = m · a ⇒ P · sen α = m · a ⇒ mg · sen α = m · a ⇒ a = g · sen α (plano inclinado sem atrito) Apoie este projeto! Observe que a equação anterior é uma relação geral para o plano inclinado sem atrito. Ela permite calcular a aceleração que atua sobre um objeto quando o ângulo do plano inclinado varia de 0° a 90°. Para esses valores, encontramos os seguintes resultados: α = 0° ⇒ a = g.sen 0° = g.0 = 0 (repouso ou MRU) α = 90° ⇒ a = g.sen 90° = g.1 = g (queda livre) Observe que o valor da aceleração que atua sobre o objeto não depende do valor de sua massa. Exercícios do livro didático 16) (Unifesp-SP) Um abajur está apoiado sobre a superfície plana e horizontal de uma mesa em repouso em relação ao solo. Ele é acionado por meio de um cordão que pende verticalmente, paralelo à haste do abajur, conforme a figura 1. Para mudar a mesa de posição, duas pessoas a transportam inclinada, em movimento retilíneo e uniforme na direção horizontal, de modo que o cordão mantém-se vertical, agora inclinado de um ângulo θ = 30o, constante em relação à hastedo abajur, de acordo com a figura 2. Nessa situação, o abajur continua apoiado sobre a mesa, mas na iminência de escorregar em relação a ela, ou seja, qualquer pequena inclinação a mais da mesa provocaria o deslizamento do abajur. Calcule: a) o valor da relação N1/N2, sendo N1 o módulo da força normal que a mesa exerce sobre o abajur na situação da figura 1 e N2 o módulo da mesma força na situação da figura 2. b) o valor do coeficiente de atrito estático entre a base do abajur e a superfície da mesa. 17) (UEMA) Um estudante analisou uma criança brincando em um escorregador o qual tem uma leve inclinação. A velocidade foi constante em determinado trecho do escorregador em razão de o(a) a) aceleração ter sido maior que zero. b) atrito estático ter sido igual a zero. c) atrito estático ter sido menor que o atrito cinético. d) atrito estático ter sido igual ao atrito cinético. e) aceleração ter sido igual a zero. 18) Observe a figura a seguir. Um caixote pesando 50N, no instante t=0, se encontra em repouso sobre um plano muito longo e inclinado de 30° em relação à horizontal. Entre o caixote e o plano inclinado, o coeficiente de atrito estático é 0,20 e o cinético é 0,10. Sabe-se que a força , paralela ao plano inclinado, conforme indica a figura acima, tem intensidade igual a 36N. No instante t=9s, qual o módulo, em newtons, da força de atrito entre o caixote e o plano? Nesse mesmo instante, o bloco estará subindo, descendo ou permanece em repouso sobre o plano inclinado? Dados: sen 30° = 0,5; cos 30° = 0,9 a) 14 e descendo. b) 11 e permanece em repouso. c) 9,0 e subindo. d) 8,5 e permanece em repouso. e) 4,5 e subindo. Apoie este projeto! Forças no movimento circular Movimentos curvilíneos uniformes Se lançarmos um corpo horizontalmente, próximo à superfície da Terra, com uma velocidade inicial de grande intensidade, da ordem de 8 km/s = 28.800 km/h, o corpo ficará em órbita circular em torno da Terra (fig. 1). Essa foi a velocidade alcançada pelos primeiros satélites artificiais, Sputnik I e Explorer I, em 1957 e 1958. A força de atração da Terra sobre o satélite altera a direção de sua velocidade, garantindo-lhe a aceleração centrípeta necessária para permanecer em órbita. Apoie este projeto! Considere o átomo de hidrogênio. Segundo o modelo atômico proposto por Rutherford, o átomo de hidrogênio possui um único elétron, que gira em torno de seu núcleo, constituído por um único próton (fig. 2). O próton e o elétron possuem cargas elétricas, as quais interagem exercendo forças de campo (fig. 3). A força F, com que o próton atrai o elétron, altera a direção da velocidade do elétron, mantendo-o em órbita em torno do próton (fig. 4). Apoie este projeto! Considere, agora, uma bola de ferro presa a um fio e que descreve uma circunferência horizontal (fig. 5). Sobre a bola atuam as forças peso e tração do fio, que lhe garantem a aceleração centrípeta. Apoie este projeto! Pelos exemplos anteriores podemos concluir que: toda vez que um corpo descreve uma curva, a direção de sua velocidade vetorial varia. Para que isso ocorra, pelo princípio fundamental da Dinâmica, as forças que atuam no corpo devem garantir a aceleração centrípeta. Resultante centrípeta Apoie este projeto! Admita, então, que um corpo esteja realizando um movimento plano, curvilíneo e uniforme sob ação das forças F1, F2, ..., Fn (fig. 6A). Como o movimento curvilíneo é uniforme, a aceleração é centrípeta e a resultante das forças Fcp está orientada para o centro da trajetória (fig. 6B). Pelo princípio fundamental da Dinâmica: 𝐹𝑐𝑝 = 𝑚 · 𝑎𝑐𝑝 Nessa fórmula, Fcp é a força centrípeta ou resultante centrípeta das forças F1, F2, ..., Fn que atuam no corpo. Apoie este projeto! Eventualmente Fcp pode ser uma única força. Nos exemplos anteriores, Fcp é a força de atração gravitacional que a Terra exerce no satélite em órbita ou a força de atração elétrica que o próton exerce no elétron, no átomo de hidrogênio. No exemplo da bola de ferro, Fcp é a soma vetorial das forças de tração T e do peso P. Exercícios do livro didático 19) O lançamento do martelo, incluído oficialmente pela primeira vez nos Jogos Olímpicos de Paris, em 1900, é uma modalidade olímpica do atletismo ponto. Na verdade, o martelo, como é chamado, nada mais é do que uma esfera metálica que, para os homens, tem massa de 7,26 kg e, para as mulheres, 4 kg. Essa esfera é presa a um cabo de aço de 1,2 m de comprimento, com uma manopla na extremidade para que o atleta possa segurá-lo. Um atleta Olímpico dessa modalidade executa vários giros sobre seu eixo antes de realizar o lançamento. No momento em que é lançado, o martelo parte com uma velocidade de 28 m/s. Para esse limiar da soltura do martelo, encontre o valor da força de tração que atua no cabo de aço. 20) Um balde contendo 1,5 litro de água apresenta um pequeno furo no fundo, e sua alça está amarrada à extremidade de uma corda de comprimento r = 50 cm. Segurando a outra extremidade da corda, uma pessoa gira o balde em um plano vertical, imprimindo ao conjunto uma velocidade mínima suficiente para que no ponto mais alto da trajetória a água não caia, ainda que o balde esteja com a boca virada para baixo. Um observador percebe, no entanto, que pelo furo escapam gotas de água. Dados: g = 10 m/s2 massa específica da água: p = 1 kg/L m = pV = 0,5 kg r = 0,5 m • Assinale com x o vetor que melhor representa a direção do movimento das gotas que saem pelo furo. • Calcule a velocidade dessas gotas. 21) A pista de Daytona, nos Estados unidos, é considerado um dos grandes templos do automobilismo. Trata-se de um circuito tribal, com 2,5 m de comprimento, cerca de 4 km com duas Cubas sobre elevadas, com uma delas atingindo uma inclinação de 30°. O raio dessa curva é aproximadamente 300 m encontre a máxima velocidade que o carro da Nascar (massa de 1,5 t) poderia atingir para fazer a curva, independentemente do atrito. 22) (UPE-PE) Em um filme de ficção científica, uma nave espacial possui um sistema de cabines girantes que permite ao astronauta dentro de uma cabine ter percepção de uma aceleração similar à gravidade terrestre. Uma representação esquemática desse sistema de gravidade artificial é mostrada na figura a seguir. Se, no espaço vazio, o sistema de cabines gira com uma velocidade angular ω, e o astronauta dentro de uma delas tem massa m, determine o valor da força normal exercida sobre o astronauta quando a distância do eixo de rotação vale R. Considere que R é muito maior que a altura do astronauta e que existe atrito entre o solo e seus pés. a) mRω2 b) 2mRω2 c) mRω2/2 d) mω2/R e) 8mRω2 23) (IFCE) Considere a figura a seguir, na qual é mostrado um piloto acrobata fazendo sua moto girar por dentro de um “globo da morte”. Ao realizar o movimento de loop dentro do globo da morte (ou seja, percorrendo a trajetória ABCD mostrada acima), o piloto precisa manter uma velocidade mínima de sua moto para que a mesma não caia ao passar pelo ponto mais alto do globo (ponto “A”). Nestas condições, a velocidade mínima “v” da moto, de forma que a mesma não caia ao passar pelo ponto “A”, dado que o globo da morte tem raio R de 3,60 m, é (Considere a aceleração da gravidade com o valor g = 10 m/s2 ). a) 6 km/h. b) 12 km/h. c) 21,6 km/h. d) 15 km/h. e) 18 km/h. 24) (Unesp-SP) Uma garota de está brincando em um balanço constituído de um assento e de uma corda ideal que tem uma de suas extremidades presa nesse assento e a outra, em um saco de areia de que está apoiado, em repouso, sobre o piso horizontal. A corda passa por duas roldanas ideais fixas no teto e, enquanto oscila, a garota percorre uma trajetória circular contida em um plano vertical de modo que, ao passar pelo ponto A, a corda fica instantaneamente vertical. Desprezando a resistência do ar e a massa do assento, considerando g = 10 m/s2 e as informações contidas na figura, a maior velocidade, em com a qual a garota pode passar pelo ponto A sem que o saco de areia perca contato como solo é igual a a) 2 b) 5 c) 3 d) 4 e) 1 Até a próxima aula!