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Unidade III TÓPICOS DE FÍSICA GERAL E EXPERIMENTAL Profa. Iara Lima Pitágoras Pitágoras foi um importante matemático e filósofo grego nascido em meados de 570 a.C. na ilha de Samos. Ele adquiriu um vasto conhecimento viajando pelo Egito e outras civilizações, acreditando que os números seriam suficientes para descrever a natureza por completo. Seus conceitos formaram a base da chamada escola Pitagórica. Fonte:https://commons.w ikimedia.org/wiki/File:Ka pitolinischer_Pythagoras _adjusted.jpg. Harmônicos Sobre a vida de Pitágoras existe pouca informação e a maior parte dos escritos sobre sua vida foi elaborada após a sua morte. Fonte:http://www.fccr.sp.gov.br/index.p hp/em-destaque/4522-centro-clemente- gomes-realiza-conversa-com- principios-do-filosofo-pitagoras Acredita-se que Pitágoras descobriu que: Duas cordas semelhantes, quando seus comprimento obedecem certas relações, produzem combinações harmônicas de sons. Monocórdio Para essa análise, Pitágoras utilizou um monocórdio. Monocórdio uma corda cujo comprimento pode ser variado e sujeita a diferentes tensões causadas por massas penduradas. Fonte: https://www.rosicrucian.org/rosicrucian-digest- pythagoreans Lei das cordas Conclusão: Usando o mesmo peso e variando o comprimento da corda, ele constatou que os pares de harmônicos eram obtidos quando os comprimentos da corda eram mantidos em relações numéricas simples. Fonte:http://reflexoesnoensino.blogspot.com.b r/2013/08/lei-de-pitagoras-lei-das-cordas.html Equação de Lagrange Hoje, a descoberta de Pitágoras pode ser reformular como: “O número de vibrações por segundo de uma determinada corda, sob uma determinada tensão, é inversamente proporcional ao seu comprimento.” A frequência (f) dos harmônicos em uma corda tensionada com as duas extremidades fixas é dada pela Equação Lagrange: n Ff 2L = µ f frequência (s-1 = Hz) n número do harmônico L comprimento da corda (m) F força de tração (N) μ densidade linear de massa (kg/m) Equação de Lagrange Na figura a seguir estão representados os primeiros cinco harmônicos em uma corda vibrante. Fonte: livro-texto. Período A relação entre frequência e período (T) é dada por: onde: f frequência (Hz) T período (s) Ou seja: 1T f = 2LT n F µ = Exemplo 1 Duas cordas A e B, com mesmo comprimento e a mesma densidade linear, oscilam com a mesma frequência de ressonância. Sabendo que a corda B está submetida a uma força de tração quatro vezes maior do que a corda A, indique qual das alternativas a seguir representa esta situação. Fonte: Halliday, Fundamentos de Física, Ondas, 10 ed.,2016 Resolução Dados: Corda A: Corda B: LA = LB fA = fB μA = μB FB = 4FA Dividindo a equação (1) pela equação (2), tem-se: A AA A A n Ff (1) 2L = µ B BB B B n Ff (2) 2L = µ Af Bf A A n 2L = AF Aµ B B n 2L A4 F Bµ A B n 1 1 n 4 ⇒ = ⋅ Resolução Portanto: Alternativa correta: (d) A A A B B B n 1 n 11 1 n 2n n n 24 = ⋅ ⇒ = ⋅ ⇒ = Fonte: Halliday, Fundamentos de Física, Ondas, 10 ed.,2016 Exemplo 2 Uma corda fixa nas duas extremidades tem 8,40 m de comprimento, uma massa de 0,120 kg e uma tração de 96,0 N. Determine a frequência do primeiro harmônico dessa corda. Dados: Resolução: L = 8,40 m Densidade linear de massa (μ): m = 0,120 kg F = 96,0 N n = 1 3 m 0,120 L 8,4 14,3 10 kg / m− µ = = µ = × Resolução Portanto, a frequência é: 3 n Ff 2L 1 96,0f 2 8,4 14,3 10− = µ = ⋅ ⋅ × f 4,88 Hz= Interatividade Uma corda tem densidade linear de massa de 7,20 g/m e está sujeita a uma tração de 150 N. O comprimento da corda é 90,0 cm. O corda oscila como mostrado na figura a seguir. Determine a frequência e o período de oscilação. a) 125 Hz e 8,19 ms b) 241 Hz e 4,15 ms c) 549 Hz e 3,64 ms d) 497 Hz e 7,48 ms e) 386 Hz e 1,97 ms Fonte: Halliday, Fundamentos de Física, Ondas, 10 ed.,2016 Resposta Uma corda tem densidade linear de massa de 7,20 g/m e está sujeita a uma tração de 150 N. O comprimento da corda é 90,0 cm. O corda oscila como mostrado na figura a seguir. Determine a frequência e o período de oscilação. a) 125 Hz e 8,19 ms b) 241 Hz e 4,15 ms c) 549 Hz e 3,64 ms d) 497 Hz e 7,48 ms e) 386 Hz e 1,97 ms Fonte: Halliday, Fundamentos de Física, Ondas, 10 ed.,2016 Resolução Dados: μ = 7,20 g/m = 7,20 × 10-3 kg/m F 150 N L = 90 cm = 0,90 m n = 3 Frequência (f): Período (T): 3 n F 3 150f f 241 Hz 2L 2 0,9 7,20 10− = = ⋅ ⇒ = µ ⋅ × 31 1T T 4,15 10 s 4,15 ms f 241 −= = ⇒ = × = Aristóteles Nascido em 384 a.C. na cidade de Estagira, Aristóteles foi um dos mais influentes filósofos da Grécia antiga. Aos dezessete anos de idade, Aristóteles mudou-se para Atenas para estudar na Academia de Platão, onde ficou por vinte anos até a morte de Platão em 348 a. C. Posteriormente, Aristóteles tornou-se o tutor de Alexandre, o Grande, e fundou sua própria escola. Fonte: http://ieg- ego.eu/de/mediainfo/aristotle -3842013322-bc Aristóteles Aristóteles escreveu sobre diversos assuntos como: Política; Metafísica; Ética; Linguagem; e Diversos campos da ciência. Seu grande propósito era sistematizar o conhecimento existente, e para tal, realizou observações críticas, coletou espécimes, reuniu e classificou grande parte do conhecimento existente. Estrutura do conhecimento Segundo Aristóteles, a estrutura do conhecimento humano podia ser entendida de acordo com o diagrama apresentado a seguir. Física Aristotélica Após a morte de Aristóteles em 322 a.C., seus cadernos de anotações foram preservados próximos à sua casa e posteriormente transferidos para a biblioteca de Alexandria. Com relação às contribuições de Aristóteles para a Física, vale destacar as relacionadas com: a constituição da matéria; e a origem do movimento dos corpos. Inclusive, a criação do nome dessa ciência é atribuída a Aristóteles. Em grego, Física significa Natureza. Constituição da matéria Aristóteles admitia que a matéria é infinitamente divisível, nunca se podendo chegar a partes da matéria sem tamanho. Portanto, o vazio não existia. Todos os espaços do universo estariam cheios de matéria. A matéria que vemos perto de nós seria constituída por: terra; água; fogo; e ar. Mundo celeste seria constituído pela quinta essência o éter O movimento segundo Aristóteles Para Aristóteles os movimentos dos corpos podiam ser classificados como naturais ou violentos. A explicação de Aristóteles para os movimentos naturais baseava-se em seu postulado que: “Os elementos tendem-se a se mover em direção aos seus lugares naturais”. O movimento segundo Aristóteles Exemplos: Uma pedra se move para baixo pois este é o seu lugar natural. Bolhas de ar na água movem-se para cima, em direção ao seu lugar natural. Uma pedra lançada na horizontal, como o movimento é contrário à natureza do corpo movimento violento. Movimento celeste Para Aristóteles, todos os corpos celestes moviam-se em torno da Terra em círculos e eram compostos por Éter, cujo movimento natural seria circular Fonte:http://fisicamaxima.blogspot.com.br/2015/04/ trabalho-de-fisica-aristoteles.html Concepções de Aristóteles Movimento de queda livre: Aristóteles argumentava um corpo em queda livre teria uma velocidade constante. Isso implicaria que, outro corpo de mesmo tamanho, porém, com o dobro de peso, produziria o dobro de velocidade. Observação: A concepção de universo de Aristóteles e de alguns movimentos foram muito influentes durante aproximadamente 2000, e só foram substituídas durantea Renascença, por cientistas como Galileu. Interatividade Quais eram as duas principais classificações do movimento segundo o pensamento científico de Aristóteles? a) movimento uniforme e movimento variado b) movimento circular e movimento retilíneo c) movimento ascendente e descendente d) movimento natural e movimento violento e) movimento relativo e movimento forçado Resultado Quais eram as duas principais classificações do movimento segundo o pensamento científico de Aristóteles? a) movimento uniforme e movimento variado b) movimento circular e movimento retilíneo c) movimento ascendente e descendente d) movimento natural e movimento violento e) movimento relativo e movimento forçado Arquimedes Arquimedes foi um físico, matemático e inventor grego. Nascido em Siracusa, Arquimedes nasceu por volta de 287 a.C e morreu no saque de sua cidade natal pelos romanos, em 212 a.C. Ajudou a defender Siracusa, utilizando seus conhecimentos científicos para fins militares, quando os romanos começaram a ameaçar os assentamentos de língua grega no sul da Itália. Fonte:http://www.ime.unica mp.br/~calculo/history/arqui medes/arquimedes.html. Arquimedes e a coroa Hierão, rei de Siracusa, encomendou uma coroa e ao recebe- la, desconfiou de que o ourives tivesse misturado prata ao ouro O rei recorreu à Arquimedes, para que ele determinasse se a coroa era de ouro puro, sem a necessidade de cortá-la. Pensando sobre o assunto, Arquimedes encaminhou-se para o banho e ao entrar na banheira cheia percebeu que: A água deslocada por ele era igual ao volume da parte do seu corpo imersa na água. Arquimedes e a coroa Segundo a história, Arquimedes saiu correndo pelas ruas gritando “Eureka!” Comparando o peso da coroa com o peso de igual volume de ouro puro, era possível determinar se a coroa era de ouro puro. http://efisica.if.usp.br/mecanica/b asico/empuxo/arquimedes/ De a acordo com a lenda, o ourives enganou o rei e foi executado. Arquimedes prosseguiu escrevendo sobre corpos flutuantes e estabeleceu os princípios da hidrostática. Princípio de Arquimedes Princípio de Arquimedes: “Todo corpo mergulhado em um fluido sofre, por parte deste, uma força vertical para cima, cuja intensidade é igual ao peso do fluido deslocado pelo corpo.” Peso do fluido deslocado Empuxo (E): f fE d g= ⋅∀ ⋅ onde: df densidade (massa específica) ∀f volume do fluido g aceleração da gravidade Fonte: elaborada pela autora. Peso real e peso aparente Considerando uma esfera maciça, imersa no ar, pendurada em um dinamômetro que indica um peso P Peso real Em seguida, se a esfera é imersa em um líquido o dinamômetro indica um peso Pa, menor Peso aparente Fonte: livro-texto. A diferença entre o Peso Real e o Peso Aparente corresponde ao empuxo exercido pelo líquido: a real aparente a P P E P P E P P 〉 ⇒ = − = − Exemplo 1 Uma esfera de ouro com massa de 1 kg e densidade douro = 19,3 g/cm3, é totalmente mergulhada em água. Qual é o empuxo sobre esta esfera e seu peso aparente considerando a densidade da água como dágua = 1 g/cm3? Considere g = 10 m/s2. Dados: 3 ouro 3 ág a 3 3 u 2 19,3 10 kg / m m 1 kg d 19,3 g / cm d 1 g / ³ 1 10 kg /cm g m³ 10 m / s = = = = = × = × Fonte: elaborada pela autora. Resolução O volume de água deslocado é igual ao volume do bloco: Empuxo (E): Peso aparente (Pa): 6 3 m m 1d V V 51,8 10 m³ V d 19,3 10 −= ⇒ = = ⇒ = × × água 3 6 E d V g E 1 10 51,8 10 10 E 0,518N − = ⋅ ⋅ = × ⋅ × ⋅ = a a a P P E m g E P 10 0,518 P 9,482N = − = ⋅ − = = − ⇒ = Roldanas ou polias Arquimedes realizou a seguinte demonstração: Conectou um navio que estava na água a várias polias e convidou o rei Hierão para puxar a extremidade da corda. Sem grandes esforços o rei conseguiu arrastar o navio da água até a areia. http://www.cienciamao.usp.br/tudo/exibir.php ?midia=pmd&cod=_pmd2005_i2102 Exemplo 2 Um arranjo de roldanas é preso ao teto, com o objetivo de suspender uma massa de 30 kg. Sabendo que os fios são inextensíveis, as massas das roldanas e fios desprezíveis e desprezando os atritos, determine o valor da força F necessária para equilibrar o sistema. Fonte: Livro-texto. Resolução Considere o digrama de forças representado na figura (B): T PF e T P F 4 4 P m gF 4 4 30 10F F 75 N 4 = = ⇒ = ⋅ = = ⋅ = ⇒ = Fonte: Livro-texto. Lei das alavancas Outro trabalho importante de Arquimedes lei das alavancas A alavanca é uma barra móvel que rotaciona em torno de um ponto fixo. Segundo Arquimedes: O trabalho realizado por um operador ao empurrar para baixo o braço mais longo da barra é igual ao trabalho realizado pelo braço mais curto ao levantar o corpo. Lei das alavancas A vantagem mecânica da alavanca pode ser determinada considerando a igualdade dos momentos polares, em relação ao ponto fixo: A A B BP X P X⋅ = ⋅ Fonte: elaborada pela autora. Interatividade Logo a seguir é representada uma balança onde são aplicadas as forças F1 e F2. Com base na tabela, os parâmetros x, y e z, valem, respectivamente: a) 300 N, 120 N e 0,346 m b) 160 N, 240 N e 0,125 m c) 180 N, 300 N e 0,254 m d) 240 N, 180 N e 0,578 m e) 120 N, 250 N e 0,914 m Fonte: Livro-texto. Resultado Logo a seguir é representada uma balança onde são aplicadas as forças F1 e F2. Com base na tabela, os parâmetros x, y e z, valem, respectivamente: a) 300 N, 120 N e 0,346 m b) 160 N, 240 N e 0,125 m c) 180 N, 300 N e 0,254 m d) 240 N, 180 N e 0,578 m e) 120 N, 250 N e 0,914 m Fonte: Livro-texto. Resolução Determinação de x: Determinação de y: Determinação de z: 1 1 2 2F d F d x 0,4 40 1,6 40 1,6x 0,4 x 160 N ⋅ = ⋅ ⋅ = ⋅ ⋅ = = 1 1 2 2F d F d 60 0,8 y 0,2 60 0,8y 0,2 y 240 N ⋅ = ⋅ ⋅ = ⋅ ⋅ = = 1 1 2 2F d F d 400 z 100 0,5 100 0,5z 400 z 0,125 m ⋅ = ⋅ ⋅ = ⋅ ⋅ = = Leis de Kepler Johannes Kepler (1571-1630) foi um astrônomo e matemático alemão que: Aperfeiçoou o modelo de do astrônomo polonês Copérnico; e Deduziu as Três Leis do Movimento Planetário que explicam o movimento dos planetas. Fonte:https://pt.wikipedia.org/wiki/ Johannes_Kepler#/media/File:Joh annes_Kepler_1610.jpg A idade das trevas e o Renascimento Com o fim do vigor da antiga cultura grega estagnação da Ciência Romanos não se importavam com pensamentos abstratos. Durante quase 1000 anos igrejas e mosteiros eram os únicos centros intelectuais. Os conhecimentos gregos império árabe difundia o conhecimento dos manuscritos gregos salvos. Os árabes desenvolveram a Álgebra e difundiram os algarismos arábicos (mais simples que os romanos). A idade das trevas e o Renascimento No século XII o império árabe sucumbe às cruzadas cristãs à Terra Santa. Neste período começam a ser fundadas as primeiras universidades sob vigilância da Igreja. Neste mesmo século traduções dos estudos de Ptolomeu sobre os movimentos planetários estimulou os estudos do astrônomo polonês Nicolau Copérnico (1473-1543) propôs que o Sol estava no centro do sistema Sistema Heliocêntrico. Sistema geocêntrico x sistema heliocêntrico Sistema Geocêntrico: neste modelo a Terra ocupava o centro do Universo e todos os outros astros giravam em torno dela. Principais defensores desse sistema: Aristóteles e Ptolomeu. Fonte:http://fisicamaxima.blogspot.com.br/2015/04/ trabalho-de-fisica-aristoteles.html Sistema geocêntrico x sistema heliocêntrico Sistema heliocêntrico: o Sol ocupa o centro do sistema planetário. Aristarco chegou a propor esse modelo planetário na Grécia Antiga. Copérnico defendia a ideia de que todos os planetas giravam em torno do Sol em órbitas circulares. Copérnico afirmava que suasideias eram puramente exercícios matemáticos. Fonte:https://pt.wikipedia.org/ wiki/Nicolau_Cop%C3%A9rnic o#/media/File:Nikolaus_Koper nikus.jpg Tycho Brahe Tycho Brahe (1546 – 1601) foi um astrônomo dinamarquês e passou a metade de sua vida medindo precisamente as posições do Sol e dos planetas. Kepler foi seu aluno e analisou os dados de Brahe contribuiu para elaborar leis empíricas para o movimento dos planetas. Fonte:https://pt.wikipedia.org/wik i/Nicolau_Cop%C3%A9rnico#/me dia/File:Nikolaus_Kopernikus.jpg Leis de Kepler Kepler utilizou os resultados de Brahe para determinar as órbitas dos planetas e resumiu suas descobertas em três leis: 1) Todos os planetas se movem em orbitas elípticas que têm o Sol como um dos focos. Fonte: elaborada pela autora. Leis de Kepler 2) Uma reta unindo qualquer planeta ao Sol varre áreas iguais em intervalos de tempo iguais. Ainda de acordo com a figura: e Como: 1 2 1 2A A t t= ⇒ ∆ = ∆ 11 1 sv t = 22 2 sv t = 1 2 1 2 1 2t t e s s v v∆ = ∆ ∆ > ∆ ⇒ > Fonte: elaborada pela autora. Leis de Kepler Portanto, um planeta movimenta-se ao redor do Sol com velocidade variável, apresentando um valor máximo no periélio e um valor mínimo no afélio. Exemplo: para a Terra, a velocidade no periélio é cerca de 30,3km/s e, no afélio, cerca de 29,3 km/s. Fonte: elaborada pela autora. Leis de Kepler 3) O quadrado do período (T) de qualquer planeta é proporcional ao cubo da distância média do planeta ao Sol (R). T² k R³= × a pR RR 2 + = Fonte: elaborada pela autora. Leis de Kepler Observações: Para órbitas circulares, o raio médio é o próprio raio da órbita. Para órbitas elípticas, o raio médio é a medida do semi-eixo maior da elipse. A constante k não depende da massa do corpo que está orbitando, mas depende da massa do corpo central. As leis de Kepler valem também para o movimento de satélites ao redor dos planetas. Nesses casos, o corpo central é o próprio planeta. Interatividade Suponha que tenha sido descoberto um novo planeta no sistema solar com raio orbital 5 x 1011m. Sendo o valor da constante de Kepler de k = 3,2 x 10-19s²/m³, pode-se afirmar que o período de revolução do novo planeta é: a) 4,5 x 109 s b) 5 x 108 s c) 3 x 108 s d) 1,9 x 109 s e) 2 x 108 s Resposta Suponha que tenha sido descoberto um novo planeta no sistema solar com raio orbital 5 x 1011m. Sendo o valor da constante de Kepler de k = 3,2 x 10-19s²/m³, pode-se afirmar que o período de revolução do novo planeta é: a) 4,5 x 109 s b) 5 x 108 s c) 3 x 108 s d) 1,9 x 109 s e) 2 x 108 s ( )19 11 16 16 8 T² k R³ T² 3,2 10 5 10 ³ T² 4 10 T 4 10 T 2 10 s − = × = × ⋅ × = × ⇒ = × = × Resolução: ATÉ A PRÓXIMA! Slide Number 1 Pitágoras Harmônicos Monocórdio Lei das cordas Equação de Lagrange Equação de Lagrange Período Exemplo 1 Resolução Resolução Exemplo 2 Resolução Interatividade Resposta Resolução Aristóteles Aristóteles Estrutura do conhecimento Física Aristotélica Constituição da matéria O movimento segundo Aristóteles O movimento segundo Aristóteles Movimento celeste Concepções de Aristóteles Interatividade Resultado Arquimedes Arquimedes e a coroa Arquimedes e a coroa Princípio de Arquimedes Peso real e peso aparente Exemplo 1 Resolução Roldanas ou polias Exemplo 2 Resolução Lei das alavancas Lei das alavancas Interatividade Resultado Resolução Leis de Kepler A idade das trevas e o Renascimento A idade das trevas e o Renascimento Sistema geocêntrico x sistema heliocêntrico Sistema geocêntrico x sistema heliocêntrico Tycho Brahe Leis de Kepler Leis de Kepler Leis de Kepler Leis de Kepler Leis de Kepler Interatividade Resposta Slide Number 56
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