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FÍSICA I PRÉ-VESTIBULAR 317SISTEMA PRODÍGIO DE ENSINO 16 MOVIMENTOS CURVILÍNEOSREVISÃO MOVIMENTO CIRCULAR UNIFORME Para ocorrer um movimento circular é necessário que a direção da velocidade mude com o tempo. A aceleração centrípeta é a responsável por essa mudança de direção, sem ela o movimento seria retilíneo. Pela segunda lei de Newton, sabemos que uma força gera uma aceleração, portanto a aceleração centrípeta será gerada por uma força resultante que aponta para o centro da trajetória circular, a força centrípeta. RF 0 = Repouso Movimento Retilíneo Uniforme R cpF F = Movimento Circular Uniforme sv t v R s R t ∆ = ∆ = ω ∆ = ∆θ⋅∆θω = ∆ nº de voltasf t = ∆ tT nº de voltas ∆ = 1f T = ou 1T f = cp cpF m a= ⋅ 2 cp va R = 2 cp mvF R = Mas v R= ω⋅ , então: 2 cpa R= ω 2 cpF m R= ω ∆S – deslocamento linear ou tangencial (m). ∆θ – deslocamento angular (rad) [360° = 2π rad]. ∆t – intervalo de tempo (s). v – velocidade linear ou tangencial (m/s). ω – velocidade angular (rad/s). R – raio da trajetória (m). T – período (s). f – frequência (Hz). m – massa (kg). acp – aceleração centrípeta (m/s 2). Fcp – força centrípeta (N). PERIODICIDADE DO MOVIMENTO Em um movimento circular uniforme, as velocidades linear e a angular são constantes, com isso podemos calcular seus valores de uma única volta e obtermos os resultados de todo o movimento. rad s 2 R 2 t T 1f T ∆ = π ∆θ = π ∆ = = 2 Rv T π = v 2 fR= π 2 T π ω = 2 fω = π Muitas máquinas funcionam com o auxílio de cintas, correias e/ou correntes que giram, transmitindo o movimento de uma polia para outra. Este é o princípio básico de funcionamento de alguns motores. A questão abaixo aborda o sentido de rotação para que a máquina funcione perfeitamente. PROEXPLICA 01. (ENEM) Na preparação da madeira em uma indústria de móveis, utiliza-se uma lixadeira constituída de quatro grupos de polias, como ilustra o esquema ao lado. Em cada grupo, duas polias de tamanhos diferentes são interligadas por uma correia provida de lixa. Uma prancha de madeira é empurrada pelas polias, no sentido A → B (como indicado no esquema), ao mesmo tempo em que um sistema é acionado para frear seu movimento, de modo que a velocidade da prancha seja inferior à da lixa. O equipamento anteriormente descrito funciona com os grupos de polias girando da seguinte forma: a) 1 e 2 no sentido horário; 3 e 4 no sentido anti-horário. b) 1 e 3 no sentido horário; 2 e 4 no sentido anti-horário. c) 1 e 2 no sentido anti-horário; 3 e 4 no sentido horário. d) 1 e 4 no sentido horário; 2 e 3 no sentido anti-horário. e) 1, 2, 3 e 4 no sentido anti-horário EXERCÍCIO RESOLVIDO PRÉ-VESTIBULARSISTEMA PRODÍGIO DE ENSINO318 FÍSICA I 16 MOVIMENTOS CURVILÍNEOS REVISÃO Resolução: C A figura mostra as forças exercidas pelas polias sobre a prancha para que o movimento seja de A para B. Portanto, 1 e 2 devem girar no sentido anti-horário e 3 e 4 no sentido horário. 02. (UEMG 2017) A figura representa o instante em que um carro de massa M passa por uma lombada existente em uma estrada. Considerando o raio da lombada igual a R, o módulo da velocidade do carro igual a V, e a aceleração da gravidade local g, a força exercida pela pista sobre o carro, nesse ponto, pode ser calculada por a) 2MV Mg R + b) 2MVMg R − c) 2MRMg V − d) 2MR mg V + e) 2Mg gR V + Resolução: B Questão envolvendo a dinâmica no movimento circular uniforme, em que a força resultante no ponto mais alto da lombada é representado na figura abaixo: A resultante das forças é a força centrípeta: 2 2 r c 2 M v M vF F P N Mg N R R M vN Mg R = ⇒ − = ⇒ − = ∴ = − PROTREINO EXERCÍCIOS 01. Uma esfera de massa 4 kg, presa por um fio inextensível de 0,5 metros de comprimento, de massa desprezível, descreve um movimento circular com velocidade de módulo constante e tração de 32 N sobre uma mesa horizontal lisa. Calcule a velocidade de escape ao romper a corda. 02. Para realizar um loop dentro do globo da morte o piloto precisa alcançar uma velocidade mínima para que sua moto não caia ao passar pelo ponto mais alto do globo, no ponto A da imagem abaixo. Nestas condições, calcule a velocidade mínima que a moto precisa ter para que não caia ao passar pelo ponto A em um globo da morte de raio 4,9 metros. Adote g = 10 m/s² 03. Deseja-se verificar a inclinação da pista sobrelevada numa curva de raio igual 10 3 metros sem considerar o atrito, onde o carro possa desenvolver uma velocidade de 10 m/s Na figura a seguir, estão representados o carro de corrida e a pista numa perspectiva frontal, em que θ é a inclinação da pista. Considere g = 10 m/s². Calcule a inclinação da pista de corrida para que a segurança do piloto não dependa do atrito entre a pista e os pneus do carro. 04. A imagem abaixo, mostra um disco de vinil com velocidade angular constante de 1,5 rad/s. Considere um ponto A distante 1 cm do centro e o um ponto B distante 3 cm do centro. Fonte:https://istoe.com.br/187982_ OS+DISCOS+DE+VINIL+RETORNAM+COM+FORCA+EM+NOVA+YORK/ Acesso em: 06/03/2020 Calcule a razão entre as velocidades lineares e entre as velocidades angulares entre os pontos A e B. PRÉ-VESTIBULAR SISTEMA PRODÍGIO DE ENSINO 16 MOVIMENTOS CURVILÍNEOS REVISÃO 319 FÍSICA I 05. A figura abaixo representa um pêndulo cônico constituído por um fio inextensível de comprimento L, e um corpo do massa 8 kg que descreve uma trajetória circular de raio R, com módulo da velocidade constante, no plano horizontal. O fio forma um ângulo θ em relação a vertical. Considere g = 10,0 m/s²; senθ = 0,600; cosθ = 0,800 e calcule a força resultante que atua sobre o corpo. PROPOSTOS EXERCÍCIOS 01. (MACKENZIE) Força centrípeta é a força resultante que puxa um corpo na direção e sentido do centro da trajetória de um movimento curvilíneo. Um exemplo de força centrípeta é a força gravitacional no movimento do planeta Terra ao redor do Sol. Nesse caso, é a força gravitacional entre o planeta e a estrela que faz com que a TERRA não escape da trajetória elíptica ao redor do Sol e deixe de orbitá-lo. Analisando o movimento curvilíneo de um carro em uma pista horizontal, a força que tem o papel de força centrípeta é a a) força peso do carro. b) força de atrito entre os pneus e a pista. c) força normal dos pneus na pista. d) força de tração do motor. e) força de gravitacional entre o carro e a pista. 02. (UFF) Uma criança se balança em um balanço, como representado esquematicamente na figura a seguir. Assinale a alternativa que melhor representa a aceleração a da criança no instante em que ela passa pelo ponto mais baixo de sua trajetória. a) a 0= b) a→ c) a↑ d) a↓ e) a← 03. (UDESC) Considere o “looping” mostrado na Figura, constituído por um trilho inclinado seguido de um círculo. Quando uma pequena esfera é abandonada no trecho inclinado do trilho, a partir de determinada altura, percorrerá toda a trajetória curva do trilho, sempre em contato com ele. Sendo v a velocidade instantânea e a a aceleração centrípeta da esfera, o esquema que melhor representa estes dois vetores no ponto mais alto da trajetória no interior do círculo é: a) c) b) d) 04. (UFLA) Um corpo desliza sem atrito ao longo de uma trajetória circular no plano vertical (looping), passando pelos pontos, 1, 2, 3 e 4, conforme figura a seguir. Considerando que o corpo não perde contato com a superfície, em momento algum, é correto afirmar que os diagramas que melhor representam as direções e sentidos das forças que agem sobre o corpo nos pontos 1, 2, 3 e 4, são apresentados na alternativa: a) b) c) d) 05. (FMP) Um pequeno objeto de massa m é pendurado por um fio ao teto, e é largado do repouso na posição 1, como mostra a Figura 1, onde também são indicadas outras quatro posições pelas quais o objeto passa em seu movimento oscilatório. Na Figura 2, está indicado um conjuntode vetores em cada uma das posições. A associação correta entre as grandezas físicas descritas e os vetores da Figura 2 nas posições mencionadas, quando o objeto é largado e está se deslocando da esquerda para a direita, em sua primeira oscilação, é: a) na posição 5, o vetor f representa a força resultante sobre o corpo, e a velocidade do corpo é nula. b) na posição 4, o vetor d representa a aceleração do corpo, e o vetor e representa sua velocidade. c) na posição 1, a velocidade e a aceleração do objeto são nulas. d) na posição 2, o vetor b representa a velocidade, e o vetor a representa a aceleração do objeto no instante em que passa pelo ponto. e) na posição 3, a aceleração do objeto é nula, e sua velocidade é representada pelo vetor c. PRÉ-VESTIBULARSISTEMA PRODÍGIO DE ENSINO320 FÍSICA I 16 MOVIMENTOS CURVILÍNEOS REVISÃO 06. (FGV) Uma criança está parada em pé sobre o tablado circular girante de um carrossel em movimento circular e uniforme, como mostra o esquema (uma vista de cima e outra de perfil). O correto esquema de forças atuantes sobre a criança para um observador parado no chão fora do tablado é: (Dados: F: força do tablado; N: reação normal do tablado; P: peso da criança) a) d) b) e) c) 07. (UFPR) Um motociclista descreve uma trajetória circular de raio R = 5 m, com uma velocidade de módulo v = 10 m/s medida por um observador inercial. Considerando que a massa combinada do motociclista e da motocicleta vale 250 kg, assinale a alternativa que expressa corretamente o módulo da força centrípeta necessária para a realização da trajetória circular. a) F = 1 kN b) F = 5 kN c) F = 10 kN d) F = 50 kN e) F = 100 kN 08. (UECE) Considere um carro de passeio de uma tonelada se deslocando a 108 km/h em uma rodovia. Em um dado instante, o carro se encontra no ponto mais alto de um trecho reto em subida. Para simplificar a descrição mecânica desse sistema, o carro pode ser tratado como uma massa puntiforme e a trajetória em torno do ponto mais alto pode ser aproximada por um arco de círculo de raio 100 m contido em um plano vertical. Em comparação com a situação em que o carro trafegue por um trecho plano, é correto afirmar que, no ponto mais alto da trajetória, a força de atrito entre a pista e os pneus a) é menor, pois a força normal da estrada sobre o carro é maior. b) é maior, pois a força normal da estrada sobre o carro é menor. c) é menor, pois a força normal da estrada sobre o carro é menor. d) é maior, pois a força normal da estrada sobre o carro é maior. 09. (UFJF) Um viaduto em forma de arco (raio R) é construído sobre uma ferrovia. Muitas pessoas sentadas dentro de automóveis e ônibus, e também sobre assentos de motos, comentam que parecem ficar mais leves no ponto mais alto do viaduto, principalmente quando passam nesse ponto em grandes velocidades. Um motociclista, ao atingir o ponto mais alto do viaduto, como mostra a Figura, percebeu que estava a ponto de perder contato entre o seu corpo e o assento da moto. Nesse momento, qual a melhor atitude a ser tomada por ele? a) Ele deve manter a velocidade da moto constante para que seu peso tenha intensidade igual à força de contato (força normal) entre ele e o assento. b) Ele deve aumentar a velocidade da moto para que seu peso tenha intensidade igual à força de contato (força normal) entre ele e o assento. c) Ele deve aumentar a velocidade da moto para ficar mais preso ao assento. d) Ele deve diminuir a velocidade da moto para que seu peso tenha intensidade igual à força de contato (força normal) entre ele e o assento. e) Ele deve diminuir a velocidade da moto de modo a aumentar a intensidade da força de contato (força normal) entre ele e o assento. 10. (UPE-SSA) Considere o módulo da aceleração da gravidade como g = 10,0 m/s2 e a constante da gravitação universal como G = 6,7 × 10-11m3kg-1s-2 e utilize π = 3. Suponha que, em uma prova olímpica de ciclismo BMX, presente nos Jogos Olímpicos desde a Olimpíada de Pequim 2008, um atleta percorre um trecho de pista de corrida cujo corte lateral é mostrado na figura a seguir. A partir desse corte, percebe-se que o atleta viaja por segmentos de pista retos e por semicírculos onde RD < RB < RE. Se o atleta pedala e utiliza os freios de forma a ter velocidade constante no trecho mostrado, o ponto de maior intensidade da reação normal da pista sobre a bicicleta é a) A b) B c) C d) D e) E 11. (CFTMG) Um livro de física de massa m está pendurado por um fio de comprimento L. Em seguida, segurando o fio com uma das mãos e movimentando-a, ele é colocado em movimento circular uniforme vertical, de forma que o livro descreve círculos sucessivos. A tensão no fio no ponto mais baixo da trajetória a) é igual ao peso do livro. b) é igual à força centrípeta. c) é menor que o peso do livro. d) é maior que a força centrípeta. 12. (FAMERP) Em uma exibição de acrobacias aéreas, um avião pilotado por uma pessoa de 80 kg faz manobras e deixa no ar um rastro de fumaça indicando sua trajetória. Na figura, está representado um looping circular de raio 50 m contido em um plano vertical, descrito por esse avião. PRÉ-VESTIBULAR SISTEMA PRODÍGIO DE ENSINO 16 MOVIMENTOS CURVILÍNEOS REVISÃO 321 FÍSICA I Adotando g = 10 m/s2 e considerando que ao passar pelo ponto A, ponto mais alto da trajetória circular, a velocidade do avião é de 180 km/h, a intensidade da força exercida pelo assento sobre o piloto, nesse ponto, é igual a a) 3.000 N b) 2.800 N c) 3.200 N d) 2.600 N e) 2.400 N 13. (CPS) A apresentação de motociclistas dentro do globo da morte é sempre um momento empolgante de uma sessão de circo, pois ao atingir o ponto mais alto do globo, eles ficam de ponta cabeça. Para que, nesse momento, o motociclista não caia, é necessário que ele esteja a uma velocidade mínima (v) que se relaciona com o raio do globo (R) e a aceleração da gravidade (g) pela expressão: v R g,= ⋅ com R dado em metros. Considere que no ponto mais alto de um globo da morte, um motociclista não caiu, pois estava com a velocidade mínima de 27 km/h. Assim sendo, o raio do globo é, aproximadamente, em metros, Adote g ≅ 10 m/s2 a) 5,6 b) 6,3 c) 7,5 d) 8,2 e) 9,8 14. (UEMG) Em uma viagem a Júpiter, deseja-se construir uma nave espacial com uma seção rotacional para simular, por efeitos centrífugos, a gravidade. A seção terá um raio de 90 metros. Quantas rotações por minuto (RPM) deverá ter essa seção para simular a gravidade terrestre? (considere g = 10 m/s2). a) 10/π b) 2/π c) 20/π d) 15/π 15. (EPCAR) Uma determinada caixa é transportada em um caminhão que percorre, com velocidade escalar constante, uma estrada plana e horizontal. Em um determinado instante, o caminhão entra em uma curva circular de raio igual a 51,2 m, mantendo a mesma velocidade escalar. Sabendo-se que os coeficientes de atrito cinético e estático entre a caixa e o assoalho horizontal são, respectivamente, 0,4 e 0,5 e considerando que as dimensões do caminhão, em relação ao raio da curva, são desprezíveis e que a caixa esteja apoiada apenas no assoalho da carroceria, pode-se afirmar que a máxima velocidade, em m/s, que o caminhão poderá desenvolver, sem que a caixa escorregue é a) 14,3 b) 16,0 c) 18,0 d) 21,5 16. (UPE) Duas cargas elétricas pontuais, Q = 2,0µC e q = 0,5µC, estão amarradas à extremidade de um fio isolante. A carga q possui massa m = 10 g e gira em uma trajetória de raio R = 10 cm, vertical, em torno da carga Q que está fixa. Sabendo que o maior valor possível para a tração no fio durante esse movimento é igual a T = 11N, determine o módulo da velocidade tangencial quando isso ocorre A constante eletrostática do meio é igual a 9 x 109 Nm2C-2. a) 10 m/s b) 11 m/s c) 12 m/s d) 14 m/s e) 20 m/s 17. (UPE) Três partículas idênticas de massa 0,5 kg giram em um plano sem atrito, perpendicular ao eixo de rotação E, conectadas por barras demassas desprezíveis e comprimentos L = 1,0 m cada uma. Observe a figura a seguir: Sabendo-se que a tensão na barra que une as partículas 2 e 3 vale 13,5 N e que a velocidade angular de rotação do sistema é constante, determine o módulo da velocidade tangencial da partícula 1. a) 1 m/s b) 2 m/s c) 3 m/s d) 4 m/s e) 5 m/s 18. (EPCAR) Uma partícula de massa m, presa na extremidade de uma corda ideal, descreve um movimento circular acelerado, de raio R, contido em um plano vertical, conforme figura a seguir. Quando essa partícula atinge determinado valor de velocidade, a corda também atinge um valor máximo de tensão e se rompe. Nesse momento, a partícula é lançada horizontalmente, de uma altura 2R, indo atingir uma distância horizontal igual a 4R. Considerando a aceleração da gravidade no local igual a g, a tensão máxima experimentada pela corda foi de a) mg b) 2 mg c) 3 mg d) 4 mg 19. (ESC. NAVAL) Analise a figura abaixo. A figura mostra um pêndulo cônico no qual um pequeno objeto de massa m, preso à extremidade inferior de um fio, move-se em uma circunferência horizontal de raio R, com o módulo da velocidade constante. O fio tem comprimento L e massa desprezível. Sendo g a aceleração da gravidade e sabendo que a relação entre a tração T e o peso P do objeto é T = 4P, qual o período do movimento? PRÉ-VESTIBULARSISTEMA PRODÍGIO DE ENSINO322 FÍSICA I 16 MOVIMENTOS CURVILÍNEOS REVISÃO a) 2 L 8g π b) 1 22 L 4g π c) 2 L 2g π d) 1 22 L g π e) 22 L g π 20. (IME) O sistema mostrado na figura gira em torno de um eixo central em velocidade angular constante ω. Dois cubos idênticos, de massa uniformemente distribuída, estão dispostos simetricamente a uma distância r do centro ao eixo, apoiados em superfícies inclinadas de ângulo θ. Admitindo que não existe movimento relativo dos cubos em relação às superfícies, a menor velocidade angular ω para que o sistema se mantenha nessas condições é: Dados: • aceleração da gravidade: g; • massa de cada cubo: m; • aresta de cada cubo: a; e • coeficiente de atrito entre os cubos e as superfícies inclinadas: µ. a) 1 2g cos ( ) r sen ( ) cos ( ) µ ⋅ θ θ + µ ⋅ θ b) 1 2g cos ( ) r cos ( ) sen ( ) µ ⋅ θ θ + µ ⋅ θ c) 1 2g sen ( ) cos ( ) r sen ( ) cos ( ) µ ⋅ θ + θ θ + µ ⋅ θ d) 1 2g sen ( ) cos ( ) r cos ( ) sen ( ) θ −µ ⋅ θ θ + µ ⋅ θ e) 1 2g sen ( ) cos ( ) r sen ( ) cos ( ) θ −µ ⋅ θ θ + µ ⋅ θ APROFUNDAMENTO EXERCÍCIOS DE 01. (FUVEST) Um acrobata, de massa MA = 60 kg, quer realizar uma apresentação em que, segurando uma corda suspensa em um ponto Q fixo, pretende descrever um círculo de raio R = 4,9 m, de tal forma que a corda mantenha um ângulo de 45º com a vertical. Visando garantir sua total segurança, há uma recomendação pela qual essa corda deva ser capaz de suportar uma tensão de, no mínimo, três vezes o valor da tensão a que é submetida durante a apresentação. Para testar a corda, com ela parada e na vertical, é pendurado em sua extremidade um bloco de massa M0, calculada de tal forma que a tensão na corda atenda às condições mínimas estabelecidas pela recomendação de segurança. Nessa situação: a) Represente no esquema a direção e o sentido das forças que agem sobre o acrobata, durante sua apresentação, identificando-as, por meio de um desenho em escala. b) Estime o tempo tA, em segundos, que o acrobata leva para dar uma volta completa em sua órbita circular. c) Estime o valor da massa M0 em kg, que deve ser utilizada para realizar o teste de segurança. Note e Adote: Força centrípeta FC = mv²/R Adote π≅3 02. (UDESC) Um carro de massa m = 1000 kg com velocidade escalar constante de 72 km/h trafega por uma pista horizontal quando passa por uma grande ondulação, conforme figura a seguir e mantém a mesma velocidade escalar. Considerando que essa ondulação tenha o formato de uma circunferência de raio R = 50 m. Calcule, no ponto mais alto da pista: a) A força centrípeta no carro. b) A força normal. (Dado: g = 10 m/s2) 03. (PUCRJ) Um brinquedo de parque de diversões consiste (veja a figura a seguir) de um eixo vertical girante, duas cabines e um suporte para os cabos que ligam o eixo às cabines. O suporte é uma forte barra horizontal de aço, de L = 8,0 m de comprimento, colocada de modo simétrico para poder sustentar as cabines. Cada cabo mede d = 10 m. PRÉ-VESTIBULAR SISTEMA PRODÍGIO DE ENSINO 16 MOVIMENTOS CURVILÍNEOS REVISÃO 323 FÍSICA I Quando as pessoas entram nas cabines, o eixo se põe a girar e as cabines se inclinam formando um ângulo θ com a vertical. O movimento das cabines é circular uniforme, ambos de raio R. Considere a massa total da cabine e passageiro como M = 1.000 kg. Suponha que θ = 30º. Considere g = 10 m/s² para a aceleração gravitacional e despreze todos os efeitos de resistência do ar. a) Desenhe na fi gura anterior o raio R de rotação, para a trajetória da cabine do lado direito, e calcule seu valor. b) Desenhe na fi gura anterior as forças agindo sobre a cabine do lado esquerdo. Qual a direção e o sentido da força resultante Fr sobre esta cabine? c) Sabendo que as forças verticais sobre a cabine se cancelam, calcule a tensão no cabo que sustenta a cabine. d) Qual o valor da força centrípeta agindo sobre a cabine? 04. (CFTCE) Como mostra a fi gura, um bloco de massa m = 3,0 kg, preso por um fi o a um prego C, desliza em movimento circular de raio constante R = 6,0 m, sobre uma superfície rugosa horizontal. O coefi ciente de atrito cinético μc = 0,7 e o módulo da aceleração da gravidade g = 10,0 m/s2. Sabendo-se que a força de atrito é oposta ao movimento, calcule, no momento em que a velocidade do corpo vale 4,0 m/s: a) a tensão no fi o b) a aceleração tangencial 05. (UFG) O chapéu mexicano, representado na fi gura, gira com velocidade angular constante. Cada assento é preso por quatro correntes, que formam com a vertical um ângulo de 30°. As correntes estão presas à borda do círculo superior, cujo diâmetro é de 6,24 m, enquanto o comprimento das correntes é de 6 m. A massa de cada criança é de 34 kg, sendo desprezíveis as massas dos assentos e das correntes. Dados: g = 10 m/s2, 3 = 1,7 Calcule: a) a velocidade delas ao longo da trajetória circular; b) a tensão em cada corrente. GABARITO EXERCÍCIOS PROPOSTOS 01. B 02. C 03. A 04. A 05. B 06. D 07. B 08. C 09. E 10. B 11. D 12. C 13. A 14. A 15. B 16. A 17. C 18. C 19. D 20. D EXERCÍCIOS DE APROFUNDAMENTO 01. a) b) 4,2 s c) 253,5 kg 02. a) 8000 N b) 2000 N 03. a) 9 m b) c) 11.494 N d) 5.747 N 04. a) 8 N b) 7 m/s² 05. a) 6 m/s b) 100 N PRÉ-VESTIBULARSISTEMA PRODÍGIO DE ENSINO324 FÍSICA I 16 MOVIMENTOS CURVILÍNEOS REVISÃO ANOTAÇÕES
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