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Dinâmica clássica de partículas e sistemas by Stephen Thornton, Jerry Marion

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Stephen T. Thornton e Jerry B. Marion
Steph
en
 T. Th
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ton
 e Jerry B. M
arion
Stephen T. Thornton e Jerry B. Marion
Os estudantes das ciências exatas e da terra, 
principalmente da física, em nível avançado de 
graduação e pós-graduação, bem como aqueles 
das Engenharias, podem se valer deste best-seller da 
mecânica clássica, no qual a mecânica de partículas, 
os sistemas de partículas e corpos rígidos são 
apresentados de maneira clara e completa. A abordagem 
didática em nível crescente introduz os conceitos mais 
importantes da mecânica, passando pelo cálculo vetorial até 
as formulações de Lagrange e Hamilton. Por meio de uma 
linguagem simples e profunda, transforma-se em uma 
poderosa ferramenta de resolução de problemas, sem perder o 
rigor matemático. A notação e a terminologia mais atuais são 
utilizadas a fim de facilitar ao estudante a transição para a física 
avançada e o formalismo matemático, necessário para a 
compreensão dos fenômenos físicos. O livro Dinâmica Clássica de 
Partículas e Sistemas pode ser usado em cursos de um ou dois 
semestres, com quatro aulas semanais ou de acordo com os critérios 
do plano pedagógico da instituição.
Aplicações: livro-texto para as disciplinas mecânica analítica, 
mecânica clássica e mecânica dos sólidos. Pode ser utilizado em 
cursos introdutórios de mecânica celeste e relatividade. Indicado, 
ainda, para estudos avançados de graduação e pós-graduação em 
Física e Engenharias.
din
âm
ica clássica de partículas e sistem
as
Termodinâmica
Merle C. Potter
Elaine P. Scott
Mecânica dos Materiais – Tradução 
da 7ª edição norte-americana
James M. Gere
Barry J. Goodno
Física do Estado Sólido
Neil W. Ashcroft
N. David Mermin
Vibrações Mecânicas – Tradução da 
2ª edição norte-americana
Balakumar Balachandran
Edward B. Magrab
e
dinâmica clássica de
Tradução da 5ª edição norte-americana
e
dinâmica clássica de
Tradução da 5ª edição norte-americana
material para o professor
respostas comentadas dos exercícios propostos no livro
Para suas soluções de curso e aprendizado,
visite www.cengage.com.br 1090679 788522
ISBN13 – 978-85-221-0906-7
ISBN10 – 85-221-0906-0
AF_dinamicasparticulascelulares_lombada31,6_offset75g.pdf 1 29/02/2016 12:05:14
DINÂMICA 
CLÁSSICA 
DE PARTÍCULAS 
E SISTEMAS
TRADUÇÃO DA 5A EDIÇÃO nORTE-aMERICANA
Stephen T. Thornton
Professor de Física, Universidade da Virgínia
Jerry B. Marion
Professor de Física (in memorian), Universidade de Maryland
Cap00.indd 1 26/02/2016 12:26:31
Dados Internacionais de Catalogação na Publicação (CIP)
(Câmara Brasileira do Livro, SP, Brasil)
Thornton, Stephen T.
Dinâmica clássica de partículas e sistemas / 
Stephen T. Thornton, Jerry B. Marion ; tradução All 
Tasks ; revisão técnica Fábio Raia. – São Paulo : 
Cengage Learning, 2014.
1. reimpr. da 1. ed. de 2011.
Título original: Classical dynamics of particles 
and systems.
ISBN 978-85-221-2627-9
1. Dinâmica I. Marion, Jerry B. II. Título.
10-13804 CDD-531.11
Índice para catálogo sistemático:
1. Dinâmica : Física 531.11
Austrália • Brasil • Japão • Coreia • México • Cingapura • Espanha • Reino Unido • Estados Unidos
Tradução
All Tasks
Revisão Técnica
Fábio Raia
Professor doutor da Universidade Presbiteriana Mackenzie e da Fundação Armando Álvares Penteado 
nas disciplinas mecânica vibratória I e II.
DINÂMICA 
CLÁSSICA 
DE PARTÍCULAS 
E SISTEMAS
TRADUÇÃO DA 5A EDIÇÃO nORTE-aMERICANA
Stephen T. Thornton
Professor de Física, Universidade da Virgínia
Jerry B. Marion
Professor de Física (in memorian), Universidade de Maryland
Cap00.indd 3 14/01/2011 15:03:44
Dinâmica Clássica de Partículas e 
Sistemas – tradução da 5a edição 
norte-americana
Stephen T. Thorton e Jerry B. Marion
Gerente Editorial: Patricia La Rosa
Supervisora de Produção Editorial: Fabiana 
Alencar Albuquerque
Editora de Desenvolvimento: Monalisa 
Neves
Título Original: Classical Dynamics of 
Particles and Systems – 5th edition
ISBN Original: 
13: 978-0-495-55610-7 
10: 0-495-55610-6
Tradução: All Tasks
Revisão Técnica: Fábio Raia
Copidesque: All Tasks
Revisão: All Tasks e Fernanda Batista 
dos Santos
Diagramação: All Tasks
Capa: Souto Crescimento de Marca
© 2004, Brooks/Cole uma parte da Cengage Learning.
© 2011 Cengage Learning.
Todos os direitos reservados. Nenhuma parte deste livro poderá 
ser reproduzida, sejam quais forem os meios empregados, sem 
a permissão, por escrito, da Editora. Aos infratores aplicam-se 
as sanções previstas nos artigos 102, 104, 106 e 107 da Lei nº 
9.610, de 19 de fevereiro de 1998.
Esta editora empenhou-se em contatar os responsáveis pelos 
direitos autorais de todas as imagens e de outros materiais 
utilizados neste livro. Se porventura for constatada a omissão 
involuntária na identificação de algum deles, dispomo-nos a 
efetuar, futuramente, os possíveis acertos.
A Editora não se responsabiliza pelo funcionamento dos links 
contidos neste livro que possam estar suspensos.
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Para permissão de uso de material desta obra, 
envie pedido para direitosautorais@cengage.com
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Para 
a Dra. Kathryn C. Thornton
Astronauta e Esposa
Enquanto ela flutua e caminha no espaço
que a sua vida possa estar segura e realizada
e que as mentes de nossos filhos fiquem abertas
para tudo o que a vida tem a oferecer.
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Prefácio
Das cinco edições deste texto, esta é a terceira que preparei. Ao fazê-lo, tentei me ater ao 
objetivo original do falecido Jerry Marion no sentido de produzir uma descrição moderna e 
razoavelmente completa da mecânica clássica de partículas, sistemas de partículas e corpos 
rígidos para estudantes de física em nível avançado de graduação. Os três propósitos deste 
livro continuam sendo:
 1. Apresentar um tratamento moderno dos sistemas mecânicos clássicos de forma que a tran-
sição para a teoria quântica da física possa ser efetuada com a menor dificuldade possível.
 2. Apresentar novas técnicas matemáticas aos estudantes e, se possível, proporcionar-lhes 
prática suficiente na resolução de problemas de modo que eles possam adquirir razoável 
proficiência em sua utilização.
 3. Transmitir ao estudante, no período crucial de sua carreira acadêmica entre a física “in-
trodutória” e a física “avançada”, algum grau de sofisticação no tratamento do formalismo 
teórico e da técnica operacional de solução de problemas.
Após a apresentação de uma
fundamentação sólida nos métodos vetoriais no Capítulo 1, 
métodos matemáticos adicionais são desenvolvidos ao longo do livro, conforme as necessidades 
de cada momento. É aconselhável que os alunos continuem estudando matemática avançada 
em cursos separados. O rigor matemático deverá ser aprendido e apreciado pelos estudantes de 
física. Porém, em pontos onde a continuidade da física poderia ser comprometida pela insistên-
cia sobre generalidade total e rigor matemático, a física teve precedência.
Alterações na quinta edição
Os comentários e sugestões de muitos usuários da obra Dinâmica Clássica foram incorporados 
a esta quinta edição. Sem o feedback dos muitos professores que utilizaram este texto não seria 
possível produzir um livro-texto de valor significativo para a comunidade de física. Após a 
revisão abrangente da quarta edição, as alterações nesta edição foram relativamente menores. 
Somente algumas mudanças na disposição do material foram efetuadas. Porém, vários exem-
plos, especialmente os numéricos, e muitos problemas de final de capítulo foram acrescenta-
dos. Os usuários não queriam grandes mudanças nos tópicos abordados, mas sim exemplos 
adicionais para os alunos, e uma gama mais ampla de problemas é sempre solicitada.
vii
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Um grande esforço continua a ser feito para corrigir as soluções dos problemas disponíveis 
nos Manuais de Soluções do Professor e do Aluno. Agradeço aos muitos usuários que enviaram 
comentários relativos às soluções dos vários problemas e muitos de seus nomes estão relaciona-
dos a seguir. As respostas aos problemas com números pares foram mais uma vez incluídas ao 
final do livro, e as referências selecionadas e a bibliografia geral foram atualizadas.
Adequação ao curso
O livro é adequado a um curso de graduação (7o ou 8o semestre), com um ou dois semestres, em 
mecânica clássica, ministrado após um curso introdutório de física com a utilização do cálculo 
diferencial e integral. Na Universidade da Virgínia, ministramos um curso de um semestre com 
base principalmente nos primeiros 12 capítulos, com várias omissões de algumas seções a critério 
do professor. As seções que podem ser omitidas sem comprometer a continuidade estão indicadas 
como opcionais. Porém, o professor também pode saltar outras seções (ou capítulos inteiros), 
como desejar. Por exemplo, o Capítulo 4 (Oscilações Não Lineares e Caos) pode ser saltado em 
sua totalidade para um curso de um semestre. Alguns professores optam por não abordar o 
material de cálculo de variações no Capítulo 6. Outros podem preferir iniciar pelo Capítulo 2, 
saltar a apresentação matemática do Capítulo 1 e apresentar os conceitos matemáticos conforme 
a necessidade. Essa técnica de lidar com a apresentação matemática é perfeitamente aceitável e a 
comunidade se divide em termos desse assunto, com uma ligeira preferência pelo método aqui 
utilizado. O livro também é adequado para uso em um ano acadêmico completo, enfatizando 
métodos matemáticos e numéricos, conforme desejado pelo professor.
O livro é apropriado para aqueles que desejam ministrar cursos da forma tradicional, sem 
cálculos computacionais. Entretanto, um número cada vez maior de professores e alunos está 
familiarizado com cálculos numéricos e os adota. Além disso, podemos aprender muito ao 
efetuar cálculos nos quais os parâmetros podem ser variados e condições do mundo real, como 
atrito e resistência do ar, podem ser incluídas. Antes da 4a edição, decidi deixar a escolha do 
método a cargo do professor e/ou aluno, para a seleção das técnicas computacionais a serem 
utilizadas. Essa decisão se confirmou, pois existem muitos software excelentes (incluindo 
Mathematica, Maple e Mathcad, somente para citar três deles) disponíveis para uso. Além 
disso, alguns professores têm alunos que codificam programas de computador, o que constitui 
uma importante habilidade a ser adquirida.
Característica especial
O autor manteve uma característica popular da obra original de Jerry Marion: o acréscimo de 
notas de rodapé históricas espalhadas ao longo de todo o texto. Vários usuários indicaram o 
valor que esses comentários históricos têm. A história da física foi praticamente eliminada dos 
currículos atuais e, como resultado, o aluno muitas vezes não conhece as informações básicas de 
um tópico específico. Essas notas de rodapé se destinam a aguçar o apetite e incentivar o aluno 
a pesquisar a história de seu campo de atuação.
Materiais para o professor
Os auxílios de aula para acompanhar o livro estão disponíveis on-line na página do livro, em 
www.cengage.com.br O Manual do Professor contém soluções para todos os problemas de final de 
capítulo. Esse recurso é protegido por senha e está disponível aos professores que comprovadamente 
adotam a obra. 
viii Dinâmica clássica de partículas e sistemas
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Agradecimentos
Gostaria de agradecer imensamente às pessoas que enviaram problemas ou sugestões por escrito 
sobre o texto, responderam aos questionários ou analisaram partes da 4a edição. Entre elas:
William L. Alford, Auburn University
Philip Baldwin, University of Akron
Robert P. Bauman, University of Alabama, 
Birmingham
Michael E. Browne, University of Idaho
Melvin G. Calkin, Dalhousie University
F. Edward Cecil, Colorado School of Mines
Arnold J. Dahm, Case Western Reserve 
University
George Dixon, Oklahoma State University
John J. Dykla, Loyola University of Chicago
Thomas A. Ferguson, Carnegie Mellon 
University
Shun-fu Gao, University of Minnesota, Morris
Reinhard Graetzer, Pennsylvania State 
University
Thomas M. Helliwell, Harvey Mudd College
Stephen Houk, College of the Sequoias
Joseph Klarmann, Washington University at St. 
Louis
Kaye D. Lathrop, Stanford University
Robert R. Marchini, Memphis State University
Robert B. Muir, University of North Carolina, 
Greensboro
Richard P. Olenick, University of Texas, Dallas
Tao Pang, University of Nevada, 
Las Vegas
Peter Parker, Yale University
Peter Rolnick, Northeast Missouri State 
University
Albert T. Rosenberger, University of Alabama, 
Huntsville
Wm. E. Slater, University of California, Los 
Angeles
Herschel Snodgrass, Lewis and Clark College
J. C. Sprott, University of Wisconsin, Madison
Paul Stevenson, Rice University
Larry Tankersley, United States Naval Academy
Joseph S. Tenn, Sonoma State University
Dan de Vries, University of Colorado
Esta 5a edição não teria sido possível sem a assistência de muitas pessoas que fizeram suges-
tões de alterações no texto, enviaram comentários sobre a solução de problemas, responderam 
o questionário ou revisaram capítulos. Agradeço sinceramente a sua ajuda e dedico a minha 
gratidão a:
Jonathan Bagger, Johns Hopkins University
Arlette Baljon, San Diego State University
Roger Bland, San Francisco State University
John Bloom, Biola University
Theodore Burkhardt, Temple University
Kelvin Chu, University of Vermont
Douglas Cline, University of Rochester
Bret Crawford, Gettysburg College
Alfonso Diaz-Jimenez, Universidad Militar 
Nueva Granad, Colombia
Avijit Gangopadhyay, University of 
Massachusetts, Dartmouth
Tim Gfroerer, Davidson College
Kevin Haglin, Saint Cloud State University
Dennis C. Henry, Gustavus Adolphus College
John Hermanson, Montana State University
Yue Hu, Wellesley College
Pawa Kahol, Wichita State University
Robert S. Knox, University of Rochester
Michael Kruger, University of Missouri
Whee Ky Ma, Groningen University
Steve Mellema, Gustavus Adolphus College
Adrian Melott, University of Kansas
William A. Mendoza, Jacksonville University
Colin Morningstar, Carnegie Mellon University
Martin M. Ossowski, Naval Research 
Laboratory
Keith Riles, University of Michigan
Lyle Roelofs, Haverford College
Sally Seidel, University of New Mexico
Mark Semon, Bates College
Phil Spickler, Bridgewater College
Larry Tankersley, United States Naval Academy
Li You, Georgia Tech
Prefácio ix
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Gostaria de agradecer especialmente
a Theodore Burkhardt da Temple University, que 
graciosamente permitiu a utilização de vários de seus problemas (e as soluções fornecidas) para 
inclusão nos finais de capítulos. Agradeço também a ajuda de Patrick J. Papin, San Diego State 
University, e Lyle Roelofs, Haverford College, que checaram a precisão do manuscrito. Além disso, 
gostaria de agradecer a assistência de Tran ngoc Khanh, que me ajudou consideravelmente com 
as soluções dos problemas da quinta edição, bem como a Warren Griffith e Brian Giambattista, 
que prestaram um serviço similar na quarta e terceira edições, respectivamente. 
Um enorme agradecimento à equipe de profissionais da Brooks/Cole Publishing por sua 
orientação e ajuda.
Gostaria de receber sugestões ou notificações de erros em qualquer um desses materiais. 
Meu endereço de contato é STT@Virginia.edu.
Stephen T. Thornton
Charlottesville, Virginia
x Dinâmica clássica de partículas e sistemas
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Sumário
1 Matrizes, vetores e cálculo vetorial 1
	 1.1	 Introdução		1
 1.2 Conceito de uma grandeza escalar 1
	 1.3	 Transformações	de	coordenadas		2
	 1.4	 Propriedades	de	matrizes	de	rotação		5
	 1.5	 Operações	matriciais		8
	 1.6	 Definições	adicionais		11
	 1.7	 Significado	geométrico	das	matrizes	de	transformação		12
	 1.8	 Definições	de	uma	grandeza	escalar	e	um	vetor	em	termos	de	propriedades	
de	transformação		18
	 1.9	 Operações	escalares	e	vetoriais	elementares		18
	 1.10	 Produto	escalar	de	dois	vetores		19
	 1.11	 Vetores	unitários		21
	 1.12	 Produto	vetorial	de	dois	vetores		22
	 1.13	 Diferenciação	de	um	vetor	em	relação	a	uma	grandeza	escalar		25
	 1.14	 Exemplos	de	derivadas	–	velocidade	e	aceleração		27
	 1.15	 Velocidade	angular		30
	 1.16	 Operador	gradiente		33
	 1.17	 Integração	de	vetores		36
	 	 Problemas		38
2 Mecânica Newtoniana – partícula única 43
	 2.1	 Introdução		43
 2.2 Leis de Newton 44
	 2.3	 Sistemas	de	referência		47
	 2.4	 Equação	do	movimento	para	uma	partícula		48
	 2.5	 Teoremas	da	conservação		68
 2.6 Energia 73
	 2.7	 Limitações	da	mecânica	newtoniana		78
	 	 Problemas		80
xi
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3 Oscilações 87
 3.1 Introdução 87
 3.2 Oscilador harmônico simples 88
 3.3 Oscilações harmônicas em duas dimensões 91
 3.4 Diagramas de fase 94
 3.5 Oscilações amortecidas 95
 3.6 Forças senoidais de impulsão 104
 3.7 Sistemas físicos 108
 3.8 Princípio da sobreposição – Séries de Fourier 112
 3.9 Resposta dos osciladores lineares a funções de força de 
impulsão (Opcional) 115
 Problemas 122
4 Oscilações não lineares e caos 129
 4.1 Introdução 129
 4.2 Oscilações não lineares 130
 4.3 Diagramas de fase para sistemas não lineares 134
 4.4 Pêndulo plano 138
 4.5 Saltos, histerese e retardos de fase 142 
 4.6 Caos em um pêndulo 145
 4.7 Mapeamento 150
 4.8 Identificação do caos 154
 Problemas 158
5 Gravitação 161
 5.1 Introdução 161
 5.2 Potencial gravitacional 162
 5.3 Linhas de força e superfícies equipotenciais 171
 5.4 Quando o conceito de potencial é útil? 172
 5.5 Marés oceânicas 174
 Problemas 179
6 Alguns métodos de cálculo de variações 183
 6.1 Introdução 183
 6.2 Formulação do problema 183
 6.3 Equação de Euler 185
 6.4 A “segunda forma” da equação de Euler 191
 6.5 Funções com diversas variáveis dependentes 193
 6.6 As equações de Euler quando condições auxiliares são impostas 193
 6.7 A notação d 198
 Problemas 199
7 Princípio de Hamilton – Dinâmica de Lagrange e Hamilton 201
 7.1 Introdução 201
 7.2 Princípio de Hamilton 202
xii Dinâmica clássica de partículas e sistemas
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 7.3 Coordenadas generalizadas 205
 7.4 As equações de movimento de Lagrange em coordenadas generalizadas 208
 7.5 Equações de Lagrange com multiplicadores indeterminados 218
 7.6 Equivalência das equações de Newton e Lagrange 224
 7.7 A essência da dinâmica de Lagrange 226
 7.8 Um teorema relacionado à energia cinética 227
 7.9 Teoremas de conservação revistos 228
 7.10 Equações canônicas de movimento – Dinâmica hamiltoniana 233
 7.11 Alguns comentários a respeito de variáveis dinâmicas e cálculos de variação 
em física 239
 7.12 Espaço de fase e teorema de Liouville (opcional) 241
 7.13 Teorema do virial (opcional) 244
 Problemas 246
8 Movimento sob uma força central 253
 8.1 Introdução 253
 8.2 Massa reduzida 253
 8.3 Teoremas da conservação – Primeiras integrais do movimento 254
 8.4 Equações de movimento 256
 8.5 Órbitas em um campo central 260
 8.6 Energia centrífuga e potencial efetivo 261
 8.7 Movimento planetário – Problema de Kepler 264
 8.8 Dinâmica orbital 269
 8.9 Ângulos apsidais e precessão (opcional) 275
 8.10 Estabilidade de órbitas circulares (opcional) 279
 Problemas 285
9 Dinâmica de um sistema de partículas 291
 9.1 Introdução 291
 9.2 Centro de massa 292
 9.3 Quantidade de movimento linear do sistema 294
 9.4 Quantidade de movimento angular do sistema 298
 9.5 Energia do sistema 301
 9.6 Colisões elásticas de duas partículas 306
 9.7 Cinemática das colisões elásticas 313
 9.8 Colisões inelásticas 318
 9.9 Seções transversais de espalhamento 322
 9.10 Fórmula de espalhamento de Rutherford 328
 9.11 Movimento de foguetes 330
 Problemas 336
10 Movimento em um sistema de referência não inercial 345
 10.1 Introdução 345
 10.2 Sistemas de coordenadas em rotação 345
 10.3 Forças centrífugas e forças de Coriolis 349
 10.4 Movimento em relação à Terra 352
 Problemas 364
Sumário xiii
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11 Dinâmica de corpos rígidos 367
 11.1 Introdução 367
 11.2 Movimento planar simples 368
 11.3 Tensor de inércia 370
 11.4 Momento angular 374
 11.5 Eixos de inércia principais 379
 11.6 Momentos de inércia de corpos em sistemas de coordenadas diferentes 382
 11.7 Propriedades adicionais do tensor de inércia 386
 11.8 Ângulos de Euler 393
 11.9 Equações de Euler para um corpo rígido 397
 11.10 Movimento livre de força de um pião simétrico 400
 11.11 Movimento de um pião simétrico com um ponto fixo 405
 11.12 Estabilidade das rotações de corpos rígidos 410
 Problemas 413
12 Oscilações acopladas 419
 12.1 Introdução 419
 12.2 Dois osciladores harmônicos acoplados 420
 12.3 Acoplamento fraco 423
 12.4 Problema geral de oscilações acopladas 425
 12.5 Ortogonalidade dos autovetores (opcional) 430
 12.6 Coordenadas normais 432
 12.7 Vibrações moleculares 438
 12.8 Três pêndulos planos linearmente acoplados – 
um exemplo de degeneração 442
 12.9 O fio carregado 445
 Problemas 453
13 Sistemas contínuos; ondas 457
 13.1 Introdução 457
 13.2 Fio contínuo como um caso limitante do fio carregado 458
 13.3 Energia de um fio vibratório 461
 13.4 Equação de onda 463
 13.5 Movimento forçado e amortecido 465
 13.6 Soluções gerais da equação de onda 467
 13.7 Separação da equação de onda 470
 13.8 Velocidade de fase, dispersão e atenuação 475
 13.9 Velocidade de grupo e pacotes de ondas 479
 Problemas 483
14 Teoria especial da relatividade 487
 14.1 Introdução 487
 14.2 Invariância de Galileu 488
xiv Dinâmica clássica de partículas e sistemas
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	 14.3	 Transformação	de	Lorentz		489
	 14.4	 Verificação	experimental	da	teoria	especial		495
	 14.5	 Efeito	Doppler	relativístico		497
	 14.6	 Paradoxo	dos	gêmeos		500
	 14.7	 Quantidade	de	movimento	relativístico		501
	 14.8	 Energia		504
	 14.9	 Espaço-tempo	e	quadrivetores		507
	 14.10	 Função	lagrangiana	na	relatividade	especial		515
	 14.11	 Cinemática	relativística		516
	 	 Problemas		520
Apêndices
A Teorema de Taylor 526
	 	 Problemas		529
B Integrais elípticas 531
	 B.1	 Integrais	elípticas	de	primeiro	tipo		531
	 B.2	 Integrais	elípticas	de	segundo	tipo		531
	 B.3	 Integrais	elípticas	de	terceiro	tipo		532
	 	 Problemas		535
C Equações diferenciais ordinárias de segunda ordem 536
	 C.1	 Equações	lineares	homogêneas		536
	 C.2	 Equações	lineares	não	homogêneas		540
	 	 Problemas		543
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