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Extensivo 2021 – Lista 16 de Física 1 – Aulas: 35 e 36. Edu Leite 1 1. (Unicamp 2021) Recentemente, um foguete da empresa americana SpaceX foi lançado na Flórida (EUA), levando dois astronautas à Estação Espacial Internacional (ISS). Este foi o primeiro lançamento tripulado dos EUA em nove anos. a) A eficiência dos motores de foguetes é representada pelo impulso específico , que é medido em segundos. A intensidade da força obtida pelo motor do foguete é dada por em que é a massa de combustível expelida por unidade de tempo e é a aceleração da gravidade. Considere um foguete de massa total durante o início do seu lançamento da superfície da Terra. Sabendo que o foguete atinge a iminência do seu movimento vertical quando calcule o desse foguete. Despreze a variação da massa total do foguete durante o início do lançamento. b) Usando um princípio físico similar ao do lançamento de um foguete, um menino deseja mover-se sobre um skate lançando uma bola que ele segura nas mãos. O conjunto menino+skate+bola encontra-se inicialmente em repouso sobre uma superfície plana e horizontal. O menino lança a bola de massa com uma velocidade de módulo na direção horizontal e frontal do skate. Sabendo que a massa do conjunto menino+skate (excluindo a bola) é calcule o módulo da velocidade de recuo do conjunto menino+skate imediatamente após o lançamento da bola. Despreze qualquer força resultante externa agindo no conjunto menino+skate+bola. 2. (Unesp 2021) A figura mostra uma visão aérea de uma curva de um autódromo e um mesmo carro de corrida, de massa em duas posições, A e B, com velocidades tangenciais, respectivamente, e em direções que fazem entre si um ângulo de Sabendo que o módulo da variação da quantidade de movimento desse carro, entre as posições A e B, é: a) b) c) d) e) 3. (Fmc 2021) Um tenista rebate uma bola de tênis de massa que lhe foi arremessada pelo seu adversário. A bola atinge a sua raquete horizontalmente, com uma velocidade de Ao ser rebatida, a bola retorna também horizontalmente, porém em sentido contrário, com uma velocidade de Sabendo que, durante o processo de rebatida, a bola permaneceu em contato com a raquete por um tempo aproximadamente igual a a intensidade da força média exercida pela raquete do rebatedor sobre a bola é a) b) c) d) e) TRABALHO MECÂNICO ENERGIA MECÂNICA TEOREMASDINÂMICA II 𝑊Ԧ𝐹 = 𝐹. 𝑐𝑜𝑠𝜃. 𝑑 𝑊 Ԧ𝐹 = 𝑁.𝑚 = 𝐽 Sinal do trabalho e denominação 0 ≤ 𝜃 < 90° 𝑊 Ԧ𝐹 > 0 MOTOR 𝜃 = 90° 𝑊 Ԧ𝐹 = 0 NULO 90° < 𝜃 ≤ 180° 𝑊 Ԧ𝐹 < 0 RESISTENTE CASOS ESPECIAIS DE CÁLCULO DO TRABALHO FORÇA DE INTENSIDADE VARIÁVEL Calcular o trabalho por meio da área do gráfico força X deslocamento. FORÇA PESO 𝑊𝑃 = ±𝑚. 𝑔.𝐻 FORÇA ELÁSTICA 𝑊Ԧ𝐹𝑒𝑙 = ± 𝑘. 𝑥2 2 FORÇA RESULTANTE Calcular pela soma dos trabalhos de cada força aplicada no corpo. Energia cinética 𝐸𝑐𝑖𝑛 = 𝑚. 𝑣2 2 Energia potencial gravitacional 𝐸𝑃𝑔 = 𝑚.𝑔.𝐻 Energia potencial elástica 𝐸𝑃𝑒𝑙 = 𝑘. 𝑥2 2 Energia Mecânica 𝐸𝑀𝐸𝐶 = 𝐸𝑐𝑖𝑛 + 𝐸𝑃𝑜𝑡 TEC 𝑊𝑅 = ∆𝐸𝑐𝑖𝑛 Resultante TEP 𝑊 Ԧ𝐹𝐶 = ∆𝐸𝑝𝑜𝑡 Forças conservativas TEM 𝑊Ԧ𝐹𝑁𝐶 = ∆𝐸𝑀𝐸𝐶 Forças não conservativas POTÊNCIA 𝑃 Ԧ𝐹 = 𝑊 Ԧ𝐹 ∆𝑡 𝑃 Ԧ𝐹 = 𝐽 𝑠 = 𝑊 𝑃 Ԧ𝐹 = 𝐹. 𝑐𝑜𝑠𝜃. 𝑣 á𝑟𝑒𝑎 → 𝑊 Ԧ𝐹 (instantânea) (gráfico P x t) 𝑃𝑄𝐴 = 𝑑. 𝑧. 𝑔. 𝐻 (queda d'água) CASO ESPECIAL: Sistema Conservativo 𝑊Ԧ𝐹𝑁𝐶 = 0 → 𝐸𝑀𝐸𝐶 𝑖 = 𝐸𝑀𝐸𝐶 𝑓 Obs.: forças não conservativas podem estar presentes, mas não realizam trabalho. QUANTIDADE DE MOVIMENTO E IMPULSO 𝑄 = 𝑚. Ԧ𝑣 Ԧ𝐼 = Ԧ𝐹. ∆𝑡 𝑄 = 𝑘𝑔.𝑚/𝑠 𝐼 = 𝑁. 𝑠 Teorema do Impulso Ԧ𝐼 = ∆𝑄 CASO ESPECIAL: Sistema Isolado 𝑅𝑒𝑥𝑡 = 0 → Ԧ𝐼𝑒𝑥𝑡 = 0 → 𝑄𝑖 = 𝑄𝑓 COLISÕES UNIDIMENSIONAIS Tipos 𝑸 𝑬𝑴𝑬𝑪 𝒆 ELÁSTICA 𝑄𝑖 = 𝑄𝑓 𝐸𝑀𝑖 = 𝐸𝑀𝑓 1 PARC. ELÁST. 𝑄𝑖 = 𝑄𝑓 𝐸𝑀𝑖 > 𝐸𝑀𝑓 * INELÁSTICA# 𝑄𝑖 = 𝑄𝑓 𝐸𝑀𝑖 > 𝐸𝑀𝑓 0 Modelos clássicos: colisões e explosões 𝑒 = 𝑣𝐵´ − 𝑣𝐴´ 𝑣𝐴 − 𝑣𝐵 Coeficiente de restituição Pela definição: 0 ≤ 𝑒 ≤ 1 ∗ 𝟎 < 𝒆 < 𝟏# Corpos ficam “juntos” (VA = VB) após a colisão. CASO: colisões unidimensionais horizontais Ԧ𝐼 → á𝑟𝑒𝑎 𝑔𝑟á𝑓𝑖𝑐𝑜 𝐹𝑥𝑡 FORÇAS: CASOS ESPECIAIS Força elástica (𝑭𝒆𝒍) Força de Atrito (𝒇𝒂𝒕) 𝐹𝑒𝑙 = 𝑘𝑥 𝑘 = 𝑁/𝑚 Polias ideais Resultante centrípeta (𝑭𝒄𝒑) 𝐹𝑐𝑝 = 𝑚. 𝑣2 𝑅 = 𝑚.𝜔2. 𝑅 - Marque as forças aplicadas no corpo; - Identifique quais forças radiais configuram a resultante centrípeta. - Escreva a equação da resultante centrípeta. 𝑷 𝑭 𝐹 = 𝑃 2𝑵 N – no. de polias móveis 𝑭𝒆𝒍 Mola comprimida: “empurra” Mola esticada: “puxa” Mola livre: não há força 𝑷 𝟐 𝑷 𝟒 No exemplo, para sustentar P, basta uma força P/4. Efeito de compensação: ao puxar a corda de L, o bloco sobe L/4. A conclusão é semelhante para outro número de polias móveis. 𝑓𝑎𝑡 F REPOUSO MOVIMENTO 𝜇𝐸 > 𝜇𝐶 𝑓𝑎𝑡𝑀 𝐸𝑆𝑇 = 𝜇𝐸. 𝑁 𝑓𝑎𝑡 𝐷𝐼𝑁 = 𝜇𝐷. 𝑁 𝑷 𝟒 𝑭 = 𝑷 𝟒 No repouso: fat = F (força aplicada ao corpo) Ԧ𝐹 fat sempre oposta ao escorregamento Plano Inclinado θ𝑷 𝑵 𝑃𝑋 = 𝑃. 𝑠𝑒𝑛𝜃 𝑃𝑌 = 𝑃. 𝑐𝑜𝑠𝜃 𝑥𝑦 1- Corpos na rampa “parecem mais leves” 2- Eixo x paralelo à rampa; 3- Decompor o Peso 4- Equacionar o problema. Após decompor, analise todas as forças presentes em cada eixo. DISPOSITIVOS e Forças Balanças em elevadores • Balanças de piso sempre medem a intensidade da normal. • A normal (N) é quem nos dá a sensação de peso. • A intensidade da normal pode se alterar em função da aceleração apresentada pelo elevador. • Como converter a leitura da balança para quilogramas (m*): 𝑁 = 𝒎∗.𝒈 𝑵 𝑷 Movimentos verticais do elevador aceleração normal resultante Sensação de 𝑎 = 0 𝑁 = 𝑃 𝐹𝑅 = 0 Peso “normal” 𝑎 ≠ 0 𝑵 > 𝑃 𝑵 − 𝑃 = 𝑚. 𝑎 “Mais pesado” 𝑎 ≠ 0 𝑁 < 𝑷 𝑃 − 𝑵 = 𝑚. 𝑎 “Mais leve” 𝑎 = 𝑔 𝑵 = 0 𝐹𝑅 = 𝑷 “Ausência de peso” 𝑷 𝑵 𝐹𝑐𝑝 = 𝑃 + 𝑁 Exemplo: 3 Condição – limite ou crítica: força de contato (N, T, Fel...) tende a zero! Encontra-se assim vMAX ou vMIN, conforme o caso. 𝑃𝑥𝑃𝑦 Força de resistência do ar (𝑭𝒂𝒓) 𝑷 𝐹𝑎𝑟 = 𝑏. 𝑣 𝐹𝑎𝑟 = 𝑏. 𝑣2 (*) (*) 𝑭𝒂𝒓 sempre oposta a Ԧ𝑣 𝒗 Velocidade limite: ocorre quando 𝑃 = 𝐹𝑎𝑟* A escolha da equação depende do contexto. 𝑏 = 𝑘𝑔/𝑠 𝑏 = 𝑘𝑔/𝑚 Obs.: se F ≠ 𝑃 2𝑵 , o sistema apresenta aceleração (para cima ou para baixo), dependend o do valor de F. No equilíbrio: 𝑭𝒆𝒍 = 𝟎 Prof. Venê ™ 𝑭𝒆𝒍 𝒇𝒂𝒕 𝑭𝒂𝒓 SPI , M SP mF I g , t Δ Δ = m t Δ Δ g 5 FM 6,0 10 kg= ´ 3m 2,0 10 kg s, t Δ Δ = ´ SPI bm 0,4 kg= bv 5m s= sm 50 kg,= 800 kg, AV ! BV , ! 120 .° A BV V 90 km h,= = ! ! kg m10000 s × kg m10000 3 s × ´ kg m20000 2 s × ´ kg m20000 3 s × ´ kg m20000 s × 2m 6,0 10 kg-= ´ 70m s. 50m s. 36,0 10 s,-´ 30,1 10 N´ 30,2 10 N´ 30,6 10 N´ 30,7 10 N´ 31,2 10 N´ 2 4. (Acafe 2021) Em uma simulação de colisão, esquematizada da figura abaixo, um carro a transportando um boneco de bate frontalmente com uma parede. O tempo de colisão foi de A alternativa correta que apresenta o módulo da força média que o cinto de segurança exerce sobre o boneco durante a colisão, em Newtons, é: a) 16000 b) 7200 c) 20000 d) 2000 5. (Fgv 2021) Uma bola de massa é solta, a partir do repouso, de uma altura igual a Após colidir com o solo, a bola sobe verticalmente até a altura de Considerando-se a aceleração gravitacional igual a e desprezando-se a resistência do ar, a intensidade do impulso recebido pela bola na colisão com o solo foi de a) b) c) d) e) 6. (Ufjf-pism 1 2020) O poço do elevador é o espaço físico situado abaixo do nível do andar mais baixo de um edifício. Neste poço, estão instalados diversos equipamentos destinados ao funcionamento e segurança dos elevadores, entre eles uma mola.Por causa de um problema técnico, este elevador cai pelo poço e colide com a mola situada no fundo do poço, comprimindo-a. Considere a constante elástica da mola como e a massa do elevador com os passageiros igual a a) Sabendo que a compressão máxima da mola nessa colisão foi de calcule a velocidade do elevador no instante inicial da colisão com a mola. b) Após iniciada a colisão, o elevador para em Calcule a força média resultante sofrida pelo elevador durante a compressão da mola. 7. (Ufms 2020) Se você usa redes sociais já deve ter assistido a alguns memes. Alguns desses memes nos fazem dar muitas risadas e, em algumas situações, ficar um pouco apavorados, principalmente quando os vídeos tratam de disparos de armas de fogo. Os vídeos em questão, na maioria das vezes, mostram uma pessoa atirando com um rifle ou pistola e sendo “empurrada” para trás, por vezes chegando a sofrer uma queda. Em outros vídeos ainda, a arma “salta” de suas mãos sem a pessoa ter tempo de reação. Isso acontece por um processo chamado “recuo”. A arma que possui o maior recuo do mundo é o rifle .577 TYRANOSSAUR, desenvolvido no ano de 1993 pela empresa americana A-SQUARE COMPANY, para ser usado por guias profissionais em safáris. O rifle pesa cerca de e usa um cartucho de que quando disparado horizontalmente viaja a uma velocidade de Considerando os dados do rifle TYRANOSSAUR, calcule aproximadamente em metros por segundos a velocidade de seu recuo. (Texto adaptado de https://1911armasdefogo.com/2012/12/08/fuzil-577- tyrannosaur/#more. Acesso em: 30 out. 2019). a) b) c) d) e) 8. (Unifesp 2020) Um foguete de massa partiu do repouso da posição no solo horizontal, e subiu verticalmente, monitorado por um radar que o seguiu durante determinado trecho de seu percurso, mantendo-se sempre apontado para ele. A figura 1 mostra o foguete na posição a de altura, com a linha que liga o radar a ele inclinada de um ângulo em relação à horizontal. Para acompanhar o foguete no trecho o radar girou ao redor de um eixo horizontal que passa por ele, com velocidade angular média Um pouco mais tarde, ao passar pela posição com velocidade de o primeiro estágio do foguete (de cor azul, nas figuras), de massa desacoplou-se do restante do veículo. Imediatamente após o desacoplamento, devido à ação de forças internas, a velocidade escalar do primeiro estágio foi reduzida a na mesma direção e sentido da velocidade do foguete no trecho conforme mostra a figura 2. Considerando a massa total do foguete constante, calcule: a) a velocidade escalar média do foguete, em no trecho de sua subida vertical. b) a velocidade escalar instantânea do foguete, em sem o primeiro estágio, imediatamente após o desacoplamento ocorrido na posição 90 km h, 80 kg, 0,10 s. 60 g 80 cm. 45 cm. 210 m s 0,12N s.× 0,21N s.× 0,35N s.× 0,42N s.× 0,64 N s.× 6k 1,8 10 N m= ´ 1000 kg. 10 cm, 0,2 s. 4 kg 0,049 kg 2.700 km h. 15,6 m s. 18,3 m s. 196m s. 9,1m s. 6,7 m s. M A, B, 8.500m 1radα = AB, méd 0,02 rad s.ω = C, 4.600 km h, M, 3 3.000 km h, AB, (M) m s, AB cv m s, C. 3 9. (Ueg 2020) Um garoto de está em pé sobre um skate de em repouso. O garoto possui uma mochila em suas costas de Para ganhar impulso ele joga essa mochila para frente com velocidade de Desconsiderando o atrito, qual será a velocidade, aproximadamente, de recuo adquirida pelo garoto sobre o skate, em a) 21,0 b) 15,0 c) 6,70 d) 1,70 e) 0,13 10. (Uerj 2020) Observe no gráfico a variação, em newtons, da intensidade da força aplicada pelos motores de um veículo em seus primeiros de deslocamento. Nesse contexto, a intensidade do impulso da força, em equivale a: a) b) c) d) 11. (Fgv 2020) Uma criança de massa estava em pé no centro de uma prancha plana, de massa que flutuava em repouso na superfície da água de uma piscina. Em certo instante, a criança saltou, na direção do comprimento da prancha, com velocidade horizontal constante de em relação ao solo, ficou no ar por e caiu na piscina a da extremidade da prancha. De acordo coma as informações e desprezando as perdas de energia, o comprimento dessa prancha é a) b) c) d) e) TEXTO PARA A PRÓXIMA QUESTÃO: As agências espaciais NASA (norte-americana) e ESA (europeia) desenvolvem um projeto para desviar a trajetória de um asteroide através da colisão com uma sonda especialmente enviada para esse fim. A previsão é que a sonda DART (do inglês, “Teste de Redirecionamento de Asteroides Duplos”) será lançada com a finalidade de se chocar, em 2022, com Didymoon, um pequeno asteroide que orbita um asteroide maior chamado Didymos. 12. (Unicamp 2020) Numa colisão inelástica da sonda DART com o asteroide Didymoon, a) a energia cinética do conjunto sonda + asteroide é conservada e o momento linear do conjunto também é conservado. b) a energia cinética do conjunto sonda + asteroide não é conservada; já o momento linear do conjunto é conservado. c) a energia cinética do conjunto sonda + asteroide é conservada; já o momento linear do conjunto não é conservado. d) a energia cinética do conjunto sonda + asteroide não é conservada e o momento linear do conjunto também não é conservado. 38 kg 2,0 kg 3,0 kg. 2,0 m s. cm s? F 9 s N s,× 41,8 10´ 42,7 10´ 43,6 10´ 44,5 10´ 40 kg 12 kg, 0,6m s 1,0 s 1,7 m 0,9 m. 1,2m. 1,6 m. 1,8 m. 2,2 m. 4 Gabarito: Resposta da questão 1: a) Na iminência de o foguete adquirir movimento vertical, as intensidades da força obtida pelo motor do foguete e a do peso do foguete são iguais. b) Como a resultante das forças externas é nula, o sistema é mecanicamente isolado, havendo conservação da quantidade de movimento linear do sistema, que é inicialmente nula. Resposta da questão 2: [E] Componentes da quantidade de movimento para os carros: Logo: Resposta da questão 3: [E] O Teorema do Impulso nos fornece uma relação entre a quantidade de movimento e a força média por meio do impulso. Assim, isolando a força média, temos: Substituindo os valores fornecidos e considerando o sentido positivo a rebatida na bola (lembre-se que estamos diante de grandezas vetoriais), obtém-se: Resposta da questão 4: [C] Velocidade inicial do boneco: Temos que o impulso equivale à variação da quantidade de movimento. Sendo assim: Resposta da questão 5: [D] Velocidade com a qual a bola atinge o solo: Velocidade da bola imediatamente após o choque com o solo: Considerando o sentido da velocidade para cima como positivo, o impulso recebido pela bola foi de: Resposta da questão 6: a) Usando o Princípio da conservação de energia mecânica entre o ponto em que o elevador cai e ponto de compressão máxima da mola, tomado como cota de altura zero, determinamos a altura de o elevador cai. Com o ponto em que o elevador começa a cair (ponto A) e quando ele colide com a mola (ponto B), podemos determinar a velocidade com a qual o elevador colidiu com a mola, usando também o Princípio da conservação de energia mecânica b) Pelo teorema do impulso, temos: Logo, a força média, em módulo, sofrida pelo elevador durante a compressão da mola foi de atuando na vertical para cima. Resposta da questão 7: [D] 5 2F M F SP F SP SP SP3 Mm 6 10F P I g M g I I I 3,0 10 s mt 2 10t Δ ΔΔ Δ ´ = Þ = Þ = Þ = Þ = ´ ´ final incial s b s b s bQ Q 0 Q Q 0 Q Q Q Q = = Þ + = Þ = - Þ = - Þ ! ! ! ! ! ! ! !! ! 2b b s r b b r r r s m v 0,4 5m v m v v v v 4,0 10 m s m 50 -´= Þ = Þ = Þ = ´ x x y y x x y y A A A A B B B B Q 800 25 cos30 Q 10000 3 kg m s Q 800 25 sen30 Q 10000 kg m s Q 800 25 cos30 Q 10000 3 kg m s Q 800 25 sen30 Q 10000 kg m s ì=× × °ì = ×ï ïÞí í= - × × ° = - ×ï ïî î ì= × × °ì = ×ï ïÞí í= × × ° = ×ï ïî î ( ) x x x x x B A x yy B A 2 2 2 2 x y Q Q Q 10000 3 10000 3 Q 0 kg m s Q 20000 kg m sQ Q Q 10000 10000 Q Q Q 0 20000 Q 20000 kg m s Δ Δ ΔΔ Δ Δ Δ Δ ì = - = - = ×ìï ïÞí í = ×= - = - - ïï îî = + = + \ = × I QΔ= m f i I Q F t Q Q Δ Δ× = - !"# !$"$# ( )m f iF t m v vΔ× = - ( )f i m m v v F tΔ - = ( )( )2 3 m m3 6,0 10 kg 50 m s 70 m s F F 1200 N 1,2 10 N 6,0 10 s - - ´ - - = \ = = ´ ´ 0v 90 km h 25m s= = 0I Q F t 0 mv F 0,1 80 25 F 20000 N Δ Δ= Þ = - × = × \ = 2 2 0 1v v 2a s 0 2 10 0,8 v 4 m sΔ= + = + × × Þ = 2 2 2 0 2 2v v 2a s 0 v 2 10 0,45 v 3m sΔ= + Þ = - × × Þ = ( ) ( )2 1I Q m v v 0,06 3 4 I 0,42 N s Δ é ù= = - = × - -ë û \ = × ( )262 2 2 1,8 10 N m 0,1mkx kxmgh h h h 0,9 m 2 2mg 2 1000 kg 10 m / s ´ × = Þ = Þ = \ = × × ( ) ( ) ( ) 2 22 A B A B mvmgh mgh v 2g h h v 2 10m s 0,9 m 0,1m v 16 m s 4m s 2 = + Þ = - Þ = × - \ = = ( ) ( ) ( ) f i m f i m 4 m m m v v I Q F t m v v F t 1000 kg 0 4 m s F F 20000 N 2 10 N 20 kN 0,2 s Δ Δ Δ × - = Þ × = × - \ = × - = \ = - = - × = - 20 kN 5 Por conservação da quantidade de movimento, temos: Resposta da questão 8: a) Tempo gasto na trajetória Velocidade média no trecho b) Por conservação da quantidade de movimento: Resposta da questão 9: [B] Por conservação da quantidade de movimento, obtemos: Resposta da questão 10: [C] O módulo do impulso da força média aplicada pelos motores no intervalo de tempo dado é: Para o gráfico dado, o módulo do impulso representa a área sob a curva, isto é, a área do trapézio. Assim: Resposta da questão 11: [D] Por conservação da quantidade de movimento, podemos determinar a velocidade da prancha: Deslocamentos horizontais da criança e da prancha: Tal situação está representada na figura abaixo: Logo: Resposta da questão 12: [B] Como a colisão é inelástica, há perda de energia devido à deformação entre os corpos, e também é possível que haja perdas por transformação na energia cinética em térmica, sonora, etc. E por se constituir em um sistema isolado, há conservação do momento linear do conjunto. ( ) início fim rifle cartucho rifle recuo cartucho bala recuo recuo recuo Q Q M M 0 M V M V 27000 4V 0,049 3,6 4V 36,75 V 9,1m s = + × = × + × = + × - = \ = AB : méd 10,02 t t t 50 s αω Δ Δ Δ = Þ = = AB : méd méd s 8500v t 50 v 170 m s Δ Δ = = \ = inicial final 0 1 c c c Q Q M 2MM v v v 3 3 1 24600 3000 v 3 3 v 5400 km h 1500 m s = × = × + × = × + × \ = = ( ) ( ) início fim G S M 0 G S G M M G G G Q Q M M M v M M V M V 43 0 40V 2 3 V 0,15 m s V 15 cm s = + + = + + × = + × = - \ = = ×I F tΔ ( ) ´= = + × \ = ´ × = ´ × 3 3 46 10 NI área 9 s 3 s I 36 10 N s 3,6 10 N s 2 início fim c c p p p p Q Q 0 m v m v 0 40 0,6 12 v v 2 m s = = + = × + × = - c c c p p p x v t 0,6 1 x 0,6 m x v t 2 1 x 2m Δ Δ = = × Þ = = = - × Þ = - L 0,6 0,3 2 L 1,8 m = + \ =
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