Equilíbrio de Corpos em Física

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Estática dos sólidos – Parte 4
Física
1o bimestre – Aula 04
Ensino Médio
2a
SÉRIE
2024_EM_B1_V1
Estática dos sólidos.
Identificar e compreender as condições de equilíbrio de corpos extensos apoiados em algumas superfícies;
Diferenciar e compreender os conceitos de equilíbrio estável, instável e indiferente de um corpo material.
Conteúdo
Objetivos
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(EM13CNT204) Elaborar explicações, previsões e cálculos a respeito dos movimentos de objetos na Terra, no Sistema Solar e no Universo com base na análise das interações gravitacionais, com ou sem o uso de dispositivos e aplicativos
digitais (como softwares de simulação e de realidade virtual, entre outros).
Para ilustrar a importância do centro de gravidade no equilíbrio dos corpos, podemos realizar a seguinte dinâmica interessante em sala de aula: convida-se três estudantes para participar de atividades práticas. O primeiro estudante é desafiado a tocar os pés com as mãos sem dobrar os joelhos.
Situação-problema
Ilustração de um estudante em equilíbrio, tocando os pés com as mãos.  
Fonte: elaborado para o material.
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Para começar
O segundo estudante deve se equilibrar em um só pé, afastando a outra perna o máximo possível da perna apoiada no chão. 
Situação-problema
Por fim, o terceiro estudante é desafiado a ficar de pé na ponta dos pés, com os calcanhares elevados. 
Ilustração de estudante se equilibrando apenas com uma perna.  Fonte: elaborado para o material.
Ilustração de um estudante se equilibrando na ponta dos pés.  Fonte: elaborado para o material.
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Para começar
Agora, os desafios serão maiores. O primeiro estudante é desafiado a repetir o movimento, porém, com as costas e calcanhares contra a parede.
Situação-problema
Já o segundo, deve fazer o mesmo exercício proposto anteriormente, mas agora com um pé e um ombro em contato com a parede. 
Ilustração de estudante, com costas e calcanhares encostados na parede, tentando tocar os pés com as mãos. Fonte: elaborado para o material.
Ilustração de um estudante tentando se equilibrar afastando uma perna da outra, mas com um pé e um ombro encostado na parede. Fonte: elaborado para o material.
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Para começar
Por fim, o terceiro estudante deve se manter na posição vertical, com a ponta dos pés e o nariz tocando a parede. 
Situação-problema
Será que os mesmos estudantes que se saíram bem na primeira dinâmica repetirão o feito na segunda? Explique, caso a caso, o que você acha que ocorrerá com os estudantes na segunda dinâmica.
Ilustração de um estudante tentando se equilibrar com a ponta 
dos pés e o nariz tocando a parede. Fonte: elaborado para o material.
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Para começar
Nas figuras a seguir, observamos a representação de uma barra homogênea apoiada sobre uma mesa. 
Equilíbrio de corpos apoiados
Mesa
Barra
Barra
Mesa
CG
CG
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Foco no conteúdo
Na ilustração à esquerda, a linha de ação do peso da barra (uma reta vertical passando pelo centro de gravidade do objeto) intercepta a região de apoio da mesa. Nessas circunstâncias, a barra mantém sua estabilidade, sem tombar. Porém, na representação à direita, a linha de ação do peso da barra não alcança a região de apoio da mesa, levando ao tombamento da barra logo após ser colocada nessa posição.
Equilíbrio de corpos apoiados
Mesa
Barra
Barra
Mesa
CG
CG
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Foco no conteúdo
Nas duas figuras seguintes, percebemos diferentes formas de apoiar um mesmo bloco em uma superfície. Imagine a linha de ação do centro de gravidade em cada um dos casos.
Equilíbrio de corpos apoiados
Bloco
Bloco
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Foco no conteúdo
Na imagem à esquerda, o bloco é posicionado sobre o plano inclinado de uma maneira em que não ocorre o tombamento do bloco. Isso acontece porque a linha de ação do centro de gravidade do bloco intercepta a região em contato com o plano inclinado. Entretanto, na figura à direita, essa linha do centro de gravidade não alcança a região de contato com plano inclinado, resultando no tombamento do bloco.
Equilíbrio de corpos apoiados
Bloco
Bloco
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Foco no conteúdo
Equilíbrio estável, instável e indiferente
A posição de equilíbrio estático de um corpo é considerada estável quando, ao ser ligeiramente deslocado de sua posição inicial, a resultante das forças exercidas no corpo atua para trazê-lo de volta a posição de equilíbrio, conforme ilustrado na figura a seguir:
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Foco no conteúdo
A posição de equilíbrio de um corpo é considerada instável quando, ao sofrer um pequeno deslocamento, a resultante das forças aplicada ao corpo atua para afastá-lo ainda mais da sua posição inicial, como ilustrado a seguir:
Equilíbrio estável, instável e indiferente
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Foco no conteúdo
A posição de equilíbrio estático é chamada de indiferente quando um corpo, após ser abandonado em uma certa posição e sofrer um pequeno deslocamento, permanece em equilíbrio, conforme ilustrado abaixo:
Equilíbrio estável, instável e indiferente
Superfície plana
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Foco no conteúdo
(UEL 1a fase 2019) Observe a figura a seguir e responda à questão:
Na figura, é possível observar esculturas construídas a partir da sobreposição de pedras. Com base em seus conhecimentos sobre equilíbrio e estática, é correto afirmar que cada uma das esculturas está em equilíbrio estático
Exercício proposto
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Na prática
a) instável, pois o momento de força atuante na pedra superior varia com o tempo.
b) estável, pois a resultante das forças que atuam sobre a última pedra é positiva.
c) instável, pois a resultante das forças que atuam sobre o conjunto das pedras é nula.
d) estável, pois a resultante das forças que atuam sobre a primeira pedra é positiva.
e) instável, pois a resultante das forças que atuam sobre o conjunto das pedras é negativa.
Exercícios proposto
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Na prática
Segundo o enunciado do exercício, as esculturas de pedra estão em equilíbrio estático. A partir dessa afirmação, podemos concluir que a resultante das forças atuantes em cada escultura é nula. Além disso, as esculturas estão em um equilíbrio instável, pois um pequeno deslocamento em qualquer uma das pedras impediria seu retorno à situação inicial.
Portanto, a alternativa correta para essa questão é a letra C.
Correção
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Na prática
Retomem a atividade indicada na seção "Para começar" e explique novamente, com base nos conhecimentos adquiridos nesta aula, porque os três estudantes perderam o equilíbrio ao tentarem executar os movimentos propostos pelo professor. 
Retomando e aprofundando conhecimentos
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Aplicando
O primeiro estudante não consegue tocar os pés com as mãos porque, quando ele encosta na parede e abaixa os braços e o tórax, a projeção vertical do seu centro de gravidade fica fora da região ocupada pelos pés. Isso ocorre porque a parede impede que o quadril vá para trás. Assim, o estudante se desequilibra e não consegue tocar os pés com as mãos.
Situação-problema – Correção
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Aplicando
Quando o segundo estudante estiver encostado de lado a uma parede, com o pé e o ombro também encostados, e afastar lateralmente a outra perna, a tendência é que a parte superior do seu corpo se afaste para o outro lado. Porém, a parede impedirá que ele realize esse movimento, deslocando a posição do seu centro de gravidade. Assim, a projeção vertical do centro de gravidade do estudante não interceptará a região ocupada por seu pé e, por conta disso, o aluno perderá o equilíbrio. 
Situação-problema – Correção
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Aplicando
Já o terceiro estudante não consegue ficar equilibrado porque a parede impede que o tórax e a cabeça se desloquem para frente, e isso faz com que a projeção vertical do seu centro de gravidade fique na frente da ponta dos pés, fazendo com que o estudante perca o equilíbrio.
Situação-problema – Correção
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Aplicando
Identificamos e compreendemos as condições de equilíbriode corpos extensos apoiados em algumas superfícies;
Aprendemos a diferenciar e compreender os conceitos de equilíbrio estável, instável e indiferente de um corpo material.
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O que aprendemos hoje?
Lemov, Doug. Aula nota 10: 49 técnicas para ser um professor campeão de audiência. Trad. Leda Beck; consultoria e revisão técnica de Guiomar N. de Mello e Paula Louzano. São Paulo : Da Prosa: Fund. Lemann, 2011.
VILLAS BÔAS, Newton; HELOU, Ricardo; DOCA, Ronaldo; FOGO, Ronaldo. Tópicos de Física 1: Conecte Live. 3. ed. São Paulo: Editora Saraiva, 2018.
Slides 3 a 13 e 17 a 20 – Imagens elaboradas para o material.
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Referências
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