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FÍSICA 1C Professor: Gustavo Gil da Silveira Slides baseados no material do Prof. Leandro Langie OS SLIDES NÃO SUBSTITUEM OS LIVROS! SÃO APENAS UM RESUMO PARA USAR COMO GUIA! Aula 014 2 CAPÍTULO IX Dinâmica do Movimento circular Aula 014 3 • Velocidade: – Magnitude: constante = 𝑣 – Direção sempre tangente ao círculo • Aceleração: – Magnitude: 𝑎! = "! # – Dirigida ao centro • Período: – Tempo para uma revolução completa da partícula r vac 2 = 9.1 – Relembrando o movimento circular uniforme: 𝑇 = 2𝜋𝑅 𝑣 CAPÍTULO 9 – DINÂMICA DO MOVIMENTO CIRCULAR �⃗�! ⊥ �⃗� Aula 014 4 • Aceleração: – Magnitude: 𝑎! = "! # – Dirigida ao centro. • Força: – Da 2a lei de Newton: – Magnitude: – Dirigida ao centro r vac 2 = 9.2 – Força centrípeta: �⃗�$%& = 𝑚�⃗� �⃗�$%& = 𝐹$%& = 𝑚𝑎! = 𝑚 𝑣' 𝑅 �⃗�$%& = �⃗�! �⃗�! ⊥ �⃗� �⃗�$%& ⊥ �⃗� �⃗�$%& ∥ �⃗� �⃗�$%& �⃗�$%& �⃗�$%& CAPÍTULO 9 – DINÂMICA DO MOVIMENTO CIRCULAR Aula 014 5 O que é a força centrípeta? Ø A Força centrípeta NÃO É uma “nova espécie” de força Ø O termo “centrípeta” é um adjetivo dado à uma força (ou somatório de forças) que mantém um corpo em movimento circular com aceleração centrípeta 𝐹! = 𝑚 𝑣' 𝑅 CAPÍTULO 9 – DINÂMICA DO MOVIMENTO CIRCULAR Aula 014 6 Qual é a velocidade de um satélite 𝑠, de massa 𝑚, que está em órbita circular a uma distância 𝑅 do centro de um planeta 𝑃? 9.3 – Exemplos de aplicação da força no movimento circular: 9.3.1 – Satélite em órbita: Órbita circular periódica: 𝐹$%& = 𝑚𝑎! = 𝑚 𝑣' 𝑅 𝐹$%& = 𝐹! 𝑚 𝑀 𝑅 �⃗�( −�⃗�( CAPÍTULO 9 – DINÂMICA DO MOVIMENTO CIRCULAR Aula 014 7 𝐺 𝑀 𝑅 = 𝑣' 𝑣 = 𝐺𝑀 𝑅 (não depende de 𝑚!) Força gravitacional faz o papel de força centrípeta: 𝐺 𝑚𝑀 𝑅' = 𝑚 𝑣' 𝑅 CAPÍTULO 9 – DINÂMICA DO MOVIMENTO CIRCULAR Aula 014 8 9.3.2 – Carro no loop: (Exemplo real em http://www.youtube.com/watch?v=pFC5snGZeS0) Um dublê precisa fazer uma cena para um filme de ação onde o carro que ele pilota deve completar um loop de raio 𝑅. a) Determine a 𝐹$%& sobre o carro quando ele estiver na base do loop e no topo do loop. b) Calcule a velocidade mínima 𝑣DEF que o carro deve ter para completar o loop sem cair. CAPÍTULO 9 – DINÂMICA DO MOVIMENTO CIRCULAR Aula 014 9 http://www.youtube.com/watch?v=pFC5snGZeS0 Carros em trajetória de loop @Nahiana https://www.youtube.com/watch?v=ts1c1q3IWzg CAPÍTULO 9 – DINÂMICA DO MOVIMENTO CIRCULAR Aula 014 10 https://www.youtube.com/@Nahiana https://www.youtube.com/watch?v=ts1c1q3IWzg 𝑃 𝑁 𝑃 𝑁 No topo: 𝐹$%& = −𝑚g − 𝑁 = −𝐹! 𝑁 +𝑚g = 𝑚𝑣' 𝑅 Na base: 𝐹$%& = −𝑚g + 𝑁 = 𝐹! 𝑁 −𝑚g = 𝑚𝑣' 𝑅 𝑥 𝑦 centro Comparando as relações no topo e na base, vemos que, se o carro mantém 𝑣 constante, então a força 𝑁 deve ser menor no topo e maior na base do loop. centro CAPÍTULO 9 – DINÂMICA DO MOVIMENTO CIRCULAR Aula 014 11 Quando o carro estiver na iminência de perder contato com a pista, o carro estará prestes a sair da trajetória circular e não conseguirá mais fazer o loop. Então a velocidade do carro não pode ser menor do que aquela correspondente ao caso onde 𝑁 = 0 no topo do loop. 𝑁 +𝑚g = 𝑚𝑣' 𝑅 0 +𝑚g = 𝑚𝑣' 𝑅 𝑣 = g𝑅 (não depende de 𝑚!) CAPÍTULO 9 – DINÂMICA DO MOVIMENTO CIRCULAR Aula 014 12 Um pêndulo cônico consiste em uma partícula de massa 𝑚 presa a um fio ideal de comprimento 𝑙. Esse pêndulo oscila de modo que a partícula descreve um círculo horizontal com velocidade constante 𝑣, enquanto o fio forma um ângulo 𝜃 constante com a vertical. 9.3.3 – O pêndulo cônico: Para um pêndulo desse tipo, onde 𝑚 = 5,0 kg, 𝑙 = 5,0 m e a partícula descreve um círculo de raio 2,0 m, calcule quais serão a velocidade 𝑣 da partícula e o ângulo 𝜃 formado entre o fio e a direção vertical. 𝜃 𝑅 𝑚 𝑙 CAPÍTULO 9 – DINÂMICA DO MOVIMENTO CIRCULAR Aula 014 13 𝑃 𝑇 𝑃 𝜃 𝑇 cos 𝜃 𝑇 sen 𝜃 𝑥 𝑦 𝐹$%&,H = 𝑇 cos 𝜃 −𝑚g = 0 𝑇 = 𝑚g cos 𝜃 𝐹$%&,I = 𝑇 sen 𝜃 = 𝑚𝑎! 𝑇 sen 𝜃 = 𝑚 𝑣' 𝑅 𝑚g cos 𝜃 sen 𝜃 = 𝑚 𝑣' 𝑅 𝑅g tg 𝜃 = 𝑣' Desempenha a função de força centrípeta CAPÍTULO 9 – DINÂMICA DO MOVIMENTO CIRCULAR Aula 014 14 𝑇 𝑃 𝜃 Eq.[1] 𝑣 = 𝑅g tg 𝜃 Eq.[2] 𝑣 = 2,926238201661023 m/s ≈ 2,9 m/s 𝑣 = 2,0 m 9,81 m/s' 0,436435780471985 𝜃 = arcsen 0,4 = 23,578178478201831° ≈ 24° sen 𝜃 = 𝑅 𝑙 = 2,0 m 5,0 m = 0,4𝜃 𝑅 𝑙 CAPÍTULO 9 – DINÂMICA DO MOVIMENTO CIRCULAR Aula 014 15 Lembrando que temos um triângulo formado pela corda: 𝑣 = 2,0 m 9,81 m/s' tg 23,578178478201831° Assim, teremos para a velocidade da Eq. [2]: 9.3.4 – Curva numa estrada plana (com atrito): Um carro faz uma curva circular horizontal de raio 𝑅 = 35,0 m, mantendo o módulo da sua velocidade constante. Sabendo que o coeficiente de atrito estático 𝜇𝑒 entre os pneus e a pista é 0,900, calcule qual é a máxima velocidade que o carro pode ter sem “sair pela tangente” na curva? CAPÍTULO 9 – DINÂMICA DO MOVIMENTO CIRCULAR Aula 014 16 Capítulo 5 – Aplicações das leis de Newton 169 O carro do Exemplo 3.11 (Seção 3.4) está fazendo uma curva com raio R em uma estrada plana (Figura 5.33a). Se o coefi- ciente de atrito estático entre os pneus e a estrada for igual a ms, qual é a velocidade máxima vmáx com a qual o carro pode completar a curva sem deslizar? SOLUÇÃO IDENTIFICAR E PREPARAR: a aceleração do carro enquanto faz a curva possui módulo arad ! v2/R. Logo, a velocidade escalar máxima vmáx (nossa variável-alvo) corresponde à aceleração má- xima arad e à força horizontal máxima sobre o carro no sentido do centro de sua trajetória circular. A única força horizontal que atua sobre o carro é a força de atrito exercida pela estrada. Por- tanto, necessitaremos da segunda lei de Newton e do que apren- demos sobre a força de atrito na Seção 5.3. A Figura 5.33b mostra um diagrama do corpo livre para o carro, que inclui seu peso p ! mg e as duas forças exercidas pela es- trada: a força normal n e a força de atrito horizontal f. A força de atrito deve ser orientada para o centro do círculo para cau- sar a aceleração radial. Como o carro não se desloca na direção radial (ele não desliza no sentido do centro do círculo nem se afasta dele), a força de atrito é estática com um módulo máximo fmáx ! msn (Equação 5.4). EXECUTAR: a aceleração no sentido do centro da trajetória cir- cular é arad ! v2/R e não há aceleração vertical. Logo, temos gFx = f = marad = m v2 R gFy = n + 1-mg2 = 0 A segunda equação mostra que n ! mg. A primeira equação mostra que a força de atrito necessária para manter o carro em uma trajetória circular aumenta com a velocidade do carro. Porém, a força de atrito máxima disponível é fmáx ! msn ! msmg, e esta determina a velocidade máxima do carro. Substituindo f por msmg e v por vmáx na primeira equação, obtemos ms mg = m v 2 máx R então vmáx = "ms gR Como exemplo, se ms ! 0,96 e R ! 230 m, então vmáx = "10,962 19,8 m>s2 2 1230 m 2 = 47 m>s ou cerca de 170 km/h. Essa é a velocidade máxima para este raio. AVALIAR: se a velocidade do carro é menor do que vmáx ="ms gR, a força de atrito necessária é menor que o valor má- ximo possível fmáx ! msmg e o carro pode fazer a curva facil- mente. Se você tenta fazer a curva com velocidade maior que a velocidade máxima, o carro desliza. Você ainda pode descrever uma circunferência sem derrapar nessa velocidade mais alta, mas o raio teria de ser maior. Note que a aceleração centrípeta máxima (denominada “acele- ração lateral” no Exemplo 3.11) é igual a msg. Por isso, é melhor contornar uma curva em baixa velocidade, se a estrada está mo- lhada ou coberta de gelo (qualquer uma dessas situações pode reduzir o valor de ms e, portanto, msg). p = mg y x f n arad (a) Um carro contorna uma curva em uma estrada plana (b) Diagrama do corpo livre para o carro R Figura 5.33 (a) A situação. (b) Diagrama do corpo livre. EXEMPLO 5.21 CONTORNANDO UMA CURVAPLANA Para um carro se deslocando a uma certa velocidade, é possível inclinar o plano da curva (na direção transversal da pista) em um ângulo exato para que não seja necessário absolutamente nenhum atrito para manter o raio da curva do carro. Neste caso, o carro pode completar a curva sem deslizar, mesmo sobre uma pista com gelo. (A corrida de trenós se baseia nesse princípio.) Um engenheiro propõe reconstruir a curva do Exemplo 5.21, de modo que um carro com velocidade v possa completar a curva com segurança, mesmo quando não existe atrito (Figura 5.34a). Qual deve ser o ângulo b da inclinação lateral da curva? SOLUÇÃO IDENTIFICAR E PREPARAR: sem nenhum atrito, as únicas duas forças que atuam sobre o carro são seu peso e a força normal. Como a estrada é inclinada, a força normal (que atua perpendicu- larmente à superfície da estrada) possui um componente horizon- tal. Esse componente provoca a aceleração horizontal do carro no sentido do centro da trajetória curva do carro. Como forças e aceleração estão envolvidas, usaremos a segunda lei de Newton para achar a variável-alvo b. O diagrama do corpo livre (Figura 5.34b) é semelhante ao dia- grama do pêndulo cônico no Exemplo 5.20 (Figura 5.32b). A força normal que atua sobre o carro desempenha a função da força de tensão exercida pelo fio sobre o peso do pêndulo. EXECUTAR: a força normal é perpendicular ao plano da es- trada e faz um ângulo b com a vertical (Figura 5.34b). Logo, ela possui um componente vertical n cos b e um componente horizontal n sen b. A aceleração no sentido do eixo x é a acele- ração centrípeta, arad ! v2/R; não existe nenhuma aceleração na direção y. Portanto, as equações da segunda lei de Newton são gFx ! n sen b ! marad gFy ! n cos b " (–mg) ! 0 EXEMPLO 5.22 CONTORNANDO UMA CURVA INCLINADA (Continua) Book_SEARS_Vol1.indb 169 02/09/15 6:30 PM 𝐹$%&,H = 𝑁 −𝑚g = 0 𝑁 = 𝑚g 𝐹$%&,I = 𝑓R A velocidade máxima que o carro pode atingir é aquela na qual o valor máximo que o atrito estático pode suportar é igual à força centrípeta correspondente a tal velocidade. Para velocidades maiores, o atrito estático não consegue atingir o valor necessário para manter o carro na curva. Desempenha a função de força centrípeta 𝑃 𝑁 𝑓! CAPÍTULO 9 – DINÂMICA DO MOVIMENTO CIRCULAR Aula 014 17 𝑓! 𝑥 𝑦 𝑣 = 17,578822486162149 m/s ≈ 17,6 m/s = 63,4 km/h Num dia de chuva, a pista fica molhada e o coeficiente de atrito estático𝜇𝑒entre os pneus e a pista cai significativamente, podendo diminuir para 0,300 por exemplo. Considerando o mesmo carro e a mesma curva, calcule qual é a máxima velocidade que o carro pode ter sem sair da curva quando a pista está molhada. 𝑣 = 𝜇R𝑅g = (0,900)(35,0 m)(9,81 m/s') Não depende da massa! 𝑓RUVW = 𝑚𝑎! 𝜇R𝑚g = 𝑚 𝑣' 𝑅 CAPÍTULO 9 – DINÂMICA DO MOVIMENTO CIRCULAR Aula 014 18 𝑣 = 𝜇R𝑅g = 10,149137894422363 m/s ≈ 10,2 m/s = 36,7 km/h 9.3.5 – Curva “compensada” (estrada inclinada): Para diminuir os riscos de derrapagem em curvas em pistas molhadas, é comum que a pista seja inclinada no trecho curvo. Dessa maneira não é necessário depender só do atrito para fazer a curva e velocidades mais altas podem ser atingidas. 𝑣 ≅ 320 km/h CAPÍTULO 9 – DINÂMICA DO MOVIMENTO CIRCULAR Aula 014 19 170 Física I Curvas inclinadas e o voo de aviões Os resultados do Exemplo 5.22 também se aplicam ao cálculo do ângulo cor- reto para a inclinação de um avião quando ele faz uma curva voando ao longo de um plano (Figura 5.35). Quando um avião voa em linha reta a uma velocidade escalar e altura constantes, seu peso é precisamente equilibrado pela força de sus- tentação exercida pelo ar. (A força de sustentação, de baixo para cima, que o ar exerce sobre as asas, é uma reação à força de empurrar que as asas exercem sobre o ar enquanto o atravessam.) Para fazer um avião mudar de direção, o piloto o in- clina para um lado, de modo que a força de sustentação tenha um componente ho- rizontal, como indicado na Figura 5.35. (O piloto também muda o ângulo em que as asas “cortam” o ar, de modo que o componente vertical da força de sustentação continua a equilibrar o peso.) O ângulo de inclinação está relacionado à veloci- dade escalar v do avião e o raio R da curva pela mesma expressão que no Exem- plo 5.22: tan b ! v2/gR. Para um avião fazer uma curva fechada (R pequeno) em alta velocidade (v grande), o valor tan b deve ser elevado e o ângulo de inclinação b deve se aproximar de 90º. Também podemos aplicar os resultados do Exemplo 5.22 ao piloto. O diagrama do corpo livre para o piloto é exatamente igual ao mostrado na Figura 5.34b. A força normal n ! mg/cos b é exercida sobre o piloto pelo assento. Como no Exem- plo 5.9, n fornece o peso aparente do piloto, que é maior que seu peso real mg. Em uma curva fechada com um grande ângulo de inclinação b, o peso aparente do pi- loto pode ser muito elevado: n ! 5,8 mg para um ângulo b ! 80° e n ! 9,6 mg para b ! 84°. Os pilotos ficam momentaneamente cegos nessas curvas excessivamente fechadas porque o peso aparente do sangue aumenta com o mesmo fator e o cora- ção humano não é suficientemente forte para bombear esse sangue aparentemente “pesado” até o cérebro. b p = mg Lcosb L L senb Figura 5.35 Um avião se inclina para um lado para mudar de direção. O componente vertical da força de sustentação equilibra a força da gravidade; o componente horizontal de causa a aceleração v2/R. A equação para gFy fornece n ! mg/cos b. Substituindo esse resultado na equação para gFx e usando arad ! v2/R, encontra- mos uma expressão para o ângulo de inclinação: tan b = arad g = v2 gR então b = arctan v2 gR AVALIAR: o ângulo de inclinação depende da velocidade e do raio. Para um dado raio, nenhum ângulo pode ser correto para todas as velocidades. No projeto de rodovias e de estradas de ferro, as curvas são compensadas para uma inclinação exata relativa a uma velocidade média do tráfego sobre elas. Se R ! 230 m e v ! 25 m/s (uma velocidade de rodovia em torno de 88 km/h), então b = arctan 125 m>s2 219,8 m>s22 1230 m2 = 15" Esse valor está próximo dos intervalos de ângulos usados efeti- vamente nas rodovias. Vertical p = mg A normal à estrada tem o mesmo ângulo b com a vertical que a estrada com a horizontal. Horizontal R (a) Um carro contorna uma curva em uma estrada inclinada (b) Diagrama do corpo livre para o carro b b n y n cos b b n sen b arad x Figura 5.34 (a) A situação. (b) Diagrama do corpo livre. (Continuação) Book_SEARS_Vol1.indb 170 02/09/15 6:30 PM Um carro entra numa curva circular de raio 35,0 m com uma velocidade de 17,6 m/s. Se o atrito entre os pneus e a pista for desprezível (há gelo na pista e os pneus estão muito gastos), qual deve ser a inclinação da pista para que o carro consiga fazer a curva? 𝐹$%&,H = 𝑁 cos 𝜃 −𝑚g = 0 𝑁 = 𝑚g cos 𝜃 Desempenha a função de força centrípeta CAPÍTULO 9 – DINÂMICA DO MOVIMENTO CIRCULAR Aula 014 20 𝑃 𝑁H 𝑁cosθ 𝑁senθ 𝑚g 𝑁I 𝑁 𝐹XRY,I = 𝑁 sen𝜃 = 𝑚𝑎! 𝑁 sen𝜃 = 𝑚 𝑣' 𝑅 𝑚g cos 𝜃 sen 𝜃 = 𝑚 𝑣' 𝑅 𝑅g tg 𝜃 = 𝑣' tg 𝜃 = 𝑣' 𝑅g Não depende da massa! tg 𝜃 = 17,6 m/s ' (35 m)(9,81 m/s') = 0,902169797582642 𝜃 = tgZ[ 0,902169797582642 = 42,055823655685566° ≈ 42,1° Na realidade, a inclinação das estradas em trechos curvos é menor que esse valor. Numa pista de NASCAR, a inclinação máxima é ~36° nas curvas. CAPÍTULO 9 – DINÂMICA DO MOVIMENTO CIRCULAR Aula 014 21 Aula 014 22 https://en.wikipedia.org/wiki/Velodrome 33° − 50° Aula 014 23 https://en.wikipedia.org/wiki/Velodrome 9.3.6 – Girando um balde com água : Você está girando um balde de massa 𝑚 em um círculo vertical de raio 𝑅. Se a velocidade no ponto mais alto é 𝑣𝑡, encontre: a) A força exercida pelo balde sobre a água no topo do círculo, �⃗�ab. b) O valor mínimo de 𝑣cpara que a água permaneça dentro do balde. c) A força exercida pelo balde sobre a água na base do círculo, sendo a velocidade na base igual a 𝑣𝐵. �⃗�ab 𝑃 CAPÍTULO 9 – DINÂMICA DO MOVIMENTO CIRCULAR Aula 014 24 No topo: Na base: 𝐹$%& = −𝑚g − 𝑁a→b = −𝐹e%Ff 𝑁a→b = 𝑚𝑣g' 𝑅 −𝑚g 𝐹$%& = 𝑁a→b −𝑚g = 𝐹e%Ff 𝑁a→b = 𝑚𝑣a' 𝑅 +𝑚g 𝑁D→F 𝑃 𝑁D→F 𝑃 CAPÍTULO 9 – DINÂMICA DO MOVIMENTO CIRCULAR Aula 014 25 𝑁a→b = 𝑚𝑣g' 𝑅 −𝑚g 𝑁a→b +𝑚g = 𝑚𝑣g' 𝑅 𝑣g' = 𝑅 𝑚 𝑁a→b +𝑚g A velocidade mínima para que a água não caia é aquela necessária para ainda mantê-la no movimento circular descrito pelo balde. No limite onde a água está prestes a cair, a pressão vertical do balde sobre a água será nula, 𝑁a→b = 0. 𝑣c,DEF = 𝑅 𝑚 𝑚g 𝑣c,DEF = 𝑅g CAPÍTULO 9 – DINÂMICA DO MOVIMENTO CIRCULAR Aula 014 26 Se o professor, cujo braço mede ~1,0 m, gira um balde de água em um círculo vertical com velocidade de módulo constante, qual é a velocidade mínima necessária para que a água não caia do balde? 𝑣DEF ≈ 3,0 m/s CAPÍTULO 9 – DINÂMICA DO MOVIMENTO CIRCULAR Aula 014 27 CAPÍTULO 9 – DINÂMICA DO MOVIMENTO CIRCULAR Aula 014 28 Vídeo sobre corrida circular de carros miniaturas @rogerphillips6974 https://www.youtube.com/watch?v=sKTeWIw7Y5Y https://www.youtube.com/@rogerphillips6974 https://www.youtube.com/watch?v=sKTeWIw7Y5Y
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