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FÍSICA I Olá! A velocidade é uma das grandezas mais estudadas em física, e outras tantas surgiram a partir dela. É o que acontece com o momento linear, por exemplo, que é o produto da massa pela velocidade de um corpo. O momento linear também pode ser chamado de quantidade de movimento ou, ainda, de momentum. O momento angular, também chamado de quantidade de movimento angular, é uma grandeza vetorial associada a um sistema em rotação — uma massa pontual, um sistema de partículas ou um corpo rígido. Ele fornece uma medida da quantidade de movimento rotacional associada a esse sistema com relação a um eixo particular de rotação ou a uma origem particular. O estudo do momento angular é de grande relevância, haja vista que essa grandeza fornece a base estrutural para se definir, por exemplo, a segunda lei de Newton para rotações. Além disso, o momento angular possui implicações no estudo físico de corpos celestes, como estrelas, planetas e satélites naturais que rotacionam pelo espaço, e na mecânica quântica, em que partículas como prótons e elétrons possuem um momento angular quantizado. Por conseguinte, o momento angular e as suas implicações estão presentes em todas as escalas de grandeza em que a física possui campo de estudo. Bons estudos! AULA 5 – MOMENTO LINEAR E ÂNGULAR Nesta aula, você vai conferir os contextos conceituais da psicologia entenderá como ela alcançou o seu estatuto de cientificidade. Além disso, terá a oportunidade de conhecer as três grandes doutrinas da psicologia, behaviorismo, psicanálise e Gestalt, e as áreas de atuação do psicólogo. Compreender o conceito de psicologia Identificar as diferentes áreas de atuação da psicologia Conhecer as áreas de atuação do psicólogo. Nesta aula, você verá o que é momento linear e impulso e como aplicá-los no seu dia a dia. Além disso você vai aprender sobre o momento angular, verificando suas principais características e as principais equações que definem o momento angular para uma partícula independente. Por fim, você vai aprender a determinar o momento angular para um sistema de partículas e para um corpo rígido. Ao final deste desta aula, você será capaz de: Definir momento linear e impulso; Reconhecer os fundamentos do momento linear e impulso; Aplicar esses conceitos em algumas situações básicas do cotidiano; Discutir as características do momento angular; Identificar as equações que definem o momentoangular; Diferenciar os casos particulares do momento angular. 5 MOMENTO LINEAR E ANGULAR 5.1 Quantidade de movimento (momento) linear Para introduzirmos o conceito de quantidade de movimento linear, também denominado momento linear, vamos considerar dois jogos que envolvem bolas de massas completamente diferentes, como tênis e boliche. Em treinamentos de jogadores de tênis profissionais e amadores, é comum que sejam utilizados canhões de lançamento de bolas de tênis. Essas máquinas são capazes de lançar uma bola a uma velocidade que gira em torno de 25 km/. Em um jogo de boliche, embora as velocidades da bola não sejam tão grandes quanto no tênis, a bola tem uma massa que pode passar dos 7 kg, um valor mais expressivo que os cerca de 60 gramas da massa máxima que uma bola de tênis profissional pode ter. Em qualquer uma das situações anteriores, não é uma boa ideia ficar na linha da trajetória da bola, pois podemos nos machucar. Com isso em mente, podemos nos fazer a seguinte pergunta: existe alguma grandeza física carregada pelos corpos em ambas as situações que sejam comuns a eles? A resposta para essa pergunta é sim. A razão pela qual não é uma boa ideia estar na trajetória tanto da bola de tênis quanto da bola de boliche é elas portarem grande quantidade de movimento linear. Matematicamente, a quantidade de movimento é um vetor definido pelo produto da massa e da velocidade do corpo: �⃗� = 𝑚�⃗� (1) De modo a unidade de medida para o momento angular é kg m/s. O momento linear, definido em (1), é uma grandeza muito importante na física, pois auxilia na descrição da dinâmica de partículas, sistemas de partículas e corpos rígidos, sendo particularmente útil no estudo de colisões. A sua importância é tal que a equação do movimento pode ser escrita em termos dela. Lembrando que, �⃗� = 𝑑�⃗⃗� 𝑑𝑡 , a segunda lei de Newton, pode ser escrita como: �⃗�𝑅 = 𝑚 𝑑�⃗⃗� 𝑑𝑡 (2) Sendo a massa uma quantidade constante, podemos escrever a segunda lei em termos do momento linear: �⃗�𝑅 = 𝑑(𝑚�⃗⃗�) 𝑑𝑡 = 𝑑�⃗� 𝑑𝑡 (3) Embora tenhamos adotado o caminho inverso, a equação (3) é, na verdade, a forma mais geral da segunda lei de Newton, sendo válida inclusive para sistemas com massa variável. A expressão 𝐹 ⃗⃗⃗⃗ = 𝑚�⃗� é que é um caso particular de (3). Exemplo 1: No ano de 2004, o tenista Andy Roddick sacou uma bola a 246,2 km/h, quebrando o seu próprio recorde. Considerando que a massa da bola de tênis não pode ultrapassar 58,5g, estime a quantidade de movimento linear da bola. Solução: O primeiro passo aqui é converter a velocidade e a massa da bola de tênis (bt) para unidades do SI: 𝑣𝑏𝑡 = 246,2 𝑘𝑚 ℎ 𝑥 ( 1 ℎ 3600 𝑠 ) 𝑥 ( 1000 𝑚 1 𝑘𝑚 ) = 68,39 𝑚/𝑠 𝑚𝑏𝑡 = 58,5𝑔 𝑥 ( 1 𝑘𝑔 1000 𝑔 ) = 0,0585 𝑘𝑔 Desse modo, a quantidade de movimento linear da bola de tênis é: 𝑝 = 𝑚𝑏𝑡𝑣𝑏𝑡 = 3,71 𝑘𝑔 𝑥 𝑚/𝑠 Exemplo 2: Uma partícula de 140 g move-se em um plano y-z, sobre a ação da sua força peso e da força �⃗⃗⃗�, como mostra a figura abaixo. Sabendo que o momento linear da partícula é expresso por �⃗⃗⃗� = 𝟏 𝟐 (𝒕𝟐 + 𝟏)�̂� − 𝟏 𝟑 (𝒕𝟑 − 𝟑)𝒋 ̂ determine o módulo da força �⃗⃗⃗� que age sobre a bola no instante 3,00 s Solução: Para resolver esse problema, devemos utilizar a segunda lei de Newton: �⃗�𝑅 = 𝑑�⃗� 𝑑𝑡 Do lado esquerdo, a força resultante é dada por: �⃗�𝑅 = �⃗� + �⃗⃗⃗⃗� O módulo do vetor �⃗⃗⃗� é a incógnita a ser determinada. Para determinar o vetor peso, o primeiro passo é converter g para kg e determinar a força peso: 𝑚 = 140 𝑔 𝑥 ( 1 𝑘𝑔 1000 𝑔 ) = 0,140 𝑘𝑔, assim: �⃗⃗⃗⃗� = 𝑚�⃗� = −(0,140) 𝑥 (9,81)𝑗̂ = −(1,373 𝑁)𝑗̂, logo: �⃗�𝑅 = �⃗� − (1,373 𝑁)𝑗 ̂ Do lado direito da equação, é necessário derivar o momento linear em relação ao tempo: 𝑑�⃗� 𝑑𝑡 = 1 2 (2𝑡)𝑖̂ − 1 3 (3𝑡2)𝑗̂ = 𝑡𝑖̂ − 𝑡2𝑗̂, logo, pela segunda lei de Newton: �⃗� − (1,373 𝑁)𝑗̂ = 𝑡𝑖̂ − 𝑡2𝑗̂ ⇒ �⃗� = 𝑡𝑖̂ + (−𝑡2 + 1,373 𝑁)𝑗 ̂ Para um tempo de 3 segundos: �⃗� = (3,00)𝑖̂ + (−(3,00)2 + 1,373)𝑗̂ = 3,00𝑖̂ − 7,627𝑗 ̂ Agora é possível determinar o módulo do vetor: 𝐹 = √(3,00)2 + (−7,627)2 = 8,20 𝑁 5.2 Impulso Na seção anterior, foi definida a quantidade de movimento de uma partícula de massa m e velocidade �⃗� e foi demonstrada a sua relação direta com o vetor força resultante via segunda lei de Newton. Aqui, vamos novamente recorrer a uma situação prática para compreender o conceito de impulso e a sua relação com os vetores força e o momento linear. y Em uma partida de golfe, ao dar uma tacada, o taco exerce uma força na bola, que está inicialmente parada, de modo que passe a se movimentar descrevendo uma trajetória parabólica. Embora a sensação que fica na tacada é que ela ocorreu de maneira instantânea, na verdade o taco aplicou uma força sobre a bola durante um curto intervalo de tempo. Nessa situação, a bola acabou experimentando um impulso externo capaz de alterar a sua quantidadede movimento inicial, que era nula. Como o problema envolve uma força aplicada em certo intervalo de tempo, podemos utilizar (3) para encontrar uma expressão matemática para o impulso, reescrevendo-a na forma: �⃗�𝑑𝑡 = 𝑑�⃗� (4) integrando (4) em ambos os lados da igualdade no intervalo de tempo 𝒕𝒊 até 𝒕𝒇: ∫ �⃗� 𝑡𝑓 𝑡𝑖 𝑑𝑡 = ∫ 𝑑�⃗� 𝑝𝑓 𝑝𝑖 (5) Sendo 𝑝𝑖 ≡ 𝑝(𝑡𝑖) e 𝑝𝑓 ≡ 𝑝(𝑡𝑓), a quantidade que aparece no lado esquerdo de (5) é o vetor impulso linear: 𝐼 = ∫ �⃗� 𝑡𝑓 𝑡𝑖 𝑑𝑡 (6) Resolvendo o lado direito de (5), obtemos que: 𝐼 = �⃗�𝑓 − �⃗�𝑖 = ∆�⃗� (7) Que é conhecido como princípio do impulso e quantidade de movimento linear, que não será abordado em detalhes nesta aula. Aqui, vamos nos restringir ao cálculo do impulso. Exemplo 3: Um carro de 1350 kg trafega a uma velocidade de 115,0 km/h sobre uma pista retilínea como mostra a figura a seguir: Sabendo que, nessas condições, a pista oferece uma força resistiva de 7200 N ao movimento do carro, determine o impulso após 8,0 segundos. Solução: O primeiro passo é desenhar o diagrama de forças (figura abaixo) para calcular a força resultante. 𝐹𝑅 = 𝑚𝑔𝑠𝑒𝑛3° − 𝐹𝐴 = (1350)x (9,81)x 𝑠𝑒𝑛3° − 7200 𝐹𝑅 = −6506,89 N Nesse caso, a força é constante, então: 𝐼 = −6506,89 ∫ 𝑑𝑡 8,0 0 = −6506,89 𝑥 (8,0) = 52055,15 𝑁𝑠 = 52,06 𝑘𝑁𝑠 O resultado final foi arredondado para três algarismos significativos devido à precisão das medidas apresentadas no problema. 5.3 As características do momento angular O momento angular de um corpo é uma grandeza física que guarda grandes semelhanças com o momento linear, tanto em sua compreensão física como na estruturação matemática que o define. Podemos dizer, portanto, que o momento angular é o correspondente angular do momento linear. Ainda, podemos definir o momento angular como sendo a quantidade de movimento rotacional associado a um sistema físico. Para essa definição, o sistema físico considerado pode ser uma partícula independente (massa pontual), um conjunto de partículas ou ainda um corpo rígido. Dentro dessa definição, o momento angular, que desde já vamos associar às letras L ou l, necessita de três quantidades físicas para ser completamente definido, a saber: 1. A massa m ou o momento de inércia I associado a um objeto; 2. A velocidade linear v ou angular ω desse objeto ao redor de um eixo particular de rotação; 3. A distância perpendicular r⊥ do objeto em relação ao eixo particular de rotação. Comparativamente ao momento linear, apenas a última quantidade não é requerida por este para sua definição. Desse modo, a escolha do eixo de rotação é uma das particularidades que fazem do momento angular uma grandeza física distinta. Perceba que a definição do momento angular associada à grandeza r⊥, no item (3), abre margem para duas possibilidades: a) Um objeto se movendo em uma linha reta pode ser dotado de momento angular, desde que a escolha do eixo de rotação seja conveniente; b) Um objeto pode possuir momento angular em relação a um eixo, mas não possuir momento angular em relação a outro eixo. Outra característica associada ao momento angular que difere do momento linear é a sua classificação. O momento angular é classificado em momento angular orbital e de spin. O planeta Terra possui esses dois tipos de momento angular. O momento angular orbital se refere à orbita da Terra ao redor do Sol, enquanto o momento angular de spin se refere à rotação da Terra ao redor do próprio eixo. Outra importante característica associada ao momento angular é a sua natureza vetorial. Nesse aspecto, o momento angular também é similar ao momento linear, entretanto, difere deste com relação à orientação vetorial. O vetor momento linear possui a mesma direção e o mesmo sentido do movimento do objeto que está sendo associado, haja vista que é definido em termos do produto da massa pela velocidade do objeto. Sendo a massa uma grandeza física de natureza escalar, ela não é capaz de alterar a orientação do vetor velocidade, o qual fornece a orientação para o vetor momento linear. Já o momento angular de um corpo, como veremos mais adiante em detalhes, é definido como o produto entre a distância perpendicular ao eixo de rotação, r⊥, pelo momento linear p associado ao corpo. Assim, temos um produto entre duas quantidades vetoriais, com orientações distintas. A partir do produto entre os vetores r⊥ e p, a direção assumida pelo momento angular será axial – isto é, ao longo do eixo de referência escolhido. No entanto, como um eixo possui dois sentidos, é necessário especificar qual é o sentido positivo e qual é o sentido negativo. Dessa forma, a convenção geral é obtida adotando-se a chamada regra da mão direita, como representado na Figura 1. Figura 1 - (a) Corpo de massa m e momento linear p rotacionando no plano xy ao redor do eixo z, com velocidade angular ω, a uma distância perpendicular r⊥ = r do eixo z. (b) Regra da mão direita especificando a direção e o sentido (positivo) do momento angular L Fonte: (a) Imagem do autor. (b) Bauer, Wesfall e Dias (2013, p. 337). No caso de o movimento executado por um corpo ser circular e ocorrer no plano xy, uma escolha conveniente para o eixo de rotação é uma linha perpendicular ao plano do movimento passando pelo centro do círculo — eixo z, portanto. Nesse caso particular, o momento angular terá a direção do eixo z e o sentido positivo se o movimento for anti-horário e negativo se o movimento for horário, como representado pela regra da mão direita. Por essa regra, a direção do momento angular de spin da Terra é aquela através do eixo que passa pelos polos norte e sul geográficos. O sentido positivo é aquele que aponta para a Estrela Polar (do norte). Por ser uma grandeza vetorial, o momento angular obedece às regras de soma vetorial. Assim, para um sistema de partículas, por exemplo, o momento angular total desse sistema será a soma vetorial dos momentos angulares individuais de cada uma das partículas que compõem esse sistema, sempre com relação ao mesmo eixo de rotação, ou à mesma origem. A última característica associada ao momento angular é a sua conservação. Nesse aspecto, mais uma vez, há uma associação direta com o momento linear de um corpo. A conservação do momento linear ocorre sempre que o sistema for tido como isolado, ou seja, não houver forças externas atuando sobre o corpo. No caso do momento angular, essa característica também se faz presente sempre que o sistema for tido como isolado. Entretanto, no caso angular, a grandeza física que deve se manter nula para que o momento angular se conserve é o torque externo. 5.4 As equações que definem o momento angular Nesta seção, vamos abordar as equações que definem o momento angular, associando essas equações às características descritas na primeira seção, de forma a solidificar sua compreensão acerca dessa grandeza física. Para efeitos didáticos, construiremos nesta seção o arcabouço matemático/teórico do momento angular para o caso de uma partícula pontual. Na seção seguinte, abordaremos alguns casos particulares do momento angular em sistemas mais complexos, como um sistema de partículas e um corpo rígido. 5.4.1 Definição do momento angular Consideremos o caso de uma partícula de massa 𝑚 e velocidade 𝑣 executando um movimento em relação a uma origem O. Para essa partícula, vamos definir seu momento linear 𝑝 como sendo:𝑝 = 𝑚 𝑥 𝑣 (1) O momento angular l associado a essa partícula pode ser definido mediante a seguinte equação: 𝐼 = 𝑟 𝑥 𝑝 = 𝑚 𝑥 (𝑟 𝑥 𝑣) (2) onde r é o vetor posição que localiza a partícula com relação à origem do sistema. É importante notar que l é definido em termos de um produto vetorial. Portanto, de forma geral, a Equação (2) pode ser reescrita como (SHAPIRO; PEIXOTO, 2010): 𝒍 = 𝒓 𝒙 𝒑 = 𝒊 (𝑦 x 𝑝𝑧−𝑧 𝑥 𝑝𝑦) + 𝒋 (𝑧 x 𝑝𝑥−𝑥 𝑥 𝑝𝑧) + 𝒌 (𝑥 x 𝑝𝑦−𝑦 𝑥 𝑝𝑥) (3) onde i, j e k são vetores unitários associados aos eixos x, y e z, respectivamente. Portanto, as componentes do vetor momento angular para essa partícula são tais que: 𝒍 = 𝒊 x 𝑙𝑥 + 𝒋 x 𝑙𝑦 + 𝒌 x 𝑙𝑧 (4) onde 𝑙𝑥 = 𝑦 x 𝑝𝑧−𝑧 x 𝑝𝑦; 𝑙𝑦 = 𝑧 x 𝑝𝑥−𝑥 x 𝑝𝑧; 𝑙𝑥 = 𝑥 x 𝑝𝑦−𝑦 x 𝑝𝑥 . Já o seu módulo será dado por (SHAPIRO; PEIXOTO, 2010): 𝑙 = √ 𝑙𝑥 2 + 𝑙𝑦 2 + 𝑙𝑧 2 = 𝑟 x 𝑝 x 𝑐𝑜𝑠𝜃 (5) onde θ é o ângulo entre o vetor posição r e o vetor momento linear p (ou vetor velocidade v). A Equação (5) ainda pode assumir a seguinte forma, conforme a conveniência (HALLIDAY; RESNICK; WALKER, 1996): 𝑙 = = 𝑟 x 𝑝 x 𝑐𝑜𝑠𝜃 = 𝑟⊥x 𝑝 = 𝑟 x 𝑝⊥ = 𝑟 x 𝑚 x 𝑣⊥ (6) onde r⊥ é a distância perpendicular de O, e um prolongamento do vetor p e p⊥(v⊥) é a componente do vetor momento linear (velocidade) perpendicular ao vetor r. No Sistema Internacional de Unidades, a unidade de medida do momento angular é tal que: [𝑙] = [𝑟] 𝑥 [𝑝] = [𝑚] 𝑥 [𝑘𝑔 x 𝑚 x 𝑠−1] = [𝑘𝑔 x 𝑚2 x 𝑠−1] (7) sendo equivalente ao Joule vezes segundo (J ⋅ s). Perceba que, quando o ângulo entre os vetores r e p for θ = 0° ou θ = 180°, a Equação (5) nos informa, obrigatoriamente, que a partícula não possui momento angular em torno da origem O, como mostrado pela Figura 2. No entanto, pode ser que em torno de outra origem o momento angular seja não nulo. Assim, só há sentido em determinar o momento angular de uma partícula, ou corpo, caso seja especificada uma origem. A definição do vetor momento angular mediante a Equação (3) nos informa também que a direção do vetor momento angular será sempre perpendicular ao plano formado pelos vetores r e p, independentemente de qual plano for esse. 5.4.2 Segunda lei de Newton na forma angular: a relação entre o momento angular l e o torque τ Uma vez que definimos, conceitualmente e matematicamente, o momento angular l de uma partícula se deslocando em torno de certa origem O, podemos explorar alguns aspectos dessa definição. Vejamos, por exemplo, qual consequência advém da variação temporal do momento angular dessa partícula. Se o momento linear p de uma partícula variar temporalmente, temos como efeito a definição da segunda lei de Newton, tal que: 𝑑𝒑 𝑑𝑡 = 𝑚 x 𝑑𝒗 𝑑𝑡 = 𝑚 𝑥 𝒂 ⇒ ∴ ∑ 𝐹 = 𝑑𝒑 𝑑𝑡 (8) Assim, a variação temporal do momento linear guarda estreita relação com a força resultante aplicada sobre uma partícula. Podemos questionar, portanto, qual relação obteremos caso o vetor momento angular l apresente variação no tempo. 𝑑𝒍 𝑑𝑡 = 𝑑 𝑑𝑡 (𝒓 x 𝒑) = 𝑚 𝑑 𝑑𝑡 (𝒓 x 𝒗) = 𝑚 (𝒓 x 𝑑𝒗 𝑑𝑡 + 𝑑𝒓 𝑑𝑡 𝑥 𝒗) (9.1) ⇒ 𝑑𝒍 𝑑𝑡 = 𝑚(𝒓 𝑥 𝒂 + 𝒗 x 𝒗) = 𝑟 x 𝑚 x 𝒂 = 𝒓 𝐱 𝑭 (9.2) ∴ ∑ 𝑇 = 𝑑𝒍 𝑑𝑡 (9.3) Assim, a variação temporal do momento angular guarda estreita relação com o torque resultante aplicado sobre uma partícula. A Equação (9.3) é, precisamente, a definição da segunda lei de Newton na forma angular. Na Equação (9.1), aplicou-se a regra do produto para derivadas, haja vista que 𝒓 = 𝒓(𝑡) e 𝒗 = 𝒗(𝑡). Já na Equação (9.2), o termo 𝑣 x 𝑣 = 0, pois são dois vetores paralelos entre si e, por consequência, seus produtos vetoriais são nulos. O resultado obtido pela Equação (9.3) já era, de certa forma, esperado, pela simetria que existe entre o momento linear e o momento angular. Assim, a Equação (9.3) é a equivalente angular da Equação (8). REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS BAUER, W.; WESTFALL, G. D.; DIAS, H. Física para universitários: relatividade, oscilações, ondas e calor. Porto Alegre: AMGH, 2013. BEER, F. P.; JOHNSTON JUNIOR, E. R.; CORNWELL, P. J. Mecânica vetorial para engenheiros: dinâmica. 9. ed. Porto Alegre: AMGH, 2012. CHAVES, A.; SAMPAIO, J. F. Física básica: mecânica. Rio de Janeiro: LTC, 2007. CHAVES, A.; SAMPAIO, J. F. Física básica: mecânica. Rio de Janeiro: LTC, 2011. HALLIDAY, D.; RESNICK, R.; WALKER, J. Fundamentos de física. 4. ed. v. 1. Rio de Janeiro: LTC, 1996. HALLIDAY, D.; RESNICK, R.; WALKER, J. Fundamentos de física: mecânica. 10. ed. v. 1. Rio de Janeiro: LTC, 2016. HIBBELER, R. C. Dinâmica: mecânica para engenharia. 10. ed. São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2005. NUSSENZVEIG, H. M. Curso de física básica 1: mecânica. 4. ed. v. 1. São Paulo: Blucher, 2002. SHAPIRO, I. L.; PEIXOTO, G. B. Introdução à mecânica clássica. São Paulo: Editora Livraria da Física, 2010. TIPLER, P. A.; MOSCA, G. Física para cientistas e engenheiros: mecânica, oscilações e ondas, termodinâmica. 6. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2009.