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Disciplina: MECÂNICA II Assunto: CINEMÁTICA do PONTO MATERIAL (ESCALAR) ENGENHARIA MECÂNICA CINEMÁTICA ESCALAR CONTEÚDO: 1 - Conceitos Básicos; 2 - Movimento Uniforme; 3 - Movimento Uniforme Variado; 4 - Movimento de Queda Livre; 5 - Movimento Circular; 6 – Eixo Instantâneo de Rotação. 1 - CONCEITOS BÁSICOS 1.1. OBJETIVO do ESTUDO da CINEMÁTICA Descrever e fazer previsões do movimento dos corpos. 1.2. PONTO MATERIAL a) Ponto - Todo corpo cujas Dimensões relativas não interferem no estudo do movimento. b) Material – Embora Dimensões do corpo sejam desprezadas, sua Massa sempre considerada. 1.3. POSIÇÃO de um CORPO Definida por 2 Coordenadas ou por seu Vetor Posição (r) em relação a um referencial. 1.4. CINEMÁTICA do PONTO Caracteriza o movimento de um ponto em relação a um referencial. 1.5. MOVIMENTO RETILÍNEO Quando o movimento de um ponto em relação a um mesmo referencial é caracterizado unicamente pela variação da distância e sentido. Quando o movimento em que a distância do ponto em relação a um referencial O permanece constante, mas a sua direção varia segundo um plano. 1.6. MOVIMENTO CIRCULAR 1.7. MOVIMENTO CURVILÍNEO Posição de um ponto em relação a um referencial apresenta simultaneamente variação na distância e na direção. 1.8. TEMPO – (abscissa temporal t ou instante t) Número real que corresponde biunivocamente à sucessão dos eventos. Intervalo de Tempo (Δt) - Número de unidades de tempo decorridas entre 2 eventos sucessivos, calculado pela seguinte equação: Δt = t 2 - t 1; t 2 e t 1 instantes associados a esses eventos. Na Mecânica Clássica, a linha do tempo cresce sempre no sentido positivo. Logo deve-se evitar referenciais ao tempo c/ valores negativos. 1 - CONCEITOS BÁSICOS 1.9. TEMPO À Origem dos Tempos (evento inicial arbitrário) associa-se, por comodidade, t = 0; Aos eventos que seguem a O.T. associa-se t > 0 Para aqueles que o precedem, associa-se t < 0. 1 - CONCEITOS BÁSICOS 1.9. TRAJETÓRIA - Para um dado sistema de referência Linha Contínua S. Lugar Geométrico dos pontos do espaço geométrico ocupado pelo ponto material no decorrer do tempo. 1.10. ESPAÇO CINEMÁTICO - Posição ou abscissa linear S é o número que corresponde biunivocamente aos pontos da trajetória e que se destina a localizar o ponto sobre sua trajetória. ESPAÇO S: Só localiza o ponto P (relativo à origem O); Não indica o sentido de movimento; Não determina quanto o móvel “andou”. A expressão que associa biunivocamente a cada valor de t o correspondente valor de S é: “Lei de Movimento”, “Lei Horária de Movimento” ou “Equação Horária”. GRÁFICO S x t Se S permanece constante (em relação a t), no referencial em questão, ele é dito em REPOUSO. ESPAÇO PERCORRIDO Incremento de abscissa ΔS, num dado intervalo de tempo Δt é dado por: ΔS t1---t2 = S 2 - S 1 S2 - Abscissa do móvel no instante t2; S1 - Abscissa do móvel no instante t1. Num dado intervalo de tempo pode-se ter: ΔS > 0, ΔS = 0 ou ΔS < 0. Posição e Velocidade do Corpo Vários Instantes Posição t(s) S(m) ΔS V m = ΔS/Δt A 0 30 A B: + 22 + 2,2 m/s B 10 52 B C: - 14 - 1,4 m/s C 20 38 C D: - 38 - 3,8 m/s D 30 0 D E: - 37 - 3,7 m/s E 40 - 37 E F: - 16 - 1,6 m/s F 50 - 53 A F: - 83 - 1,66 m/s 2 - MOVIMENTO UNIFORME (M.U.) CINEMÁTICA ESCALAR (do Ponto e dos Sistemas) MOVIMENTO RETILÍNEO UNIFORME - M.R.U. DISTÂNCIA PERCORRIDA (S) Diretamente Proporcional ao Tempo Gasto p/ a Percorrer. Igual ao Deslocamento. VELOCIDADE Se Mantêm Constante. Mesma Direção, Mesmo Sentido e Mesmo Valor em todos instantes. Quociente S ÷ t = Constante. Corresponde à Rapidez Média. RAPIDEZ MÉDIA ≠ Velocidade Velocidade Escalar e Instantânea. Possui só intensidade. É a mesma qualquer que seja o intervalo de tempo considerado. TEMPO Corresponde ao valor da velocidade em qualquer instante. Gráfico S-t do M.U. Quando a Distância Percorrida e o Tempo São Proporcionais FUNÇÕES do M.U. GRAN- DEZA EQUAÇÃO PROPRIEDADES ESPAÇO S = S o + V.t Espaços Percorridos proporcionais às extensões dos Δt necessários p/ percorrê-los, ou, as ΔS serão iguais p/ Δt iguais. VELO- CIDADE V = dS/dt = V m V Escalar Cte. e ≠ 0, de mesmo valor que a Veloc. Escalar Média; ACELE- RAÇÃO a = dV/dt = a m Constante e a = 0 GRÁFICOS dos M.U. ESPAÇO a) Diagramas Horários Segmentos de reta Inclinados em relação ao eixo dos tempos (t). GRÁFICOS dos M.U. b) Diagramas de VELOCIDADES Segmentos de reta Paralelos ao eixo dos tempos t. GRÁFICOS dos M.U. c) Diagramas das ACELERAÇÕES ΔS < 0 t Segmentos de reta Coincidentes com o Eixo t. MOVIMENTO RETILÍNEO UNIFORME MOVIMENTO PROGRESSIVO RETRÓGRADO M Ó V EL Caminha a Favor da Orientação da Trajetória Caminha Contra a Orientação da Trajetória ESPAÇO CRESCEM no Decurso do Tempo DECRESCEM no Decurso do Tempo VELOCIDADE Escalar Positiva v > 0 Escalar Negativa v < 0 ACELERAÇÃO a = 0 a = 0 MOVIMENTO UNIFORME - Quando o velocímetro indicar sempre a mesma velocidade e V ≠ 0 durante certo Δt, o movimento não será variado, mas sim uniforme. MOVIMENTO UNIFORME Em iguais Δt os ΔS são iguais e não nulos. Velocidade Escalar Cte. e ≠ 0 c/ passar do tempo. Δt 1 = Δt 2 ΔS 2 = ΔS 1 MOVIMENTO UNIFORME PROGRESSIVO Com Espaço Inicial Nulo S o = 0 V > 0 MOVIMENTO UNIFORME PROGRESSIVO Com Espaço Inicial Positivo S o > 0 V > 0 MOVIMENTO UNIFORME PROGRESSIVO Com Espaço Inicial Negativo S o < 0 V > 0 MOVIMENTO UNIFORME RETRÓGRADO Com Espaço Inicial Positivo S o > 0 V < 0 MOVIMENTO UNIFORME RETRÓGRADO Com Espaço Inicial Nulo S o = 0 V < 0 MOVIMENTO UNIFORME RETRÓGRADO Com Espaço Inicial Negativo S o < 0 V < 0 MOVIMENTO VARIADO ACELERADO - Quando o velocímetro indicar velocidades escalar instantânea cada vez maiores no decorrer do tempo. MOVIMENTO ACELERADO Em iguais Δt os ΔS são cada vez maiores. Velocidade Escalar Aumenta c/ passar do tempo. Δt 1 = Δt 2 ΔS 2 > ΔS 1 a) ΔS 1 = (V+V o )t ÷2 = (50+0)x0,5 1 ÷ 2 = 12,5 m b) ΔS 2 =(V+V o )t÷2 =(100+50)x0,5 2 ÷2 = 37,5 m c) ΔS 3 =(V+V o )t÷2 = (150+100)x0,5 3 ÷2 = 62,5m a1 = (V – Vo)/(t – to) = (50 – 0)/(0,5 - 0) = 100 m/s² a2 = (V – Vo)/(t – to) = (100 – 50)/(1 – 0,5) = 100 m/s² a3 = (V – Vo)/(t – to) = (150 – 100)/(1,5 – 1) = 100 m/s² Um veículo que se move cada vez mais lentamente durante certo intervalo de tempo, isto é, se o módulo de sua velocidade escalar instantânea for sempre decrescente, tem: MOVIMENTO VARIADO RETARDADO MOVIMENTO RETARDADO Em iguais Δt os ΔS são cada vez menores. Velocidade Escalar Diminui c/ o passar do tempo. Δt 1 = Δt 2 ΔS 2 < ΔS 1 VELOCIDADE MÉDIA VELOCIDADE ESCALAR MÉDIA A velocidade média (V m ) com que um móvel vai do ponto 1 ao ponto 2 - Razão entre o Deslocamento (ΔS) de 1 até 2 e o intervalo de tempo (Δt) decorrido neste Deslocamento. Matematicamente: “Razão Incremental” Gráfico v-t p/ o M.U., pode-se calcular a Distância (d) percorrida durante um intervalo de tempo (t), calculando a área do triânguloda figura. VELOCIDADE ESCALAR MÉDIA Posição do Corpo em Vários Instantes POSIÇÃO t (s) X (m) A 0 30 B 10 52 C 20 28 D 30 0 E 40 -37 F 50 -53 vm = Tg vm = Δx/Δt vm = (160 – 20) / 2 vm = 70m/s vm = Tg vm = Δx/Δt vm = 80 - 20 / 1 vm = 60 m/s VELOCIDADE MÉDIA Um carro fazendo uma viagem de 60 km, desloca-se a 20 km/h nos primeiros 30 km, e a 60 km/h nos últimos 30 km. Seremos induzidos a dizer que a velocidade média no percurso todo será de (20 + 60) / 2 ou 40 km/h. Porém, isso é incorreto devido à convenção de que v m é definida com relação ao tempo, e não com respeito à distância. Se t 1 é o tempo necessário para vencer a 1ª parte da viagem (à velocidade v 1 ), e t 2 é o tempo para a 2ª parte (à velocidade v 2 ), então, de acordo com a definição de média, v m em relação ao tempo é: v m = (v 1 t 1 + v 2 t 2 )/(t 1 + t 2 ) ... eq.1 VELOCIDADE MÉDIA Quantidade v 1 t 1 = S 1 , é a distância percorrida à velocidade v 1 . Semelhantemente, v 2 t 2 = S2. Assim, substituindo-se na ...eq.1, tem-se: v m = [(v 1 t 1 ) + (v 2 t 2 )] / (t 1 + t 2 ) v m = [(S 1 ) + (S 2 )] / (t 1 + t 2 ) = S total /T total ...eq.2 Essa expressão inclui todos os fatores pesos, e dá a média temporal correta em todos os instantes, não importando como a velocidade muda com o tempo. Obteríamos o mesmo resultado para 3 ou mais intervalos de tempo. A equação eq.1 é uma média ponderada. Onde t1 e t2 são os fatores "peso" de cada medida de velocidade, em cada trecho. Podemos calcular a velocidade média do carro, avaliando t1 e t2 da relação t = S / v Calculando os tempos: t1 = 30 km / (20 km/h) = 1,5 h; t2 = 30 km / (60 km/h) = 0,5 h. Substituindo esses valores na ...eq.1 obtem-se: v m = (20 x 1,5 + 60 x 0,5) / (1,5 + 0,5) v m = 30 km/h e não 40 km/h (AFA-2003) Um automóvel faz uma viagem em que, na primeira metade do percurso, é obtida uma velocidade média de 100 km/h. Na segunda metade do percurso a velocidade média desenvolvida é de 150 km/h. Determinar a velocidade média, ao longo de todo o percurso: S1; V1 = 100 km/h; S2; V2 = 150 km/h S1 = S2 = 100 km (valor arbitrado) Equação Horária do Movimento: S = v x t S 1 = v 1 x t 1 t 1 = S 1 / v 1 t2 = S2 / v2 = S1 / v2 = (v1 x t1) / v2 t2 = 100 t1 / 150 = 1,5 t1 t1 = S1 / v1= 100 km / 100 km/h = 1 h t2 = 1,5 t1 = 1,5 x 1 h = 1,5 h vm = (v1 x t1) + (v2 x t2) / (t1 + t2) vm = (100 x 1 + 150 x 1,5) / (1 +1,5) vm = (100 + 225) / (1 +1,5) = 325 / 2,5 v m = 130 km/h. (Unesp 2008) Os movimentos de dois veículos, I e II, estão registrados no gráfico abaixo. Sendo os movimentos retilíneos, a velocidade do veículo II no instante em que alcança I é: a) ( ) 15 m/s. b) ( ) 20 m/s. c) ( ) 25 m/s. d) ( ) 30 m/s. e) ( ) 35 m/s. O gráfico mostra a variação da velocidade com o tempo. A variação de espaço e aceleração escalar média entre 0 s e 10 s foram respectivamente: a) ( ) 110 m e -3 m/s²; b) ( ) 100 m e 2 m/s²; c) ( ) 140 m e -1,5 m/s²; d) ( ) 140 m e 2 m/s²; e) ( ) 110 m e -1,2 m/s². VELOCIDADE INSTANTÂNEA VELOCIDADE ESCALAR (INSTANTÂNEA) Num dado instante t 1 , é o Limite da Velocidade Escalar Média definida entre os instantes t 1 e t 2 , quando o instante t 2 torna- se cada vez mais próximo de t 1 (o que corresponde dizer que Δt tende p/ 0. Taxa de Variação da Posição c/ Tempo Quando estamos no limite em que o intervalo Δt é zero, temos a VELOCIDADE INSTANTÂNEA no exato momento em que o carro passa pelo radar. Podemos expressar matematicamente esta última frase da seguinte forma: Esse limite (lim) define a derivada primeira da posição (S) com relação ao tempo (t) dx/dt. VELOCIDADE INSTANTÂNEA (v) num dado instante é a derivada com relação ao tempo da função que descreve a posição (S) da partícula neste dado instante. Leia: Flúxions de Newton. Em CÁLCULO DIFERENCIAL, sendo S = S(t) a função que associa a cada t um e um só S, a veloc. V, no instante genérico t será a Derivada da Função S = S(t) em relação ao tempo t e escreve-se: V = ds(t) / dt Expressão que nos permite obter a Velocidade Escalar do móvel em cada instante de seu movimento e denomina-se “Lei de Velocidade” ou, “Equação da Velocidade”. VELOCIDADE ESCALAR é o Módulo da Velocidade Instantânea: V = |V|; Logo é uma Grandeza Escalar. Aproximando-se cada vez mais o ponto B do ponto A, a VELOCIDADE MÉDIA entre A e B tende p/ a VELOCIDADE INSTANTÂNEA em A. Em um gráfico da posição da partícula em função do tempo, S(t) = f(t), a Veloc. Instantânea em qualquer ponto é igual à Inclinação da Reta Tangente da curva nesse ponto, a qual deve ser medida c/ o auxílio de uma régua. V = Tg V = ΔS/Δt V = 160m / 4s V = 40 m/s A C E L E R A Ç Ã O QUE É ACELERAÇÃO MÉDIA ? Grandeza física (a) que causa a variação rápida ou lenta da velocidade v de um corpo de massa m, devido aplicação de uma força F. Indica como varia a velocidade à medida que o tempo passa. Quociente da variação da velocidade (Δv) do móvel ocorrida entre os instantes t 1 e t 2 pela extensão (S) desse intervalo de tempo (Δt). Como Se Calcula a m ? ACELERAÇÃO ESCALAR INSTANTÂNEA Num dado instante t1, é o limite da aceleração escalar média calculada entre os instantes t1 e t2 quando o instante t2 torna-se cada vez mais próximo de t1. No Cálculo Diferencial, a aceleração escalar - derivada da velocidade em relação ao tempo ou derivada segunda do espaço em relação ao tempo: DIAGRAMA da ACELERAÇÃO Gráfico Cartesiano Ortogonal da Função a = a(t). Versão Geométrica, no plano cartesiano a versus t, da dependência entre a e t. a) A área compreendida entre a curva da aceleração e o eixo dos tempos, entre 2 instantes do movimento, é Ṉ igual á variação da velocidade (Δv) do móvel nesse intervalo de tempo (Δt). b) A Declividade da Curva no instante t 1 é Ṉ igual á "sacudida" escalar do movimento nesse instante. DIAGRAMA da ACELERAÇÃO A fig. abaixo refere-se a um movimento variado cuja aceleração escalar varia linearmente com o tempo e, nesse caso, a sacudida (& = da/dt = tg) é constante e não nula (a ≠ 0). Em um gráfico da velocidade da partícula em função do tempo, v(t) = f(t), a Aceleração Instantânea em qualquer ponto é igual à inclinação da tangente da curva nesse ponto. ACELERAÇÃO INSTANTÂNEA GRÁFICO v-t Aceleração média na decolagem de um avião a jato F14 Tomcat de um porta-aviões: Desaceleração média na aterrisagem de um avião a jato F18 Hornet em um porta-aviões: 3 – MOVIMENTO UNIFORME VARIADO (M.U.V.) CINEMÁTICA ESCALAR (do Ponto e dos Sistemas) S = S o + v . t CARACTERÍSTICAS DO M.U.V. ACELERAÇÃO VELOCIDADE Constante e ≠ 0 Varia de Quantidades Iguais em Intervalos de Tempos Iguais a = Δv / Δt a = (v – v o ) / (t – t o ) MOVIMENTO COM ACELERAÇÃO CONSTANTE a = Δv/Δt ACELERAÇÃO – Taxa de Variação da Velocidade a = Δv/Δt Pela definição temos: Unidade SI: Considerando-se que intervalos de tempo são sempre positivos temos: MOVIMENTO UNIFORME VARIADO – M.U.V. T I P O ACELERAÇÃO VELOCIDADE ACELERADO POSITIVA a > 0 AUMENTA v > v o RETARDADO NEGATIVA a < 0 DIMINUI v< v o LEI HORÁRIA Lei de Movimento, Função Horária, Equação Horária: Expressão matemática da dependência entre o espaço S e o tempo t, associando a cada t um e um só S (bijetora). Simbolicamente: S = S(t), S = 2t2 + 3t + 1 (Eq. do 2º Grau M.R.U.V. e a = cte.); No M.U.V. a Função Horária do Espaço S é sempre uma função de segundo grau em t, e está intimamente relacionada ao Gráfico S-t. LEIS do M.U.V. 1 Lei Horária S = S o + v o .t + a.t 2 /2 2 Lei de Velocidade v = v o + a.t 3 Lei de Aceleração a = a m = cte. e ≠ 0 4 Lei de Torricelli v 2 = v o 2 + 2a(ΔS) 14. TABELA HORÁRIA 1º Passo Experimental p/ a determinação de uma lei horária: Tabelar, lado a lado, valores particulares de t c/ os correspondentes valores obtidos experimentalmente p/ s. 15. DIAGRAMA HORÁRIO Plano Cartesiano da função S = S(t). Versão geométrica, No Plano Cartesiano S versus t, da dependência entre S e t. Tal gráfico nada tem a ver com a trajetória. Exemplo: O estudo do movimento de um móvel ao longo de uma trajetória forneceu a tabela abaixo. Estabelecer sua lei horária e o seu diagrama horário. 16. ABSCISSA INICIAL (So) ou Espaço inicial - Abscissa (espaço) que localiza o móvel no instante inicial da contagem dos tempos (t = 0). No diagrama horário, o ponto A onde a “curva do diagrama” corta o eixo S tem justamente as coordenas S = So e t = 0. P R O P R I E D A D E S N O S M.U.V. E Q U A Ç Õ E S P R O P R I E D A D E a Cte. e ≠ 0 Aceleração escalar é constante e não nula. [dV ~ dt] ΔV são proporcionais às extensões dos Δt necessários p/ produzí-los (v m ) t1 ... t2 = (v 1 + v 2 ) / 2 V m entre t 1 e v 2 é a média aritmética das velocidades nesses instantes. ΔS = V o (Δt)+ a (Δt)2/2 Re-escrevendo a Lei Horária V m = V o + a (t / 2) da: V m = (S - S o )/(t - t o ) = V o + a (t - t o ) / 2 e, fazendo t o = 0, fica: COMPORTAMENTO do MÓVEL DURANTE CERTO INTERVALO de TEMPO ΔT TIPOS de MOVIMENTOS C A R A C T E R Í S T I C A S 1 U N I F O R M E Velocidade Escalar permanece constante no Δt considerado (v = cte. ≠ 0) 2 UNIFORMEME NTE VARIADO Aceleração Escalar permanece const. no Δt considerado (a = cte) 3 V A R I A D O Aceleração Escalar experimenta variações no Δt considerado [a = f(t)] 4 ACELERADO Velocidade Escalar Cresce, em valor abs., no Δt considerado (v.a > 0) 5 RETARDADO Velocidade Escalar Decresce, em valor abs., no Δt considerado (v.a < 0) SINAL de V SINAL de a SINAL de V.a V CLASSIFICAÇÃO MOV. VARIADO () () () Aumenta Progressivo Acelerado V > 0 e a > 0 ( ̶ ) ( ̶ ) () Aumenta Retrógrado Acelerado V < 0 e a < 0 () ( ̶ ) ( ̶ ) Diminui Progressivo Retardado V > 0 e a < 0 ( ̶ ) () ( ̶ ) Diminui Retrógrado Retardado V < 0 e a > 0 Fonte: Livro de Física, Djalma Nunes da Silva, 1ª Edição, São Paulo, Editora Ática, ano 2007. 4 – MOVIMENTO de QUEDA LIVRE CINEMÁTICA ESCALAR (do Ponto e dos Sistemas) QUEDA LIVRE Movimento resultante da aceleração devido à gravidade, em que os corpos sobem ou descem no vácuo ou desprezamos a resistência do ar. Um corpo em queda livre está sujeito a apenas uma força: o seu próprio peso: P = m . g Próximos da superfície da Terra, pontos materiais livres realizam M.U.V. com Aceleração Escalar praticamente constante, denominada: Aceleração Local da Gravidade e indica-se por g. Com eixo de movimento vertical (y) a aceleração escalar do ponto: a) Orientado p/ : a = - g; b) Orientada p/ : a = + g. Valor normal de g = 9,80665 m/s2. No vácuo, todos os corpos caem c/ a mesma aceleração. LEIS DO MOVIMENTO de QUEDA LIVRE VERTICAL São exatamente as mesmas do M.U.V. nas seguintes condições: a) Com referencial ligado à Terra, a trajetória da partícula é vertical; b) Aceleração escalar da partícula identifica-se com a aceleração local da gravidade. Vejamos as equações p/ 2 situações comuns: a) LANÇAMENTO a partir da altura h (ou abandono) Eixo de movimento orientado p/ cima (contrário ao sentido da aceleração da gravidade): M.R.U.A. b) LANÇAMENTO à partir do solo, Lei Horária: y = v o .t -(1/2)g.t 2 Corpo atinge y máx quando V = 0. y máx. = V o 2 /2g y máx. = V o 2 sen²/2g E ix o d e m o v im e n to O ri e n ta d o p / C im a :M . R . U . R . L E I DEFINIÇÃO E Q U A Ç Ã O HORÁRIA Corpos Caem uma Altura Proporcional ao Quadrado do Tempo y = h + vo.t – (g.t 2)/2 VELOCI- DADE Corpos Caem c/ Velocidade Proporcional ao Tempo v = + vo - g.t ACELE- RAÇÃO Corpos Caem c/ Aceleração Constante a = - g = cte. TORRI- CELLI Corpos Caem c/ V f a Partir de uma Altura v2 = vo 2 - 2gh QUEDA LIVRE DOS CORPOS EQUAÇÕES RELAÇÕES S - So = vo.t + a.t 2/2 XY a = - g y- yo = vo.t + g.t 2/2 S - So = v.t - a.t 2/2 y - yo = v.t + g.t 2/2 S- So= [(vo + v.t)/2]t y- yo= [(vo+ v.t)/2]t v = v o + a.t v = v o - g.t v2 = vo 2 +2a(S - So) v 2 = vo 2 - 2g(y - yo) A R R A S T O Um objeto caindo em um gás ou líquido é sujeito a uma força em sentido oposto ao seu movimento. A velocidade terminal é alcançada quando a força de arrasto F d é igual em módulo à força da gravidade F g que empurra o objeto para baixo: F d = F g Aceleração de um corpo em queda livre, em relação a um referencial que também está em queda livre, é nula. Explique cada uma das situações enfrentadas pela menina. Paraquedista só fica em queda livre no instante t o = 0 do salto, quando a resistência do ar é zero Aumento da velocidade de um paraquedista, que salta c/ o paraquedas fechado, produz o surgimento de uma força FR de resistência do ar que reduz a resultante das forças R a atuar sobre o paraquedista. Assim, a aceleração de queda torna-se menor que a aceleração de queda livre. 5 – MOVIMENTOS CIRCULARES CINEMÁTICA ESCALAR INTRODUÇÃO É notável que em nosso cotidiano seja fácil verificarmos objetos e corpos que descrevem um movimento circular, por exemplo, a roda de uma bicicleta, o movimento de um ventilador, polias de um motor etc. Com isso, podemos dizer que o movimento circular é um dos estudos mais importantes, pois a grande maioria das máquinas que usamos baseia-se nesse tipo de movimento. MOVIMENTO CIRCULAR Corpo descreve trajetória circular, podendo ser uma circunferência ou um arco de circunferência. CLASSIFICAÇÃO DO MOV. CIRCULAR Conforme ausência ou presença de aceleração tangencial: a) Movimento Circular Uniforme (M.C.U.); b) Mov. Circular Unif. Variado (M.C.U.V.). MOVIMENTOS CIRCULARES Movimento de um Ponto Material (C.R.) sobre uma circunferência de Centro O e Raio R. Em geral orienta-se positivamente a trajetória segundo o sentido anti-horário, conforme c/ a trigonometria. 1. RELAÇÃO FUNDAMENTAL Entre a abscissa linear S e a abscissa angular θ é: S = θ * R (geometria plana). Dessa relação infere-se que, do conhecimento da S = S(t) Função Horária Linear Resulta o conhecimento da θ = θ(t) Função Horária Angular: θ(t) = S(t) / R Descreve a orientação do C.R. PosiçãoAngular () de um objeto no plano XY é o ângulo entre o vetor unitário (i) e o vetor posição (r) do objeto, medido no sentido anti-horário a partir de i. θ – Grandeza Escalar (rad) A Distância (S) percorrida por um objeto durante um deslocamento angular (Δ) corresponde ao arco descrito pela sua trajetória. S = r * Δθ Grandeza Escalar DESLOCAMENTO ANGULAR (Δ) Variação entre a posição angular inicial (1) e a posição angular final (2). Δ = 2 - 1 (rad) Grandeza Escalar Correia c/ Polias Escalonadas p/ Variação de Velocidade 2. VELOCIDADE ANGULAR ESCALAR MÉDIA No intervalo de tempo de t1 a t2 é: ω m = Δ / Δt ω m = ( 2 - 1 ) / (t 2 – t 1 ) rad/s 3. VELOCIDADE ANGULAR INSTANTÂNEA No instante t1 é: ωt1 = limt2 t1 ω mz = limΔt0 Δ / Δt = d / dt 4. RELAÇÃO - Entre a velocidade linear escalar (V) e a velocidade angular escalar (ω), no instante t: De S = .R vem ds/dt = d.R/dt V = ω.R Onde: ds/dt = V; d./dt = ω; 5. ACELERAÇÃO ANGULAR ESCALAR MÉDIA - No intervalo de tempo de t1 a t2 é: (item 9 resumo) am = Δω / Δt = (ω2 - ω1) / (t2 – t1) rad/s² 6. ACELERAÇÃO ANGULAR INSTANTÂNEA No instante t1 é: (veja item 10) at1 = limt2 t1 am = limΔt 0 Δω / Δt = dω / dt an = d² / dt² 7. Módulo da Aceleração Vetorial da Partícula p/ o Instante t: a = a² + ac² ROTAÇÃO c/ VELOCIDADE ANGULAR CTE. Derivação da Equação de Movimento Rotacional: ω = ωo Da Velocidade Angular Instantânea: ωo = dθ/dt dθ = ωodt θ - θo = ωo (t – to) p/ to = 0 θ = θo + ωot Eq. do Movimento Translacional: S = So+ voxt ROTAÇÃO c/ ACELERAÇÃO CONSTANTE Movimento Translacional (Direção Fixa) a = cte. ≠ 0 GRANDEZA LINEAR Movimento Rotacional (Eixo Fixo) an = cte. ≠ 0 GRANDEZA ANGULAR FUNÇÕES LINEARES do MOVIMENTO FUNÇÕES ANGULARES do MOVIMENTO S - So = Vot + (a.t 2)/2 θ - θo = ωo.t + (a.t 2)/2 S - So = [(V + Vo)t]/2 θ - θo = [(ω + ωo)t]/2 S - So = V.t + (a.t 2)/2 θ - θo = ω.t + (a.t 2)/2 V = Vo + a.t ω = ωo + a.t V2 = Vo 2 + 2a(S - So) ω² = ω²o + 2a (θ – θo) M.C.U. VARIADO (Aspecto Escalar) - Trajetória é um arco de circunferência e cuja Lei Horária é do 2o grau na variável t. 8. RELAÇÃO entre a Aceleração Linear Escalar e a Aceleração Angular Escalar, no instante t: De v = ω * R vem dv/dt = dω*R/dt a t = a n * R at – Aceleração Tangencial; an – Aceleração Angular; Vetores velocidade no tempo t e tempo t + dt são movidos na órbita à esquerda até novas posições onde duas caudas coincidem, à direita. Devido à velocidade ser fixa em magnitude a v = r ω, os novos vetores velocidade são varridos para um caminho circular com taxa angular ω. À medida em que dt → 0, o vetor aceleração a torna- se perpendicular a v, o que significa que ele aponta em direção ao centro da órbita no círculo da esquerda. O ângulo ω dt é o pequeno ângulo entre as duas velocidades e tende a zero à medida em que dt→ 0. a) ω é ao plano da órbita; b) ac tem sentido inverso ao vetor posição R; Direção do Vetor Velocidade Angular R E L A Ç Õ E S Grandeza Linear Grandeza Ang. x Raio Funções Lineares do Movimento Funções Angulares do Movimento S = θ * R v = ω * R at = an * R 8. MOVIMENTO CIRCULAR UNIFORME M.C.U. (Aspecto Escalar) É todo movimento cuja trajetória S é um arco de circunferência e cuja Lei Horária é do 1o grau na variável t. FUNÇÕES DO MOVIMENTO LINEARES ANGULARES S = So + v * t θ = θo + ω * t (θ rad e t s) v = Cte. ≠ 0 ω = Cte. ≠ 0 (rad/s) at = Cte. = 0 an = Cte. = 0 8. MOVIMENTO CIRCULAR UNIFORME M.C.U. (Aspecto Escalar) É todo movimento cuja trajetória S é uma circunferência ou um arco de circunferência e cuja Lei Horária é do 1o grau na variável t. Observações: a) M.C.U é periódico de período T. Valem as relações: ƒ = 1/ T; ω = 2 / T ω = 2f; b) M.C.U.V. não é periódico. a) PERÍODO (T) - Extensão do intervalo de tempo que separa a passagem do ponto 2 vezes pela mesma posição, c/ o mesmo sentido de movimento, consecutivamente. Matematicamente é o menor dos A que satisfaz a função periódica S = a.cos(ω.t + θo). Elementarmente, é o intervalo de tempo necessário p/ o ponto realizar uma oscilação completa. b) FREQUÊNCIA (ƒ) - Número de períodos que perfazem a unidade de tempo; Matematicamente: ƒ = 1/T s-1 = 1/T Hz (hertz). De modo elementar, é o número de oscilações completas que o ponto realiza na unidade de tempo. Unidade Hertz (Hz): homenagem ao físico alemão Heinrich Hertz, (1857–1894) que fez grandes contribuições científicas na área do eletromagnetismo. Unidade estabelecida na Comissão Eletrotécnica Internacional (International Electrotechnical Commission) em 1930 e adotado na Conferência Geral de Pesos e Medidas (Conférence générale des poids et mesures) em 1960 substituindo, assim, o nome “ciclos por segundo” (cps), juntamente com seus múltiplos, quilociclos por segundo (kc/s), megaciclos por segundo (Mc/s) e assim por diante. O termo ciclos por segundo foi amplamente substituído por “Hertz" apenas na década de 1970. O tempo que a partícula gasta para efetuar uma volta completa é denominada período (T) do movimento. O espaço percorrido pela partícula, durante um período, é o comprimento da circunferência que, vale 2..R (R - raio da trajetória). Como o movimento é uniforme, o valor da velocidade será dado por: logo, v = 2..R / T 2 rad = 360 FREQUÊNCIA DO MOVIMENTO CIRCULAR Supor que uma roda efetue 30 voltas completas em um tempo igual a 10 segundos. A frequência (ƒ) desse movimento é, por definição, o quociente entre o número de voltas e o tempo gasto para efetuá-las. Logo, a frequência da roda será: ƒ = 30 voltas / 10 s = 3 voltas / s Observe que esse resultado significa que a roda efetuou 3 voltas em cada 1 segundo. A unidade de frequência,1 volta/s, é 1 Hz. FORÇA CENTRÍPETA Sempre direcionada p/ o centro da circunferência. Alguns exemplos: - Secadora de roupas; - Satélites em órbita circular em torno do centro da Terra. Já ouvimos alguém relatar que um carro, envolvido em um acidente, saiu pela tangente em uma curva. Muitos são os fatores que podem fazer com que isso ocorra, o excesso de velocidade, a má conservação da pista, pneus desgastados, chuva, cochilo, etc. Sempre que um corpo se movimenta em uma trajetória não retilínea, age sobre ele uma força cujo efeito é alterar sua direção, para que o móvel possa percorrer a trajetória curva. Essa força é chamada de FORÇA CENTRÍPETA. CENTRÍPETA = o que se dirige para o centro. Esquerda: Bola em movimento circular - a corda provê a força centrípeta que mantém a bola em círculo. Direita: A corda é cortada e a bola continua em linha reta com a velocidade do momento de corte da corda, de acordo com a 1ª Lei de Newton da Inércia, pois a força centrípeta não mais está lá. 1ª Lei de Newton A velocidade escalar permanece constante durante todo o trajeto e a velocidade vetorial apresenta módulo constante, no entanto sua direção é variável. Aceleração Tangencial é nula (a t = 0), porém a Aceleração Centrípeta não é nula (a c ≠ 0). Módulo da Aceleração Centrípeta: a c = V 2 /R V – Velocidade tangencial; R - Raio da circunferência descrita pelo móvel. Conforme a 2ª Lei de Newton, a Força Centrípeta é capaz de imprimir ao corpo uma aceleração ac, sempre ┴ aovetor velocidade e orientada p/ o centro da curva. P/ um móvel descrever o M.C.U. é necessário atuação de uma força sobre ele, mudando-lhe a posição. Se tal não ocorrer o móvel descreverá um M.R.U. Matematicamente Força Centrípeta: F c = m. a c ac - Aceleração Centrípeta: a c = V 2 /R Substituindo na equação acima: F c = m.V 2 /R ACELERAÇÃO CENTRÍPETA (ac) provoca a variação da direção do vetor velocidade. Seu módulo é dado por: a c = V² / R V - Vetor velocidade, tangente ao movimento; R - Raio da trajetória circular. ac indica apenas a direção da velocidade vetorial. p/ M.R.U., ac = 0, pois não há mudança na direção da velocidade vetorial. p/ M.C.U., ac está orientada p/ o centro da trajetória e tem módulo constante, pois a velocidade escalar v e o raio R são constantes. Ex. 1: Um carro move-se em uma pista circular com aceleração centrípeta igual a 2,5 m/s2. Determine a velocidade do carro, sabendo que o raio da pista é de 360 m. a c = V² / R Ex. 2: Uma partícula move-se em trajetória circular de raio Ro = 24 m, em movimento uniformemente acelerado, de aceleração escalar a = 3 m/s². No instante t = 0, a velocidade da partícula tem módulo 6 m/s. Determine para o instante t = 6 s, o módulo da aceleração vetorial da partícula. vo = ω . Ro ω = vo / R = 6 m/s / 24m = 0,25 rad/s v = vo + a .t = 6 m/s + 3 m/s² x 6s = 6 + 18 = 24 m/s R = v / ω = 24 m/s / 0,25 rad/s = 96 m ac = ω² . R = (0,25 rad/s)² x 96 m = 6 m/s² a = a² + ac² = 3² + 6² = 9 + 36 = 45 = 35 m/s² EIXO INSTANTÂNEO DE ROTAÇÃO (E.I.) ONDE SE LOCALIZA E PARA QUE SERVE? http://www.if.ufrgs.br/cref/?area=questions&id=629 Importante conceito aplicável à Mecânica das Rotações. Origina-se em considerações estritamente cinemáticas. A figura abaixo representa um SISTEMA de REFERÊNCIA S.R. que gira em torno da sua origem e simultaneamente se traslada em relação ao SISTEMA de REFERÊNCIA S.R'. a) Verde - Velocidade de Translação de S.R. b) Vermelha - Velocidade devida à rotação em torno da origem de S.R. Cada ponto do S.R. tem em relação ao S.R’ 2 Velocidades Lineares: a) Setas Verdes, c/a mesma orientação e intensidade, b) Setas Vermelhas possuem intensidades proporcionais à distância que o ponto considerado se encontra da origem do Sistema S.R. (por onde passa o eixo de rotação) e estão cruzadas (são ┴) c/ o raio vetor que vai da origem de S.R. até o ponto considerado. A velocidade que um particular ponto solidário a S.R. possui em relação a S.R' é a composição das 2 velocidades (soma vetorial) representadas em VERDE e VERMELHO. Esta composição resulta em um campo de velocidades em relação a S.R' representado em cada ponto por um seta LARANJA na figura abaixo. Este campo de velocidades mostra (e isto é possível de se provar rigorosamente) que o Sistema S.R. está, neste instante representado, apenas girando em torno de um eixo indicado na figura por E.I. Este eixo, em torno do qual neste instante (instantaneamente) o Sistema S.R. apenas gira é denominado EIXO INSTANTÂNEO DE ROTAÇÃO (E.I.). Se tivermos um Corpo Rígido se trasladando em relação a um determinado sistema de referência enquanto gira em torno de um eixo que é trasladado junto com o corpo então decorre do que acima foi exposto que sempre é possível se encontrar um eixo em torno do qual, instantaneamente (em um particular instante), o corpo APENAS gira. Nem sempre é simples localizar tal eixo. O caso particular, onipresente nos textos de Física Geral que tratam da Dinâmica do Corpo Rígido, é o do corpo que rola sem deslizar (esfera, cilindro, disco) sobre uma superfície rígida. Neste caso o EIXO INSTANTÂNEO DE ROTAÇÃO passa pela região de contato do corpo com a superfície de rolamento. Entretanto o conceito de E.I. pode ser aplicado a qualquer movimento que se constitua em uma translação superposta a uma rotação e esta abordagem simplificará os cálculos que envolvem as ações exercidas sobre o corpo (forças e torques) e suas relações com as grandezas cinemáticas de interesse. ALGUNS EXEMPLOS ADICIONAIS DE CORPOS EM ROTAÇÃO QUE SE TRASLADAM E O SEU RESPECTIVO E.I. 1) Um corpo que apenas execute translação tem o seu E.I. no infinito. 2) A roda de um automóvel (modelada como um C.R.) que patina em uma arrancada violenta tem o seu E.I. entre o eixo da roda e a pista de rolamento. 3) A roda de um automóvel (modelada como um C.R.) que em uma frenagem (sem freio ABS) desliza sobre a pista s/ ser completamente bloqueada tem o seu E.I. abaixo da pista de rolamento. http://pontov.com.br/site/opengl/177-transformacoes • TRANSLAÇÃO: Afasta o objeto ao longo de um vetor, dentro do seu sistema de coordenadas atual; • ROTAÇÃO: Gira o sistema de coordenadas do objeto em torno de um ou mais eixos; Como a translação e rotação ocorrem sobre o sistema de coordenadas atual do objeto, sua ordem é importante. Observe na figura abaixo, o que acontece se aplicarmos a rotação antes da translação e vice- versa: O gráfico indica a velocidade de um atleta ao longo de uma corrida de 100 m. Indique em que trecho da corrida a velocidade do atleta foi aproximadamente constante. a. ( ) De 0 a 20 m. b. ( ) De 20 m a 40 m. c. ( ) De 40 m a 60 m. d. ( ) De 60 m a 80 m. e. ( ) De 80 m a 100 m. Um parque de diversões era famoso por ter um brinquedo de tiro ao alvo que nunca havia premiado ninguém. A brincadeira consistia em acertar um grande urso de pelúcia com um tiro de espingarda, equipada com balas de borracha. A dificuldade estava no seguinte fato: entre a espingarda e o urso havia uma esfera giratória, de 1 m de diâmetro, que, necessariamente, seria atingida pela bala. A velocidade de giro da esfera é constante e ajustada pelo participante. No entanto, só levaria o prêmio quem conseguisse acertar o urso fazendo um único furo na esfera. Obs.: Considere que a bala sempre passe pelo centro da esfera e que tenha velocidade constante igual a 360 km/h. Despreze a ação da gravidade sobre a bala. Para conseguir o prêmio, a velocidade de rotação da esfera deve ser: a) 0,01 rad/s; b) 0,1 rad/s; c) rad/s; d) / 0,1 rad/s; e) / 0,01 rad/s; 1º passo - Entender que para atingir o urso fazendo um único fura na esfera é necessário que o tempo gasto pela bala para percorrer o diâmetro de 1 m da esfera seja igual ao tempo gasto para a esfera dar meia volta 180°. Esquematizando a situação, tem-se: 2º passo – Observar que as unidades nas respostas alternativas estão em rad/s, logo, o tempo deve ser em segundos (s) e o da esfera em metros (m). Por isso, a velocidade da bala deve estar em m/s. Então, converte-se 360 km/h em m/s: Agora as unidades de medida estão de acordo. 3º passo - Utilizar o conceito de velocidade escalar (V) da bala e velocidade angular (ω) da esfera para calcular a velocidade que a esfera deve descrever para que a bala a fure e percorra seu diâmetro atingindo, novamente, o mesmo furo inicial. Para isso acontecer o período de deslocamento da bala dever ser igual ao período de meia volta da esfera, tem-se: Desta forma, descreve-se, acima, a velocidade angular adequada da esfera, para que a bala a perfure, somente, uma vez e acerte o urso. Para cada ponto x do seu domínio (D: 1, 4, 7) existe um ponto y na sua imagem Im: 6, 9,12 definida por f(x) = x + 5 BIUNÍVOCO - Correspondência entre2 conjuntos, que a cada elemento de um deles corresponde um, e só um, elemento do outro. Função Sobrejetora: Se, e somente se, o seu conjunto imagem é especificadamente igual ao contradomínio, Im = B. Se temos uma função f : Z Z definida por y = x +1 é sobrejetora, pois Im = Z; Função Injetora: uma função é injetora se os elementos distintos do domínio tiverem imagens distintas. A função f : A B, tal que f(x) = 3x; Função Bijetora: Se ela é injetora e sobrejetora. Ex.: A função f :AB, tal que f(x)= 5x + 4; É Injetora, pois x1 ≠ x2 em f(x1) ≠ f(x2); É Sobrejetora, pois p/ cada elemento em B existe pelos menos um em A, talque f(x) = y Plano Cartesiano e Produto Cartesiano Homenagem ao seu criador René Descartes (1596-1650), filósofo e matemático francês. Descartes em Latim, era Cartesius, daí Cartesiano. Plano Cartesiano Ortogonal - Constituído por 2 eixos X e Y ┴ entre si que se cruzam na origem O. Associando a cada um dos eixos o conjunto de todos os números , obtém-se o Plano Cartesiano Ortogonal. Plano Cartesiano Ortogonal Se A = {1,2,3} e B = {1,2} então: A x B = {(1,1), (1,2), (2,1), (2,2), (3,1), (3,2)} e B x A = {(1,1), (1,2), (1,3), (2,1), (2,2), (2,3)} cujas representações no plano cartesiano são: Produto Cartesiano Fonte: Prof. Luiz Ferraz Netto (feira de ciência) - leobarretos@uol.com.br; http://zediogoap.blogspot.com.br/2011/06/como-caracterizar-o- vector-deslocamento.html; David Halliday, Robert Resnick e Jearl Walker. Fundamentos de Física, vol.1: Mecânica, 6a edição, Livros Técnicos e Científicos Editora S.A, Rio deJaneiro (2002). Paul A. Tipler e Gene Mosca. Física, vol.I – Mecânica, ‘http://www.brasilescola.com/fisica/aceleracao-centripeta.htm; http://www.brasilescola.com/fisica/movimento-circular.htm; http://www.mundoeducacao.com/fisica/velocidade-periodo- frequencia-no-mcu.htm © By John Wiley & Sons - 2002; © By Pearson Education – 2004; © By David M. Harisson – 2004;
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