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sites.google.com/site/profafguimaraes 1 Prof. A.F.Guimarães Física 1 – Questões 4 Questão 1 Uma partícula se movimenta de modo que sua posição em função do tempo é dada por: 2( ) 2r t i t j tk= + −? . a) Escreva expressões para a sua velocidade e aceleração em função do tempo. b) Qual é a trajetória da partícula? Resolução: a) 4 4 . drv tj k dt dva j dt = = − = = ?? ?? b)Trata‐se de uma trajetória dada por um arco de parábola: A partícula possui aceleração na direção do eixo OY e uma velocidade uniforme da direção do eixo OZ (no sentido negativo). Questão 2 Um rifle cuja velocidade de disparo é de 550 m⋅s‐1 é usado para atirar em um alvo distante de 45 m. Para que altura acima do centro do alvo o rifle deverá ser apontado, de modo que a bala atinja o alvo? Resolução: Previamente, determinaremos o valor do ângulo θ de lançamento, utilizando a expressão do alcance: 2 0 2 2 550 245 9,8 4412 2 0,0015 302500 v senR g sen sen sen θ θ θ θ = = = ⇒ = z y x Arco de parábola t=0, x=1, y=0 e z=0 sites.google.com/site/profafguimaraes 2 Poderíamos utilizar as relações trigonométricas, mas vamos recorrer a uma calculadora e determinar θ: 1 0 2 0,0015 0,042 . senθ θ −= ∴ ≅ Com o valor de θ e do alcance, poderemos determinar a altura: tan tan 0,033 3,3 . y R y R y m cm θ θ = = ∴ ≅ = Questão 3 Uma bola é atirada do chão para o ar. Quando ela atinge uma altura de 9,0 m, a velocidade é dada por: 6 3v i j= +? em m⋅s‐1 (eixo Ox horizontal, eixo Ou vertical). a) Até que altura a bola subirá? b) Qual será a distância horizontal total percorrida pela bola? c) Qual é a velocidade da bola (módulo e direção) no instante anterior a que ela toca o chão? Resolução: a)Podemos determinar o ponto, a partir dos 9,0m, mais alto da trajetória. 2 2 0 2 2 0 3 19,6 9 . 19,6 v v gH H H m = − = − = Logo a altura total será: 9 185,49 19,6 19,6 9,46 . T T H H m = + = ∴ ≅ b) O tempo de descida será: 2 2 2 2 9,8 18,929,46 1,4 . 2 9,8 gty t t t s ∆ = = ⇒ = ⇒ ≅ R y θ sites.google.com/site/profafguimaraes 3 O tempo total será de 2,8s. Logo o alcance será: 6 6 2,8 16,8 .R t m= ⇒ ⋅ = c) Imediatamente antes de tocar o solo, a velocidade da partícula na direção do eixo y será: 1 9,8 1,4 13,72 . y y y v gt v v m s− = ⇒ = ⋅ = ⋅ Assim, 6 13,72v i j= −? . Questão 4 Um malabarista consegue manter cincos bolas em movimento, arremessando, para cima uma de cada vez, em sequência, até uma altura de 2,5m. a) Determine o intervalo de tempo entre os arremessos sucessivos. b) Dar as posições das outras bolas no instante em que uma delas chega a sua mão. Despreze o tempo gasto para transferir as bolas de uma das mãos para a outra. Resolução: a) Considere a figura abaixo. Vamos determinar a velocidade de lançamento das bolas: 2 2 0 2 0 2 1 0 0 2 0 2 9,8 2,5 49 7 . y y y y y v v gh v v v m s− = − = − ⋅ ⋅ = ⇒ = ⋅ Com o valor da velocidade inicial, poderemos determinar o tempo de subida da bola: 0 0 7 9,8 0,7 . y yv v gt t t s = − = − ≅ Levando em consideração que a bola leva 0,7s para subir até 2,5m, e que o movimento deve ser periódico com intervalos de tempos iguais, podemos concluir que o intervalo de tempo entre dois movimentos sucessivos vale 0,35s. 2,5m sites.google.com/site/profafguimaraes 4 b) Logo após sair da mão do malabarista, 0,35s depois, a posição da bolar é de: 2 0 2 9,8 0,12257 0,35 2 1,85 . y gty v t y y m ∆ = − ⋅∆ = ⋅ − ∴∆ ≅ Questão 5 Considere a figura abaixo. Um rifle é ajustado para lançar projéteis, com velocidade inicial v0, diretamente para cima, na rampa de uma colina cujo ângulo de elevação vale “α”. Determine o ângulo formado entre a direção da bala do rifle e a horizontal para que se obtenha o alcance máximo possível sobre o plano inclinado da colina. Resolução: Seja θ o ângulo que a direção do rifle forma com o plano inclinado. Desta forma teremos: ( ) ( )0 0 0; cos .y yv v sen v vθ α θ α= + = + Para a posição teremos: R v0 α R v0 α θ R senα R cosα 2,5m 1,85m t=0,35s t=0s t=0,7s t=1,05s t=1,40s sites.google.com/site/profafguimaraes 5 Podemos encontrar o tempo que a bala leva até encontra o plano inclinado: ( ) ( ) 0 0 cos cos cos . cos xx v t R v t Rt v α θ α α θ α = ⇒ = + = + Desta forma podemos encontrar a posição R, utilizando a expressão de y: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 2 0 0 2 2 0 2 2 0 0 2 2 2 0 2 2 2 0 2 cos cos cos 2 cos cos cos cos 2 cos cos coscos 2 coscos y gty y v t R g RR sen v sen v v sen g Rsen v sen seng R v α αα θ α θ α θ α θ α α αα θ α θ α θ α α α θ αα θ αθ α / / = + − // ⋅ = + ⋅ − ⋅/ + +/ += − ⋅+ + + − +⋅ = ++ Utilizando a relação: ( ) cos cossen A B senA B A senB− = ⋅ − ⋅ , teremos: ( ) ( ) 2 2 0 2 0 2 cos 2 cos 2 cos . cos g R sen v v sen R g α θθ α θ θ α α ⋅ =+ += (5.1) Agora, para se encontrar o ponto de máximo, poderemos derivar: dR/dθ. E determinar o ângulo θ que anule a derivada de R(θ). ( ) ( )( )2022 cos coscos vdR sen sen d g θ θ α θ θ αθ α= + − + . Utilizando a relação: ( )cos cos cos .A B A B senAsenB+ = − Teremos: ( )2022 cos 2 .cos vdR d g θ αθ α= + Tomando a derivada igual a zero: ( )cos 2 0 2 2 . 4 2 πθ α θ α π αθ + = ⇒ + = ∴ = − sites.google.com/site/profafguimaraes 6 Desta forma, o ângulo total será: . 4 2 π αθ α+ = + Escolhemos o valor π/2 para obter o ponto de máximo. Existe outra forma de se chegar a esse resultado. Tomando o referencial no plano inclinado. Referencial fora do plano (na horizontal). Referencial no plano inclinado. Feito isso, temos dois movimentos com aceleração. Movimento no eixo “y” e o movimento no eixo “x” esse último possui aceleração somente para o referencial no plano. Assim, cos . y x a g a gsen α α = = Podemos determinar o tempo de queda utilizando a expressão de “y”: 2 0 0 0 0 2 0 2 0 0 ; 2 cos0 0 2 cos 2 2 . cos y y y a t y y v t v v sen gv sen t t g t v sen t v sent g θ αθ α θ θ α / = + − = = + ⋅ − ⋅ /⋅ = ⋅ = R v0 α θ • g α ax ay sites.google.com/site/profafguimaraes 7 Substituindo na expressão de “x”, teremos: ( ) 2 0 0 2 2 0 0 0 2 2 2 2 2 0 0 2 2 2 0 2 2 2 4cos cos 2 cos 2 cos cos 2 cos cos 2 cos . cos x x a tx x v t v sen v sengsenR v g g v sen v sen senR g g v senR g θ θαθ α α θ θ α θ α α α θ θ αα = + − = ⋅ − ⋅ = − ∴ = ⋅ + Esse é o mesmo resultado de (5.1). Assim é só seguir o restante do procedimento. Questão 6 Mostre que se a aceleração devida à gravidade sofre uma variação dg, o alcance de um projétil, com velocidade v0 e ângulo θ0, sofrerá uma variaçãodR tal que dR R dg g=− . Caso a aceleração da gravidade sofra uma pequena variação ∆g (digamos em virtude da variação da latitude), o alcance de um projétil também sofreria uma variação. Seja ∆R a variação do alcance. Supondo ∆R e ∆g suficientemente pequenos, podemos escrever R R g g∆ =−∆ . Em 1936, Jesse Owens estabeleceu o recorde mundial de 8,09 m de salto em distância nos Jogos Olímpicos de Berlim ( )29,8128g m s−= ⋅ . Se, em vez desta Olimpíada, ele tivesse competido na Olimpíada de Melbourne em 1956 ( )29,7999g m s−= ⋅onde , qual deveria ser seu novo recorde? Resolução: Vamos utilizar a expressão do alcance: 2 0 2 0 2 2 2 . v senR g v sendR dg g dR R dR dg dg g R g θ θ = =− =− ∴ =− Assim, o novo recorde será: 29,7999 9,8128 0,0129 8,09 0,01298,09 0,011 9,8128 8,101 . g m s R m gR R g R m R m −∆ = − =− ⋅ = ⎛ ⎞∆ ⎟⎜ ⎟∆ = ⋅ −⎜ ⎟⎜ ⎟⎜⎝ ⎠ ∆ = ⋅ ≅ ′∴ ≅ sites.google.com/site/profafguimaraes 8 Questão 7 Várias pedras são lançadas de um ponto situado a uma distância R da borda de um penhasco de altura h, de tal modo que atingem o solo a uma distância x da base do penhasco, conforme indica a figura abaixo. Se você desejasse para x o menor valor possível, como você ajustaria θ0 e v0, supondo que é possível fazer variar v0 desde zero até um certo máximo finito e que θ0 pode variar continuamente? Resolução: Pode‐se começar com o ajuste do valor de θ0 de tal forma que 2θ0 seja imediatamente menor do que 1800. Como exemplo, vamos ajustar o valor de 890. Assim, para a velocidade teremos a seguinte condição: 2 0; 9,8 , 2 0,0352 16,7 . Rgv g m s sen sen v R θθ −> = ⋅ ≅ > (7.1) Desta forma teremos a seguinte configuração: Quanto mais próximo de 900, e utilizando a condição (7.1), menor será o valor de x. Questão 8 Quando uma partícula carregada se move num campo magnético ela sofre um desvio numa direção perpendicular à direção do movimento inicial. O raio de curvatura da trajetória de um elétron num dado instante vale 0,07 m. Neste instante o elétron sofre no interior do campo magnético uma aceleração radial igual a 2,0 ⋅1014m⋅s‐2. Calcule o módulo da velocidade do elétron neste instante. Resolução: Vamos utilizar a expressão dessa aceleração radial: 2 2 14 6 1 2 10 0,07 3,7 10 . cp v va r v m s− = ⇒ ⋅ = ∴ = ⋅ ⋅ h x R v0 θ0 θ0 v0 x sites.google.com/site/profafguimaraes 9 Questão 9 a) Obtenha uma expressão para o cálculo da aceleração centrípeta provocada pela rotação da Terra em função da latitude θ do local. b) Calcule a aceleração centrípeta nos pólos da Terra e ao longo do equador da Terra. c) Ache a aceleração centrípeta nas seguintes latitudes: θ=300, θ=450 , θ=600. d) Por qual fator deveria ser multiplicada a velocidade angular de rotação da Terra para que a aceleração centrípeta se tornasse igual a g/2 no equador da Terra? Resolução: a) Observando a figura, poderemos concluir: 2 2 2 ; ; cos cos . cp cp cp va v r r a r r R a R ω ω θ ω θ = = = = ∴ = b) A latitude nos pólos é de 900, assim, a aceleração é nula. No equador terrestre: o raio é de 6,37⋅106m, a velocidade angular é de 7,3⋅10‐5rad⋅s‐1. Como a latitude vale 00, teremos: ( )22 5 6 2 7,3 10 6,37 10 0,034 . cp cp a R a m s ω − − = ⇒ ⋅ ⋅ = ⋅ c) Para o cálculo das outras latitudes, é só tomar o resultado anterior e multiplicar pelos respectivos cossenos. ( ) ( ) ( ) 0 0 2 0 0 2 0 0 2 30 0,034 cos30 0,03 ; 45 0,034 cos 45 0,024 ; 60 0,034 cos60 0,017 . cp cp cp a m s a m s a m s − − = ⋅ = ⋅ = ⋅ = ⋅ = ⋅ = ⋅ d) 2 6 4 1 4 5 9,8 6,37 10 8,8 10 2 8,8 10 12. 7,3 10 rad sω ω ω ω − − − − ′= ⋅ ⋅ ⇒ ≅ ⋅ ⋅ ′ ⋅= ≅⋅ θ θ R acp Rcosθ sites.google.com/site/profafguimaraes 10 Questão 10 a) Obtenha uma expressão para o vetor posição r? de uma partícula que descreve um movimento circular uniforme, usando coordenadas cartesianas ortogonais e os vetores unitários i e j. b) A partir da expressão do vetor posição deduza expressões para a velocidade v? e para a aceleração a? . c) Prove vetorialmente que a aceleração no movimento circular uniforme é dirigida para o centro da circunferência. Resolução: a) ( )cosr r i jsenα α= +? b) ( ) ( ) ( ) (cos ) ( )cos ; 0 cos ; cos . dr dr d d sen drv i jsen r i j dt dt dt dt dt d dv r i sen j dt dt v r isen j α αα α α αα α ω ω α α ⎛ ⎞⎟⎜= = + + + =⎟⎜ ⎟⎜⎝ ⎠ ⎡ ⎤= − + ⋅ =⎣ ⎦ ∴ = − + ?? ? ? ( ) ( )cos ; 0, 0dv d dr da r isen j MCU dt dt dt dt ωω α α= = − + = = ?? α x y r r⋅cosα r⋅s en α r? α x y r r⋅cosα r⋅s en α r? v? α ωr ⋅co sα ωr⋅senα sites.google.com/site/profafguimaraes 11 ( ) ( )2 cos cos . da r i jsen dt a r i jsen αω α α ω α α = − − ∴ = − − ? ? Mas, ( )cosr i jsen rα α− − =−? , assim, a aceleração aponta na mesma direção do vetor posição e no sentido oposto, ou seja, aponta para o centro da trajetória. Questão 11 Os componentes do vetor posição de uma partícula são dados por: ; cosx R sen t Rt y R t Rω ω ω= ⋅ + = ⋅ + Onde ω e R são constantes. A extremidade do vetor posição acima descreve uma curva chamada ciclóide. A ciclóide é a trajetória descrita por um ponto situado na borda de uma roda que rola sem deslizar ao longo do eixo Ox. Determine o módulo das componentes da velocidade e da aceleração da partícula quando ela se encontra: a) No valor máximo de y; b) No valor mínimo de y. Resolução: a) Para t = 0, o valor de “y” é máximo e vale: cos 0 2 .y R R Rω= + = O módulo das componentes da velocidade: cos 2 . x x dxv R t R dt v R ω ω ω ω = = + ∴ = 0. y y dyv Rsen t dt v ω ω= =− ∴ = O módulo das componentes da aceleração: ( )2 0. x x x dva R sen t dt a ω ω= = − ∴ = α x y r r? v? α a? sites.google.com/site/profafguimaraes 12 2 2 2 cos . y y y y dv a R t dt a R a R ω ω ω ω = =− ∴ =− ⇒ = b) Para t πω= , o valor de “y” será mínimo e vale: cos 0.y R R R R πω ω= + =− + = Assim, para a velocidade teremos: cos 0.xv R R πω ω ωω= + = (Não há deslizamento) 0.yv Rsen πω ω ω=− = E para a aceleração: 2 2 2 0 cos . x y a Rsen a R R πω ω ω πω ω ωω =− = =− = Questão 12 Um piloto deseja voar de Oeste para Leste, de um ponto P a um ponto Q e, em seguida, seguir de Leste para Oeste, retornando ao Ponto P. A velocidade do avião, no ar, é igual a “ v’ ” e a velocidade do ar em relação ao solo é igual a “u”. A distância entre P e Q vale D e a velocidade do avião no ar v’ é constante. a) Se u = 0, mostre que o tempo para a viagem de ida e volta vale t0 = 2D/v’. b) Suponha que a velocidade do vento esteja dirigia para Leste (ou para Oeste); neste caso, mostre que o tempo de ida e volta será: ( ) 0 221 L tt u v = ′− c) No item anterior devemos supor u < v’. Por quê? Resolução: a) Se u = 0, a velocidade do avião com relação ao solo vale v’. Assim: 0 2 .x Dv t t v∆= ⇒ = ′∆ b) Assumindo que o vento se dirige para Leste. Na ida, o vento sopra a favor do movimento do avião. Logo: .i Dt u v = ′+ Na volta, o vento sopra contra o movimento do avião. E como se espera que o avião consiga retornar ao ponto de partida, a seguinte condição deve ser satisfeita: u < v’. Assim, o tempo para o retorno será dado por: r Dt v u = ′− O tempo total é dado por: sites.google.com/site/profafguimaraes 13 ( ) ( ) ( )( ) ( ) ( ) ( ) 2 22 2 0 22 2 2 1 1 . 1 L L L L L D v u D v uD Dt t v u v u v u v u Dv Dt t vv u u v tt u v ′ ′− + += + ⇒ =′ ′ ′ ′+ − + − ′= ⇒ = ⋅′′ ′− − ∴ = ′− Questão 13 Um homem quer atravessar um rio de 700m de largura. O barco, no qual ele rema, possui velocidade em relação à água igual a 4km⋅h‐1. A velocidade da correnteza é de 2km⋅h‐1. Quando o homem caminha na terra firme sua velocidade é de 4,8km⋅h‐1. Ao atravessar o rio a remo ele atinge um ponto a jusante do local inicial; a seguir ele retorna a pé até o ponto oposto ao ponto onde ele se encontrava na outra margem do rio. a) Determine a trajetória combinada (entre atravessar o rio e andar) para que o tempo de percurso seja mínimo (para atingir o ponto considerado). b) Calcule o valor deste tempo mínimo. Resolução: a) b)O tempo que o barco leva para atravessar o rio é dado por: 1 0,7 0,175 10,5min . 4 t h= = = Neste intervalo de tempo, a correnteza arrasta o barco segundo uma distância dada por: 2 0,175 0,35 350 .L km m= ⋅ = = O intervalo de tempo para caminhar essa distância é de: 2 0,35 0,073 4,38min. 4,8 t h= = = Assim, o tempo total é de 14,88min. Porém, pode‐se encontra um tempo de travessia diferente, se o barco atravessar o rio de tal forma que sua velocidade forme um ângulo de 1200 com a velocidade da correnteza. 70 0m =0 ,7 km 4k m ⋅h 1 2km⋅h1 4,8km⋅h1 sites.google.com/site/profafguimaraes 14 A velocidade resultante (em vermelho na figura) é dada por: 0 14cos30 3,5 .rv km h −= ≅ ⋅ O tempo de travessia será de: 0,7 0,2 12min . 3,5 t h= = = Questão 14 Imagine que você está voando ao longo do equador para leste em um jato a 450m⋅s‐1 (ou seja, 1620km⋅h‐1). Qual a sua aceleração de Coriolis? Resolução: 5 0 2 2 2 2 7,27 10 450 90 6,54 10 . c c c a v a sen a m s ω − − − =− × = ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ∴ = ⋅ ⋅ ? ?? 70 0m =0 ,7 km 4km⋅h1 2km⋅h1 1200 ω v ac sites.google.com/site/profafguimaraes 15 Questão 15 Um corpo na latitude de 410N cai da altura de 200m. Calcule o desvio para leste com relação ao ponto sobre a Terra diretamente (radialmente) abaixo do corpo. Resolução: Observando a figura ao lado, podemos concluir que o ângulo que a velocidade do corpo em queda forma com a velocidade angular da Terra é igual a 900+α = 900+410. Assim, o termo de Coriolis vale: ( )0 0 02 90 41 2 cos 41vsen vω ω+ = . A aceleração do corpo que cai, com o eixo X orientado para leste é dada por: 2 2 1,51 d x v dt ω= . Admitindo que o corpo parte do repouso, podemos escrever com boa aproximação, v gt= . Assim, 2 2 2 0 1,51 0,755 ; 0. t d x dx dxgt gt dt dt dt ω ω = = ⇒ = = Levando em consideração que o corpo, inicialmente, se encontra na posição x = 0, teremos: 3 0,755 . 3 tx gω= Para um corpo em queda livre, temos: 2 2 . 2 gt hh t g = ⇒ = Assim, 1 3 2 5 30,755 8 1,16 10 3 0,0328 3,28 . hx h g x m cm ω −⎛ ⎞⎟⎜ ⎟= = ⋅⎜ ⎟⎜ ⎟⎜⎝ ⎠ ∴ ≅ = α α α 090 α 090 +α ? v ? ω
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