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- 1 - Pertence a: _____________________________________________________ FUNDAMENTOS DE CIÊNCIAS EXATAS Referencial didático para o desenvolvimento de conteúdos introdutórios de Matemática e Física Elaboração e Organização: Unidades 1, 2 e 4: Profa. Msc. Maricélia Soares maricelia.soares@anhembimorumbi.edu.br Unidade 3: Prof. Dr. Ricardo Noboru Igarashi ricardoigarashi@anhembimorumbi.edu.br SÃO PAULO 2016-2 - 2 - SUMÁRIO UNIDADE 1: Grandezas, Padrões e Unidades 1. Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2. O Sistema Internacional de Unidades (SI) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3. Algarismos Significativos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1. Determinando os algarismos significativos de um número . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4. Arredondamento de Número . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5. Matematizando . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1. Números Fracionários . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Atividades de Aprendizagem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2. Potenciação em Z . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3. Potências de Base 10 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4. Notação Científica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.5. Ordem de Grandeza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.6. Radiciação em Z . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Atividades de Aprendizagem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . UNIDADE 2: Leis de Newton 1. Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2. Força . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1. Força Resultante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3. Equilíbrio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4. Princípio da Inércia ou 1ª Lei de Newton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5. Massa de um Corpo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6. Princípio Fundamental da Dinâmica ou 2ª Lei de Newton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7. Medida de uma Força . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8. Princípio da Ação e Reação ou 3ª Lei de Newton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9. Forças Especiais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.1. A Força Peso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.2. Força de Atrito . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10. Matematizando . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.1. Relações Trigonométricas no Triângulo Retângulo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.2. Relações entre Seno, Cosseno e Tangente (propriedades) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.3. Seno, Cosseno e Tangente dos Ângulos Notáveis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.4. Estudo da Circunferência Trigonométrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.5. Vetores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Atividades de Aprendizagem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 04 04 06 08 09 11 11 17 23 25 26 28 29 32 44 44 45 45 46 47 48 49 49 51 51 52 62 62 63 63 72 81 86 - 3 - UNIDADE 3: Aplicações das Leis de Newton 1. Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2. Equilíbrio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1. Equilíbrio Estático . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2. Equilíbrio Dinâmico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3. Dinâmica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1. Plano Horizontal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2. Plano Inclinado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Atividades de Aprendizagem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . UNIDADE 4: Cinemática: Descrição do Movimento 1. Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2. Conceitos Fundamentais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Atividades de Aprendizagem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3. Movimento Uniforme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1. Funções Horárias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Atividades de Aprendizagem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4. Movimento Uniformemente Variado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1. Funções Horárias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Atividades de Aprendizagem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5. Matematizando . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1. Definição: Expressões Algébricas e Polinômios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2. Função: ferramental matemático para todas as áreas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3. Função polinomial do 1° grau ou função afim . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4. Função crescente e função decrescente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Atividades de Aprendizagem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.5. Função polinomial do 2º grau ou função quadrática . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Atividades de Aprendizagem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Referências Bibliográficas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 89 90 93 95 95 97 99 105 105 113 118 118 120 126 126 129 133 133 140 140 145 146 154 160 170 - 4 - UNIDADE 1: GRANDEZAS, PADRÕES E UNIDADES 1. Introdução Quando falamos em ciências, sempre nos vêm à mente os métodos científicos que lançam mão de medidas para interpretar, analisar e compreender os fenômenos que são pertinentes a cada ciência. Especificamente no caso da Física, faz-se necessário: 1. determinar qual fenômeno físico pretende observar, dentro do “rol” (conjunto) de fenômenos físicos possíveis de serem medidos (esses fenômenos físicos serão denominados de variáveis); 2. nomear o fenômeno físico, isto é, dar um nome para esta variável e 3. encontrar uma unidade para este fenômeno físico (variável), para que possamos medi-lo. Grandeza física é alguma coisa que pode ser medida, isto é, que pode ser representada por um número e uma unidade. Veja alguns exemplos: A distância da bola à barreira deve ser de 10 jardas ou 9,15 metros. A bola deve ter entre 400 gramas e 500 gramas. O tempo de uma partida é de 90 minutos. Nesses exemplos estão três grandezas fundamentais: comprimento, massa e tempo. A partir dessas grandezas fundamentais, pode-se definir outras que, por isso, chamam-se grandezas derivadas. São exemplos de grandezas derivadas a área de uma superfície, o volume e a densidade de um corpo, a velocidade e aceleração de um automóvel, a força exercida por um motor e muitas outras. Até há algum tempo, não havia ainda um conjunto de unidades fundamentais que fosse reconhecido e adotado em todo mundo. A partir de 1948, esse conjunto começou a ser estabelecido e, em 1960, recebeu o nome de Sistema Internacional de Unidades (SI). Atualmente, só os Estados Unidos ainda não adotam o SI, mas passarão a utilizá-lo em breve. 2. O Sistema Internacional de Unidades (SI) O SI estabelece 7 grandezas físicas fundamentais das quais são derivadas todas as outras. COMPRIMENTO MASSA TEMPO CORRENTE ELÉTRICA TEMPERATURA QUANTIDADE DE MATÉRIA INTENSIDADE LUMINOSA Os padrões de comprimento, o metro e, de tempo, o segundo, têm definições muito complicadas devido às exigências da Ciência e da Tecnologia modernas. O padrão de massa é o mais antigo, criado em 1889, e também o mais simples (Quadro 01). - 5 - QUADRO 01 – TRÊS UNIDADES FUNDAMENTAIS DO SI GRANDEZA NOME SÍMBOLO DEFINIÇÃO Comprimento Metro m Distância percorrida pela luz, no vácuo, num intervalo de tempo de 1299792458 s. Massa Quilograma kg Massa de um cilindro padrão de platina-irídio conservada no Bureau Internacional de Pesos e Medidas em Sèvres, na França. Tempo Segundo s Duração de 9.192.631.770 períodos da radiação de transição de dois níveis do estado fundamental do átomo do Césio 133. Observação: Note que os símbolos não são abreviaturas, por isso não têm ponto final. Cada país deve ter laboratórios capazes de reproduzir os padrões ou cópias devidamente aferidas e cuidadosamente guardadas. No Brasil essa tarefa é desempenhada pelo Inmetro – Instituto Nacional de Metrologia, Normalização e Qualidade Industrial, do Ministério da Indústria e do Comércio. Não é necessário saber essas definições, entretanto é importante saber que existem os padrões, as unidades fundamentais e derivadas e formas corretas de expressá-las (Quadro 02). QUADRO 02 – ALGUMAS UNIDADES DERIVADAS DO SI GRANDEZA NOME SÍMBOLO Área Metro quadrado m 2 Volume Metro cúbico m 3 Velocidade Metro por segundo ms Aceleração Metro por segundo ao quadrado ms2 Densidade Quilograma por metro cúbico kgm3 Existem inúmeras unidades práticas ainda em uso devido ao costume ou às suas aplicações tecnológicas. Muitas dessas unidades, principalmente as de origem inglesa, tendem a desaparecer com o tempo e serem substituídas por unidades do SI. Por enquanto elas ainda são muito usadas e é interessante conhecê-las (Quadro 03). QUADRO 03 – ALGUMAS UNIDADES PRÁTICAS MAIS USADAS GRANDEZA NOME SÍMBOLO RELAÇÃO COM A UNIDADE CORRESPONDENTE DO SI Comprimento Milímetro Centímetro Quilômetro Polegada Pé Jarda Milha mm cm km in ft yd mi 0,001 m 0,01 m 1.000 m 0,0254 m ou 2,54 cm 0,3048 m ou 30,48 cm 0,9144 m ou 91,44 cm 1.609 m ou 1,609 km Massa Grama Tonelada Quilate Libra Arroba g t lb 0,001 kg 1.000 kg 0,0002 kg ou 0,2 g 0,454 kg ou 454 g 14,688 kg Tempo Minuto Hora Dia min h d 60 s 60 min ou 3.600 s 24 h ou 86.400 s - 6 - Área Hectare Alqueire (SP) Alqueire (MG, RJ e GO) ha 10.000 m 2 2,42 ha 4,84 ha Volume Litro l 0,001 m 3 ou 1.000 cm 3 Velocidade Quilômetro por hora Milha por hora Nó kmh minh (13,6) ms 1,609 kmh 1,852 kmh Legenda: Submúltiplos do SI Múltiplos do SI Unidades não pertencentes ao SI Curiosidade: O Quilate é tanto uma medida de massa quanto uma medida de composição em ligas de ouro. A palavra vem do grego keratio, significando uma semente que era usada como unidade de peso na antiga Grécia. Em função das disparidades de valores do quilate como unidade de massa, em 1907 foi adotada a correspondência de 200 miligramas (0,2 gramas) para cada quilate, que passou a ser desde então, o valor usado em joalherias. Desta forma a seguinte frase está correta: "20 quilates de ouro 14", significando o mesmo que "4 gramas de ouro cuja liga é 14 quilates". Apesar de alguns autores indicarem ct (do inglês carat) como sendo símbolo de quilate métrico, esta forma não existe na língua portuguesa, portanto indicamos que se use o termo por extenso, ou a abreviação ql, tal como citado no site da Academia Brasileira de Letras. Observe, no Quadro 03, que algumas unidadestêm símbolos diferentes, como a polegada, o pé e a jarda. Essas unidades foram adaptadas do inglês: polegada é inches, daí o símbolo in; pé é feet, por isso seu símbolo é ft e a jarda é yard, por isso seu símbolo yd. Atualmente é comum utilizar o símbolo pol para indicar polegada. 3. Algarismos Significativos Quando se trabalha com medidas quase sempre aparece uma dúvida: com quantos algarismos se escreve uma medida Tente medir o diâmetro do seu lápis. Que resultado você obteve 7 mm 7,1 mm 7,15 mm Essa pergunta tem inúmeras respostas, e todas podem estar certas! Se você mediu com uma régua comum, provavelmente achou 7 mm, ou talvez 7,5 mm ou ainda 0,7 cm. Se você dispõe de um instrumento mais preciso, como um micrômetro ou um paquímetro, pode ter achado 7,34 mm ou 7,4082 mm. Se você repetir a medida várias vezes pode ser que em cada uma ache um valor diferente! Como saber qual é o valor correto? Como escrever esse valor? - 7 - Na verdade, nem sempre existe um valor correto nem uma só forma de escrevê-lo. O valor de uma medida depende do instrumento utilizado, da escala em que ele está graduado e, às vezes, do próprio objeto a ser medido e da pessoa que faz a medida. Por exemplo, a medida do diâmetro do lápis com uma régua comum será feita na escala em que ela é graduada (centímetros ou milímetros) e dificilmente alguém conseguirá expressá-la com mais de dois algarismos. Nesse caso, certamente o segundo algarismo é avaliado ou duvidoso. Se for utilizado um instrumento mais preciso, é possível fazer uma medida com um número maior de algarismos e, ainda, acrescentar mais um, o duvidoso. Todos os algarismos que se obtêm ao fazer uma medida, incluindo o duvidoso, são algarismos significativos. Se outra pessoa fizer a mesma medida, talvez encontre um valor um pouco diferente, mas, ao escrevê-lo, deverá utilizar o número correto de algarismos significativos. Uma régua comum não permite medidas muito precisas porque não há como subdividir o espaço de 1 mm: a distância entre os traços é muito pequena. O paquímetro e o micrômetro são instrumentos que utilizam duas escalas, uma fixa, semelhante à escala de uma régua comum e uma escala móvel que, de maneira muito engenhosa, permite dividir a menor divisão da escala fixa. No paquímetro, essa escala corre junto à escala fixa, enquanto que no micrômetro ela está gravada numa espécie de cilindro móvel que gira à medida que se ajusta ao instrumento para efetuar a medida. Imaginemos agora, a seguinte situação: ao medir o diâmetro de um lápis com um paquímetro, um aluno encontre o valor 7,34 mm enquanto que outro aluno, efetuando a mesma medição, encontre 7,37 mm. Pelo resultado, percebe-se que eles têm certeza do 7 e do 3, mas o último algarismo é incerto. Imagine agora que eles resolvam entrar num acordo e considerar, como melhor medida, um valor que seja igual à média aritmética dos Figura 01: Paquímetro Digital – Instrumento de Precisão Figura 02: Micrômetro Digital – Instrumento de Precisão - 8 - seus resultados, obtendo, assim 355,7 2 37,734,7 . Estaria correto expressar o diâmetro do lápis acrescentando ainda um terceiro algarismo oriundo da média É certo que não! Se cada um só tinha certeza de dois algarismos e avaliaram, discordando quanto à segunda casa após a vírgula, não tem sentido dar uma resposta com três casas após a vírgula! Nesse caso, para manter a coerência e expressar a medida com o número correto de algarismos significativos, deve-se desprezar o último algarismo obtido no cálculo da média aritmética. É comum utilizar a seguinte regra: quando esse algarismo (o que deve ser desprezado) for maior ou igual a 5 acrescenta-se 1 ao último algarismo que restou. Teremos então 7,355 mm 7,36 mm, que é a melhor forma de expressar a média aritmética das medidas de ambos os alunos: mantêm-se os mesmos dois algarismos dos quais têm certeza, o 7 e o 3, mas o algarismo duvidoso passa a ser o 6. É provável que esse valor seja, provisoriamente, o melhor valor dessa medida. Se outras pessoas participarem e fizerem outras medidas, a média aritmética terá um número muito maior de parcelas e o seu valor representará melhor o diâmetro do lápis. 3.1. Determinando os algarismos significativos de um número No item anterior verificamos que, para entender o conceito de números significativos de uma medida física, é necessário compreender que os resultados físicos que utilizamos são obtidos através de medições que os cientistas realizam. Logo, para efetuar essas medições os cientistas utilizam aparelhos que possuem incertezas, isto é, uma medida física nunca é exata e, sim, tem um erro do próprio instrumento de medida, que é determinado pela metade da menor medida do instrumento. Vejamos agora um exemplo de como determinar os algarismos significativos de um número. Quando medimos o tamanho do lápis com a régua escolar e verificamos que este tem 15,1 cm, o valor que se deve expressar é: 15,10 0,05cm. Observe que temos um valor de 0,05 cm (metade da menor medida indicada na régua) para mais ou para menos em relação ao tamanho do lápis, isto é, o tamanho do lápis está com certeza entre 15,05cm e 15,15cm, por causa do instrumento utilizado na medição, que neste caso, é a régua. Pelo fato de uma medida física possuir incerteza, a utilização do conceito de algarismos significativos se torna importante, pois quando efetuamos operações com números decorrentes de medições precisamos escrever o resultado de forma que este expresse o valor mais coerente com as certezas dos instrumentos utilizados para a determinação dos valores utilizados nas operações. Portanto, para determinar a quantidade de números significativos de uma medida física é necessário que: Inicialmente apresente o valor da medida física em notação científica (veja o item 4.3, na página 12). Verifique quantos números aparecem no primeiro fator (mantissa) da notação científica (desconsiderando a vírgula). A quantidade de algarismos significativos é exatamente igual ao resultado obtido no item anterior, ou seja, na mantissa da expressa numérica em notação científica. - 9 - Vejamos alguns exemplos: a) 230.000.000 = 2,3 108, portanto o número de algarismos significativo nesse valor é de 2. b) 0,000 000 000 000 148 = 1,48 10-13, portanto o número de algarismos significativo nesse valor é de 3. c) 0,06289 = 6,289 10-2, portanto o número de algarismos significativo nesse valor é de 4. d) 795.000.000.000.000 = 7,95 1014, portanto o número de algarismos significativo nesse valor é de 3. Observação: Quando fazendo operações com números (multiplicação, divisão adição e subtração) a resposta final deve ter o mesmo número de algarismos significativos que o valor de menor algarismo significativo, isto é, o resultado não pode ser mais preciso que a pior precisão que temos. 4. Arredondamento de Números As regras de arredondamento estão estabelecidas pela Resolução 886 de 06.10.66 do IBGE que corroboram com a Norma ABNT NBR 5891, de 1977. Quando o algarismo imediatamente seguinte ao último algarismo a ser conversado for inferior a 5, superior a 5 ou igual a 5, estabeleceremos as regras de arredondamento que seguem na tabela abaixo. CONDIÇÃO PROCEDIMENTO EXEMPLO (ARREDONDAMENTO POR CENTÉSIMO) < 5 O último algarismo a permanecer fica inalterado. 4,76201 4,76 > 5 Aumenta-se de uma unidade o algarismo a permanecer. 3,77620 3,78 = 5(i) Se ao 5 seguir em qualquer casa um algarismo diferente de zero, aumenta-se uma unidade no algarismo a permanecer. 5,75504 5,76 (ii) Se o 5 for o último algarismo ou se ao 5 só seguirem zeros, o último algarismo a ser conservado só será aumentado de uma unidade se for ímpar. 2,14500 2,14 2,11500 2,12 As grandezas e as medidas povoam nosso dia-a-dia, tornando-se cada vez mais variadas e complexas, porém, toda medida resulta de um esforço do homem para compreender e interpretar a natureza. Fomos nós, seres humanos, que criamos as grandezas, os padrões, as unidades e os instrumentos de medida. Portanto, nenhuma medida é a expressão da verdade, independentemente do número de algarismos significativos que possua. Há, certamente, medidas e instrumentos mais confiáveis, processos de medição mais adequados a determinados fins; é importante distinguir uns dos outros. - 10 - Gostaria de mais informações sobre o conteúdo estudado Seguem dicas de vídeo-aulas sobre o tema. Dicas de vídeos sobre o assunto desta aula: Grandezas Físicas e Unidades de Medidas: https://www.youtube.com/watch?v=LZPiq8RK9j0 Múltiplos e Submúltiplos das Unidades de Medidas: https://www.youtube.com/watch?v=lQfZ_aSJ7xU - 11 - 5. Matematizando 5.1. Números Fracionários Números fracionários são números que representam uma ou mais partes de uma unidade que foi dividida em partes iguais. Os números fracionários são representados por dois números inteiros (termos da fração) separados por um traço horizontal (traço de fração). O número de cima (numerador) pode ser qualquer número inteiro e o número de baixo (denominador) deverá ser diferente de zero. Exemplos de alguns tipos de fração: Fração Própria: o numerador é menor que o denominador. Exemplo: 4 3 . Fração Imprópria: o numerador é maior que o denominador. Exemplo: 2 9 . Fração Mista ou Numeral Misto: constituída por uma parte inteira e uma fracionária. Exemplo: 3 1 2 . Frações Equivalentes: frações que mantêm a mesma proporção de outra fração. Exemplo: 2 5 e 4 10 . Fração Irredutível: não pode ser simplificada. Exemplo: 3 4 . Fração Decimal: o denominador é uma potência de base 10. Exemplo: 100 8 . Qualquer número escrito na forma de fração é um número fracionário? Pode parecer estranho, mas a resposta é não! Primeiro porque a definição diz que números fracionários são números que representam uma ou mais partes de um todo. Por exemplo, o número , que está escrito na forma de fração não é um número fracionário, porque representa o número 5 e este não é parte de um todo. Também o número está escrito na forma de fração, mas não é um número fracionário, porque o numerador não é um número inteiro. - 12 - 5.1.1. Operações com Frações Adição A soma ou adição de frações requer que todas as frações envolvidas possuam o mesmo denominador. Se inicialmente todas as frações já possuírem um denominador comum, basta que realizemos a soma de todos os numeradores e mantenhamos este denominador comum. Exemplos: a) Adição de frações com os mesmos denominadores: ? 7 3 7 2 7 1 Podemos observar que todas elas possuem o denominador 7. Neste caso a fração final terá como numerador a soma dos números 1, 2 e 3, assim como terá o mesmo denominador 7. Portanto: 7 6 7 321 7 3 7 2 7 1 b) Adição de frações com denominadores distintos Através de Frações Equivalentes: ? 5 4 3 2 O uso das frações equivalentes para somar ou subtrair frações é um recurso muito bom. Vamos analisar passo a passo o procedimento. 1º Passo: As frações não possuem o mesmo denominador. Então precisamos encontrar um denominador igual (comum) que é um múltiplo de 3 e 5 ao mesmo tempo. Múltiplos de 3 e 5 (sem considerar o zero): 15, 30, 45,... Logo um desses múltiplos pode ser o denominador das frações equivalentes. Vamos escolher o número 15. 2º Passo: Nessa etapa vamos descobrir o termo que falta para tornar as frações equivalentes. 3 2 = 15 ? (3 5 = 15. Logo o numerador da fração equivalente deve ser multiplicado por 5). É o número 10. Então 3 2 será substituída por 15 10 . 5 4 = 15 ? (5 3 = 15. Logo o numerador da fração equivalente deve ser multiplicado por 3). É o número 12. Então 5 4 será substituída por 15 12 . Deste modo, a soma 5 4 3 2 será substituída por 15 22 15 12 15 10 . - 13 - Através do MMC (Mínimo Múltiplo Comum): ? 13 3 5 2 3 1 Neste caso não podemos simplesmente realizar a soma dos numeradores. Primeiramente devemos converter todas as frações ao mesmo denominador. O denominador escolhido será o mínimo múltiplo comum dos denominadores. Deste modo o MMC(3, 5, 13) = 195 e todas as frações terão este denominador comum. O novo numerador de cada uma delas será apurado, dividindo-se 195 pelo seu denominador atual e em seguida multiplicando-se o produto encontrado pelo numerador original. Para 3 1 temos que: 195 3 1 = 65, logo: 195 65 3 1 . Para 5 2 temos que: 195 5 2 = 78, logo: 195 78 5 2 . Para 13 3 temos que: 195 13 3 = 45, logo: 195 45 13 3 . Obtemos assim, três frações equivalentes às frações originais sendo que todas contendo o denominador 195. Agora resta-nos proceder como no primeiro exemplo: 195 188 195 457865 195 45 195 78 195 65 No caso de adição de frações mistas devemos colocar a parte fracionária toda com o mesmo denominador e depois realizarmos separadamente a soma das partes inteiras e das partes fracionárias: 24 19 9 24 3 5 24 16 4 8 1 5 3 2 4 Podemos também transformar as frações mistas em impróprias antes de realizarmos a operação de soma: 24 235 24 123112 8 41 3 14 8 1 8 40 3 2 3 12 8 1 5 3 2 4 Subtração A diferença ou subtração de frações, assim como a adição, também requer que todas as frações contenham um denominador comum. 3, 5, 13 1, 5, 13 1, 1, 13 1, 1, 13 3 5 13 3·5·13 = 195 = - 14 - Quando as frações possuírem um mesmo denominador, temos apenas que subtrair um numerador do outro, mantendo-se este denominador comum. Exemplos: a) Subtração de frações com os mesmos denominadores: ? 9 2 9 1 9 8 Observamos que todas as frações possuem o denominador 9. Neste caso a fração final terá como numerador a diferença dos numeradores, assim como irá manter o denominador 9. Portanto: 9 5 9 218 9 2 9 1 9 8 b) Subtração de frações com denominadores distintos: ? 7 2 3 1 9 8 Como as frações não possuem todas o mesmo denominador, primeiramente devemos apurar o MMC(9, 3, 7) para utilizá-lo como denominador comum. Sabemos que o MMC(9, 3, 7) = 63. Logo utilizaremos 63 comoo denominador comum. Como já visto, para encontrarmos as frações equivalentes às do exemplo, que possuam o denominador igual a 63, para cada uma delas iremos dividir 63 pelo seu denominador e em seguida multiplicaremos o resultado pelo seu numerador. Para 9 8 temos que: 63 9 8 = 56, logo: 63 56 9 8 . Para 3 1 temos que: 63 3 1 = 21, logo: 63 21 3 1 . Para 7 2 temos que: 63 7 2 = 18, logo: 63 18 7 2 . Finalmente podemos realizar a subtração: 63 17 63 182156 63 18 63 21 63 56 7 2 3 1 9 8 Assim como na adição, no caso da subtração de frações mistas também devemos colocar a parte fracionária toda com o mesmo denominador e depois realizarmos separadamente a subtração das partes inteiras e das partes fracionárias: 20 3 4 20 5 3 20 8 7 4 1 3 5 2 7 Alternativamente podemos transformar as frações mistas em impróprias antes de realizarmos a operação de subtração: 20 83 20 65148 4 13 5 37 4 1 4 12 5 2 5 35 4 1 3 5 2 7 = - 15 - Multiplicação Ao menos conceitualmente, a multiplicação ou produto de frações, talvez seja a mais simples das operações aritméticas que as envolvem. Diferentemente da adição e da subtração, a multiplicação não requer que tenhamos um denominador comum. Para realizarmos o produto de frações, basta que multipliquemos os seus numerados entre si, fazendo-se o mesmo em relação aos seus denominadores. Exemplos: a) 105 8 753 421 7 4 5 2 3 1 b) 27 40 333 425 3 4 3 2 3 5 c) 32 11 20 32 651 84 2131 8 21 4 31 8 5 2 4 3 7 Divisão A divisão de frações resume-se a inversão das frações divisoras, trocando-se o seu numerador pelo seu denominador e realizando-se então a multiplicação das novas frações. Exemplos: a) 154 65 7 13 2 5 11 1 13 7 : 5 2 : 11 1 b) 27 40 333 425 3 4 3 2 3 5 c) 32 11 20 32 651 84 2131 8 21 4 31 8 5 2 4 3 7 Múltiplas Operações Assim como nas operações aritméticas com números naturais também nas operações aritméticas com frações a multiplicação e a divisão têm precedência sobre a adição e a subtração. Por isto, em expressões compostas que envolvam múltiplas operações, devemos primeiro realizar as operações de multiplicação e de divisão e por último as operações de soma e subtração. Exemplo: A multiplicação de frações mistas deve ser precedida da conversão das mesmas em frações impróprias. A divisão de frações mistas segue o mesmo princípio, no entanto devemos primeiramente convertê-las em frações impróprias. - 16 - 1155 454 1155 195264385 77 13 35 8 3 1 11 13 7 1 35 8 3 1 13 11 : 7 1 35 8 3 1 13 11 : 7 1 75 42 3 1 13 11 : 7 1 7 4 5 2 3 1 Primeiramente executamos a multiplicação. Em seguida, executamos a divisão. Agora podemos utilizar o MMC(3, 35, 77) = 1155 como o denominador comum das frações e realizarmos a soma e a subtração. - 17 - Atividades de Aprendizagem Exercícios Teóricos E01. Calcule as expressões numéricas e apresente a resposta na forma de fração irredutível: a) 2 3 1 7 3 b) 8 3 8 5 c) 3 2 4 1 6 3 d) 7 5 4 3 e) 9 1 9 3 9 2 f) 12 5 2 g) 10 7 3 2 1 5 4 1 h) 5 3 2 5 1 3 i) 10 9 2 2 1 1 j) 4 3 6 5 3 1 2 1 E02. Efetue as multiplicações e apresente a resposta na forma de fração irredutível: a) 2 1 . 4 3 b) 4 3 . 7 9 c) 8 7 . 5 8 d) 17 4 . 7 17 e) 5 8 . 4 1 . 3 2 f) 6 49 . 7 2 . 5 14 g) 16 45 . 3 1 . 15 8 h) 3 14 . 9 4 . 7 3 i) 2 9 . 3 25 . 5 6 j) 8 5 . 14 7 . 15 16 E03. Efetue as divisões e apresente a resposta na forma de fração irredutível: a) 3 2 : 5 4 b) 3 14 : 9 7 c) 8 3 : 4 3 d) 15 12 : 5 24 e) 7 2 6 f) 2: 5 4 g) 9 5 : 3 10 h) 5 4 :2 i) 17 25 : 34 100 j) 8 3 24 12 E04. Calcule: a) 2 2 1 b) 4 3 1 c) 0 3 2 d) 5 3 2 e) 2 2 3 f) 3 2 1 1 g) 2 3 4 h) 0 9 11 i) 3 2 1 j) 2 4 7 2 k) 3 3 1 3 l) 2 6 5 m) 3 8 7 n) 4 5 2 o) 1 7 2 E05. Calcule o valor das expressões numéricas: a) 3 2 4 5 5 2 2 3 b) 9 7 9 8 6 5 8 7 c) 4 5 4 7 5 1 2 1 1 g) 3 2 4 5 5 2 2 3 h) 4 11 1 5 3 : 2 13 . 169 12 2 2 = m) 4 1 3. 3 1 12. 2 1 1 2 3 = n) 4 5. 25 7 10 3 . 3 2 2. 14 3 7 4 . 2 3 = - 18 - d) 6 1 2 1 2 4 1 3 1 e) 4 3 1 3 1 1 2 3 6 7 = f) 3 2 8 5 1 4 1 3 1 2 1 i) 8 7 7 8 . 3 4 4 3 j) 3 7 . 2 3 5 2 . 3 1 5 3 . 2 1 = k) 5 1 2 1 . 4 13 2 11 7 = l) 5 1 . 2 1 6 1 . 5 1 3 1 . 2 1 5 1 . 2 1 = o) 4 3 . 2 1 2: 5 7 . 7 10 5 3 . 3 1 p) 6 1 : 25 27 : 5 3 2 E06. Observe o gráfico ao lado e responda: a) Qual é a fração que representa o todo-referência? b) Qual é a fração que está faltando? E07. Em uma caixa foram colocadas 120 bolinhas coloridas. Dessas bolas: 6 1 é azul; 5 2 são vermelhas; 10 3 são verdes; O restante é amarela. Com as informações acima, determine a quantidade de bolinhas de cada cor: a) azuis; b) vermelhas; c) verdes; d) amarelas. E08. Uma prova para selecionar candidatos para trabalhar em um banco era formada por questões de Português, Matemática e Sistema Bancário. Nessa prova, 5 2 do total das questões eram de Matemática e 3 1 de Português. a) Qual é a fração que representa a parte das questões de Português e Matemática? b) Qual é a fração que representa a parte das questões sobre o Sistema Bancário? E09. Considere os seguintes números: Escreva as frações em ordem crescente. E10. Num quintal há 60 árvores. As mangueiras representam 5 2 das árvores, as jaqueiras, 4 1 e o restante das árvores são goiabeiras. a) Que fração representa a soma das mangueiras e das jaqueiras? _____________ b) Que fração representa as goiabeiras? ____________ - 19 - c) Quantas mangueiras há? ________________ d) Quantas jaqueiras há? __________________ E11. Classifique como V (verdadeiro) ou F (falso) as afirmativas abaixo: ________ Em duas frações de mesmo denominador, a maior é a que possui maior numerador. ________ Em duas frações de mesmo numerador, a maior é a que possui menor denominador. ________ Em duas frações de mesmo numerador, a maior é a que possui maior denominador. ________ 7 3 5 2 2 1 . ________ 200de%60 tem o mesmo valor que o triplo da quinta parte de 200. ________ Na malha ao lado estão pintados 4 1 16 3 do total de quadradinhos. E12. Classifique as seguintes frações como próprias, impróprias ou aparentes: E13. Passe para a forma mista as seguintes frações impróprias: a) 5 26 b) 13 147 c) 8 125 d) 2 59 e) 6 47 f) 25 1313 E14. Transforme as frações mistas em frações impróprias. a) 3 1 2 b) 3 1 1 c) 7 2 1 d) 5 3 2 e) 7 2 4 f) 11 5 3 E15. Coloque um dos sinais de ordem (<, >, =) entre as frações, tornando a relação verdadeira: a) 7 1 ____ 14 2 b) 6 3 2 ____ 8 5 2 c) 2 3 ____ 3 4 d) 4 11 ____ 3 4 e) 5 2 ____ 7 3 f) 4 7 ____ 5 8 g) 4 10 ____ 6 15 h) 4 1 3 ____ 4 1 2 - 20 - E16. Usando a equivalência de frações, descubra o número que deve ser colocado no lugar da letra x para que se tenha: a) x 14 9 7 b) 28 x 7 4 c) 12 x 2 7 d) 2 x 30 15 e) x 9 11 3 f) 40 x 8 1 g) x 1 18 6 h) x 10 12 40 E17. Reduza as frações ao mesmo denominador comum: a) 8 1 , 4 1 , 2 1 b) 9 1 , 3 1 , 6 1 c) 5 9 , 2 3 , 4 5 d) 5 2 , 6 5 , 15 4 , 10 7 Respostas dos Exercícios Teóricos: E01. a) 21 44 b) 4 1 c) 12 1 d) 28 41 e) 9 4 f) 12 19 g) 6 5 h) 5 29 i) 5 13 j) 4 1 E02. a) 8 3 b) 28 27 c) 5 7 d) 7 4 e) 15 4 f) 15 98 g) 2 1 h) 9 8 i) 45 j) 3 1 E03. a) 5 6 b) 6 1 c) 2 d) 6 e) 7 3 f) 5 2 g) 6 h) 2 5 i) 2 j) 3 4 E04. a) 4 1 b) 81 1 c) 1 d) 243 32 e) 4 9 f) 8 27 g) 9 16 h) 1 i) 8 1 j) 16 225 k) 27 1000 l) 36 25 m) 512 343 n) 625 16 o) 7 2 - 21 - E05. a) 60 101 b) 72 11 c) 5 4 d) 4 9 e) 12 1 f) 8 11 g) 60 79 h) 4 133 i) 224 125 j) 3 11 k) 40 151 l) 100 13 m) 4 71 n) 56 239 o) 65 88 p) 2 E06. a) 12 12 b) 6 1 E07. a) 20 b) 48 c) 36 d) 16 E08. a) 15 11 b) 15 4 E09. 4 7 4 5 10 12 5 4 5 3 2 1 100 3 E10. a) 20 13 b) 20 7 c) 24 d) 15 E11. V – V – F – F – V – V E12. Própria – Aparente – Própria – Imprópria – Aparente – Própria – Aparente. E13. a) 5 1 5 b) 13 4 11 c) 8 5 15 d) 2 1 29 e) 6 5 7 f) 25 13 52 E14. a) 3 7 b) 3 4 c) 7 9 - 22 - d) 5 13 e) 7 30 f) 11 38 E15. a) 7 1 = 14 2 b) 6 3 2 < 8 5 2 c) 2 3 > 3 4 d) 4 11 > 3 4 e) 5 2 < 7 3 f) 4 7 > 5 8 g) 4 10 = 6 15 h) 4 1 3 > 4 1 2 E16. a) 18 14 9 7 b) 28 16 7 4 c) 12 42 2 7 d) 2 1 30 15 e) 33 9 11 3 f) 40 5 8 1 g) 3 1 18 6 h) 3 10 12 40 E17. a) 8 1 , 8 2 , 8 4 b) 18 2 , 18 6 , 18 3 c) 20 36 , 20 30 , 20 25 d) 30 12 , 30 25 , 30 8 , 30 21 - 23 - 5.2. Potenciação em Z Potenciação é uma operação unária 1 usada em Aritmética para indicar a multiplicação de uma dada base por ela mesma tantas vezes quanto indicar o expoente. O uso desta operação é muito costumeiro, tendo em vista que as potências estão envolvidas em grande variedade de problemas de cálculo e técnicas estatísticas. Dados dois números naturais a e n, chama-se potência n de a, e representa-se por a n , ao número obtido efetuando o produto de n fatores iguais a a. a n = a a a ... a Chamamos a de base, n de expoente e ao resultado da operação a n denominamos potência. Decorrentes da definição e das propriedades da multiplicação têm-se que: 1n = 1 1 1 ... 1 = 1 0n = 0 5.2.1. Propriedades da Potenciação em Z Das propriedades básicas da potenciação de números inteiros, destacamos as seguintes: Produto de potências de mesma base: a, m, n Z, temos que: a m an = am + n Exemplos: a) 2 3 24 = 23+4 = 27 b) 3-3 34 = 3-3+4 = 31 = 3 c) 105 103 = 108 Quociente de potências de mesma base: a, m, n Z, temos que: nm n m a a a Exemplos: a) 2 1 2 2 2 1 4 3 b) 3333 3 3 143)4(3 4 3 c) 1001010 10 10 235 3 5 1 Em Matemática, denominamos de unária à operação que possui apenas um operador, ou seja, trata-se de uma função com somente uma variável de entrada. n parcelas iguais - 24 - Distributiva em relação ao produto e divisão: a, b, m Z, temos que: (a b)m = am bm e m mm b a b a Exemplos: a) (2 3)3 = 23 33 = 8 27 = 216 b) 3375 1 125 1 27 1 5 1 3 1 53)53( 33 333 c) 9 25 3 5 3 5 2 22 d) 27 8 3 2 3 2 3 33 Potência de potência: a, m, n Z, temos que: (a m ) n = a m n Exemplos: a) (2 3 ) 2 = 2 6 = 64 b) 729 1 3 1 3)3( 6 623 c) (10 2 ) 3 = 10 6 = 1.000.000 Atenção: Observe a diferença entre as expressões nm )a( e nma . Por exemplo: 6422)2( 62323 , enquanto que 512222 9333 2 . Se n = 1, então: a1 = a. Por exemplo 4 3 4 3 1 . Se n = 0 e a ≠ 0, então: a0 = 1. Por exemplo 1 4 3 0 . Se n = -1 e a ≠ 0, então: a 1 a 1 . Exemplos: a) 3 1 3 1 b) 3 5 5/3 1 5 3 1 c) 2 3 3/2 1 3 2 1 - 25 - 5.3. Potências de Base 10 Observe, na tabela abaixo, algumas potências de base 10, seus expoentes inteiros positivos e a quantidade de zeros da potência. EXPOENTE INTEIRO POSITIVO (n) INDICAÇÃO DE 10 n POTÊNCIA (RESULTADO) NÚMERO DE ZEROS DA POTÊNCIA 1 10 1 10 1 2 10 2 100 2 3 10 3 1.000 3 4 10 4 10.000 4 n 10 n 100...0 n Agora observe, nesta outra tabela, algumas potências de base 10, seus expoentes inteiros negativos e a quantidade de algarismos à direita da vírgula. EXPOENTE INTEIRO NEGATIVO (n) INDICAÇÃO DE 10 n POTÊNCIA (RESULTADO) NÚMERO DE ALGARISMOS À DIREITA DA VÍRGULA -1 10 -1 0,1 1 -2 10 -2 0,01 2 -3 10 -3 0,001 3 -4 10 -4 0,0001 4 n 10 n 0,00...1 n A observação feita a partir dessas tabelas vai auxiliá-lo a escrever potências de base 10 na representação decimal e vice-versa. Por exemplo: a) 1.000.0000.000.000 = 10 12 b) 10 -8 = 0,00000001 O uso das potências de base 10 é tão difundido nas Ciências Exatas, que alguns múltiplos e submúltiplos decimais recebem denominações especiais, conforme apresentamos no item abaixo. 12 zeros 8 algarismos n zeros n algarismos - 26 - 5.3.1. Prefixos das Potências de Base 10 É comum utilizar prefixos para expressar números escritos em potência de 10, como, por exemplo, uma massa de 3.000 g, que pode ser expresso em potência de 10 como 3 103 g ou utilizando prefixo como 3 kg, em que o prefixo quilo (k) equivale a 10 3 . Abaixo é apresentada uma tabela com a relação dos principais prefixos. NOME SÍMBOLO POTÊNCIA DE BASE DEZ exa E 10 18 peta P 10 15 tera T 10 12 giga G 10 9 mega M 10 6 quilo k 10 3 hecto h 10 2 deca da 10 1 10 0 deci d 10 -1 centi c 10 -2 mili m 10 -3 micro μ 10 -6 nano n 10 -9 pico p 10 -12 femto f 10 -15 atto a 10 -18 5.4. Notação Científica Se nos disserem que o raio do átomo de hidrogênio é igual a 0,000.000.005 cm ou que uma dada célula tem cerca de 2.000.000.000.000 de átomos dificilmente assimilaremos essas ideias, pois nossos sentidos não estão acostumados a perceber esses números. Eles estão fora do nosso quadro de referências. Dada a abrangência da Física atual micro-macro cosmo, é importante compreender números nessas ordens. A notação científica, ou seja, a escrita de um número com o auxílio de potências de base 10, é um recurso comum para a representação simplificada de números muito grandes ou muito pequenos, tendo em vista a facilidade de operar com esses números ante a seus equivalentes numéricos. Na utilização dos computadores ou máquinas de calcular, por exemplo, a notação científica tem uso regular, tornando os cálculos mais rápidos devido às propriedades da potenciação. Um número escrito em notação científica segue a seguinte configuração: - 27 - m · 10 e Onde: m é denominado mantissa e corresponde a um valor numérico 1 ≤ m < 10. e, dado sob a forma de expoente, é denominado ordem de grandeza. Vejamos alguns exemplos e sua resolução: a) 230.000.000 = 2,3 108 A vírgula se “deslocou” em 8 casas para a esquerda; o expoente da base 10 indica o deslocamento da vírgula e seu sinal é positivo. b) 0,000 000 000 000 148 = 1,48 10-13 A vírgula se “deslocou” em 13 casas para a direita; o expoente da base 10 é igual ao deslocamento da vírgula e seu sinal é negativo. c) 0,06289 = 6,289 10-2 A vírgula se “deslocou” em 2 casas para a direita; o expoente da base 10 é igual ao deslocamento da vírgula e seu sinal é negativo. d) 795.000.000.000.000 = 7,95 1014 A vírgula se “deslocou” em 14 casas para esquerda; o expoente da base 10 é igual ao deslocamento da vírgula e seu sinal é positivo. Observe outros exemplos de números grandes e pequenos, expressos em notação científica: 600.000 = 6 · 10 5 30.000.000 = 3 · 107 500.000.000.000.000 = 5 · 10 14 7.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000 = 7 · 10 33 0,0004 = 4 · 10 -4 0,00000001 = 1 · 10 -8 0,0000000000000006 = 6 · 10 -16 - 28 - Para valores como esses, a notação científica é mais adequada, pois apresenta a vantagem de representar adequadamente a quantidade de algarismos significativos, em detrimento de seus equivalentes numéricos que trazem pouco significado prático. Pode-se até pensar que esses valores são pouco relevantes e de uso quase inexistente na vida cotidiana. Porém, em áreas como Física, Química e Engenharias de um modo geral, esses valores são frequentes. Também na área de Economia, ao se fazer referência a um valor monetário, em bilhões de dólares, por exemplo, é comum o uso da notação científica. 5.5. Ordem de Grandeza Muitas vezes, ao trabalharmos com grandezas físicas, apenas algumas casas decimais são relevantes, devido a imprecisões nos aparelhos de medida. Nesses casos é suficiente conhecer a potênciade 10 que mais se aproxima do seu valor. Essa potência é denominada ordem de grandeza da medida. Ordem de grandeza de um número é uma estimativa de potência de base 10 mais próxima deste número. Para determinação da ordem de grandeza de um número usaremos a fronteira numérica de 16,310 . Observe os exemplos. Qual a ordem de grandeza das seguintes medidas? 3 10-3 m 3 < 3,16 , logo a ordem de grandeza é 10-3. 4 102 m 4 > 3,16 , logo a ordem de grandeza é 103. 7 10-6 m 7 > 3,16 , logo a ordem de grandeza é 10-5. 0,00022 = 2,2 10-4 2,2 < 3,16, logo a ordem de grandeza é 10-4. 174.500.000 = 1,745 108 1,745 < 3,16, logo a ordem de grandeza é 108. Não devemos nos preocupar em estabelecer critérios rigorosos para determinar a potência de base 10 mais próxima do número, pois o conceito de ordem de grandeza, por sua própria natureza, é uma avaliação aproximada, na qual não cabe nenhuma preocupação com rigor matemático. Por essa mesma razão, quando o número estiver aproximadamente no meio, entre duas potências de 10, será indiferente escolher uma ou outra para representar a ordem de grandeza daquele número. (MÁXIMO; ALVARENGA, 1992, p. 11.) - 29 - 5.6. Radiciação em Z O termo radiciação pode ser entendido como uma operação que, se fornecida uma potência de um número e o seu grau, pode-se determinar esse número, ou seja, uma operação recíproca à potenciação. Dados três números naturais a, b, n tais que a = b n . O número b é dito raiz de índice n de a e representa-se pelo símbolo n a . Assim, a = b n implica que ban , onde a é dito radicando e n índice do radical, a b chamamos de raiz enésima. 5.6.1. Propriedades da Radiciação em Z Das propriedades básicas da radiciação, destacamos as seguintes: Distributiva em relação ao produto e à divisão: a, b, m Z, temos que: nnn baba e n n n b a b a Exemplos: a) 333 1025 b) 3 2 27 8 27 8 3 3 3 a, m, n Z, temos que: n mn aa m Exemplos: a) 222 3 333 b) 32288 5533 5 c) 2555555555 3 33 33 333 663 - 30 - a, m, n Z, temos que: n m n m aa Exemplos: a) 2222 13 3 3 3 b) 8222 33 9 3 9 a, m, n Z, temos que: nmm n aa Exemplos: a) 22646464 6 66233 b) 10000.10000.10 4 c) 63 2525 As propriedades são válidas apenas para as divisões e radiciações possíveis. 5.6.2. Simplificação de Radicais Para viabilizar o trabalho com radicais é conveniente transformá-los, colocando-os na forma mais simples possível. Essa forma simplificada é obtida através das propriedades dos radicais. Vejamos alguns exemplos: a) 10410252252252160 2445 160 80 40 20 10 5 1 2 2 2 2 2 5 160 = 2 5 · 5 - 31 - b) 333 33 33 43 222222216 5.6.3. Operações com Radicais Para operar com radicais, usamos suas propriedades e as propriedades operatórias da adição e multiplicação de números reais (comutativa, associativa e distributiva). Vejamos alguns exemplos: a) 575)236(525356 Lembre-se que só é possível adicionar radicais com mesmo índice e mesmo radicando. b) 2182621222323483184 Observe que neste exemplo, fez-se necessário, inicialmente, o processo de simplificação de radicais, tendo em vista que só é possível adicionar radicais com mesmo índice e mesmo radicando. c) 33333 61532)53(3523 Lembre-se que só é possível o produto de radicais com mesmo índice. d) 22 3 6 2 4 32 64 32:64 De igual modo ao produto, só é possível o quociente de radicais com mesmo índice. 16 8 4 2 1 2 2 2 2 16 = 2 4 - 32 - Atividades de Aprendizagem Exercícios Teóricos E01. Calcule quantos metros estão contidos em: a) 108 km b) 10 3 cm c) 10 -2 mm E02. Transforme em quilômetros: a) 3600 m b) 2.160.000 cm c) 0,03 m d) 5.780 dm e) 27.600 m f) 5.800 mm E03. A espessura de uma folha de papel é de 0,05 mm. Seiscentas mil folhas iguais a essa foram empilhadas até atingirem uma altura h. Determine o valor de h em metros. E04. Sabendo que a distância entre a Terra e a Lua é de 384.000 km, aproximadamente, e que entre a Terra e o Sol é de 150.000.000 km, aproximadamente, quantas vezes a primeira distância está contida na segunda? E05. Calcule quantos gramas estão contidos em: a) 75 kg b) 0,8 mg c) 10 -5 kg E06. Sabendo que 1 tonelada (1 t) equivale a 1.000 quilogramas (103 kg), determine o número de pessoas de 50 kg e o de 80 kg que podem viajar juntas em um bondinho do tipo teleférico, que transporta no máximo 60 pessoas ou 4,2 t. E07. Calcule o número de segundos de: a) 1 minuto b) 1 hora c) 1 dia d) 1 mês de 30 dias E08. Qual é a duração de um espetáculo teatral que se inicia às 19h20min10s e termina às 22h12min15s? E09. Podemos considerar o átomo de hidrogênio como uma esfera com diâmetro de 10-10 m. Admitindo que pudéssemos enfileirar esses átomos, quantos seriam necessários para cobrir a distância de 1 mm? E10. No século III a.C., Erastótenes, astrônomo egípcio, determinou o valor do raio da Terra com grande precisão: 6.370 km. Escreva esse número em metros, fazendo uso de notação científica. E11. Um fumante consome por dia vinte cigarros de 100 mm. Imagine que fosse possível enfileirar os cigarros que esse fumante consome num período de dez anos. Qual seria, em metros, o comprimento dessa fila? - 33 - E12. Uma dona de casa curiosa teve a ideia de descobrir a massa de um grão de feijão. Utilizando uma balança descobriu que a massa de 1.000 grãos era de 0,57 kg. Determine a massa, aproximada, de um único grão, em miligramas. E13. Um analgésico deve ser ingerido na quantidade de 3 mg/kg de massa corporal, mas a dose administrada não pode exceder 200 mg. Cada gota contém 5 mg do remédio. Quantas gotas devem ser prescritas a um paciente de 80 kg? E14. No estádio do Morumbi 120.000 torcedores assistem a um jogo. Através de cada uma das 6 saídas disponíveis podem passar 1.000 pessoas por minuto. Qual o tempo mínimo necessário para esvaziar o estádio? E15. Assinale V (verdadeiro) ou F (falso), considerando as propriedades da potenciação: a) ______ 60203 222 d) ______ 4 49 7 2 2 b) ______ 333 32)32( e) ______ 1642 55 c) ______ 632 33 f) ______ 7 2 5 3 3 3 E16. Efetue, observando as definições e propriedades: a) 32 _______ b) 201 _________ c) 1500 ________ d) 0100 ________ e) 30 _________ f) 1 3 4 ______ g) 15 ________ h) 32 ________ i) 43 ________j) 35,0 ________ k) 215 ________ l) 090 ________ m) 200 ________ n) 1 2 1 ________ o) 2 3 2 ________ p) 3 5 4 ________ E17. Calcule o valor da expressão 32 3 5 2 2 3 )2( . E18. Escreva os expoentes das potências de 10 conforme a indicação abaixo: a) 23.856 = 23,856 10_____ b) 23.856 = 2385,6 10_____ c) 23.856 = 238,56 10_____ d) 23.856 = 2,3856 10_____ E19. Coloque a vírgula nos números abaixo conforme a indicação das potências de 10, para que a igualdade seja válida: - 34 - a) 7,82 103 = 78200 102 b) 7,82 103 = 78200 101 c) 7,82 103 = 78200 104 d) 7,82 103 = 78200 10-1 E20. Escreva os números abaixo em notação científica: a) 529 = __________________ b) 7.843 = _________________ c) 5.971.432 = ______________ d) 73 = ______________ e) 0,7 = ______________ f) 0,52 = ______________ g) 0,278 = _________________ h) 0,05697 = _______________ i) 749 107 = ______________ j) 59,47 10-9 = ____________ k) 0,38 104 = ____________ l) 0,7159 10-12 = _________ E21. Descubra a potência de base 10 que deve ser colocada no lugar de para que se tenha: a) 56,754 · = 567.540 c) · 23 = 0,000023 b) 0,003 · = 30 d) · 4,5 = 0,00045 E22. Resolva as expressões, apresentando os resultados em notação científica: a) 2,110 106,3 2 4 b) 7,010 101,2 3 2 E23. Diga, em cada caso, a quantidade de algarismos significativos: a) 1,324 104 b) 0,324 105 c) 1200 10-2 d) 0,000424 105 E24. Efetue as operações abaixo e responda utilizando os algarismos significativos na resposta: Lembre-se de que a resposta não pode ter mais algarismos significativos do que a menor quantidade de algarismos significativos dos números envolvidos nas operações. a) (0,0710-3) (710-5) = b) 5 3 1003,0 109 c) (0,610-3) + (410-5) = d) (1,0910-3) (8710-5) = E25. Indique a ordem de grandeza em cada um dos itens abaixo: a) 1,324 104 b) 0,324 105 c) 1200 10-2 d) 0,000424 105 E26. Uma partida normal de futebol é disputada em 90 min. O estádio do Morumbi, em São Paulo, já recebeu cerca de 30 milhões de torcedores desde sua abertura, em 1960. A média de torcedores por partida é de - 35 - aproximadamente 28 mil. Então, qual é a ordem de grandeza do total de minutos de futebol já jogados no Morumbi? E27. Em um hotel com 200 apartamentos, o consumo médio de água por apartamento é de 100 litros por dia. Qual a ordem de grandeza do volume que deve ter o reservatório do hotel, em metros cúbicos, para abastecer todos os apartamentos durante um dia? E28. Efetue as adições algébricas com radicais, observando as propriedades estudadas: a) 56553 b) 5555 3323235 c) 39223624 d) 45254 33 e) 55 3333323 2 f) 25723 E29. Reduza os radicais a uma expressão na forma ba , com a e b inteiros, fazendo uso de simplificação de radicais: a) 4520 b) 81850 c) 125272 d) 7634 e) 729850 f) 1087512 Respostas dos Exercícios Teóricos: E01. a) 108.000 m b) 10 m c) 10 -5 m E02. a) 3,6 km b) 21,6 km c) 3,0 10-5 km d) 0,578 km e) 27,6 km f) 5,8 10-3 km E03. 30 m E04. 390,625 vezes E05. a) 7,5 104 g b) 8,0 10-4 g c) 10-2 g E06. 40 pessoas de 80 kg e 20 pessoas de 50 kg. E07. a) 60 s b) 3.600 s c) 8,64 104 s d) 2,592 106 s E08. 2h 52min 5s E09. 10 7 átomos E10. 6,37 106 m E11. 7.300 m E12. 570 mg E13. 40 gotas E14. 20 min E15. a) F b) F c) V d) V e) F f) V - 36 - E16. a) -8 b) 1 c) 500 d) 1 e) 0 f) 34 g) 15 h) 18 i) 81 j) 18 k) 1225 l) 1 m) 0 n) 2 o) 94 p) 64125 E17. 798 E18. a) 3 b) 1 c) 2 d) 4 E19. a) 78,2 102 b) 782,0 101 c) 0,782 104 d) 78200, 10-1 E20. a) 5,29 102 b) 7,843 103 c) 5,971432 106 d) 7,3 10 e) 7 10-1 f) 5,2 10-1 g) 2,78 10-1 h) 5,697 10-2 i) 7,49 109 j) 5,947 10-8 k) 3,8 103 l) 7,159 10-13 E21. a) 10 4 b) 10 4 c) 10 -6 d) 10 -4 E22. a) 3 106 b) 3 10 E23. a) 4 b) 3 c) 2 d) 3 E24. a) 5 10-9 b) 3 1010 c) 6 10-4 d) 2,2 10-4 E25. a) 10 4 b) 10 5 c) 10 -1 d) 10 2 E26. 10 5 E27. 10 1 E28. a) 52 b) 5 36 c) 22315 d) 3 538 e) 3355 f) 2410 E29. a) 55 b) 26 c) 34 d) 711 e) 26 f) 313 - 37 - Testes: T01. Um caminhão consegue transportar 3,9 toneladas de carga. Sabendo que uma laranja pesa 130 gramas, quantas laranjas o caminhão pode carregar? a) 30 b) 300 c) 3.000 d) 30.000 e) 300.000 T02. Em uma área disponível em formato retangular, de 3 metros por 4 metros, eu pretendo cavar uma cisterna para guardar 15.000 litros de água. A qual profundidade, em centímetros, eu devo cavar? a) 1,25 cm b) 12,5 cm c) 125 cm d) 1.250 cm e) 12.500 cm T03. Um aquário tem o formato de um paralelepípedo retangular, de largura 50 cm, comprimento 32 cm e altura 25 cm. Para encher 3/4 dele com água, quantos litros de água serão usados? a) 0,03 b) 0,3 c) 3 d) 30 e) 300 T04. Em uma enchente, um jornalista viu uma menina com uma lata de refrigerante de 350 ml. Perguntando à menina o que ela estava fazendo, ela respondeu que estava tirando a água para secar a enchente. Sabendo que o volume da enchente era de 70.000 m 3 , quantas viagens a menina teria que fazer para secar toda a água? a) 2102 b) 2104 c) 2106 d) 2108 e) 21010 T05. Muitos remédios são tomados em doses menores que o mg. Um comprimido de certo remédio tem 0,025 mg de uma certa substância. Com 1 kg desta substância, quantos comprimidos podem ser feitos? a) < 1 b) 40 c) 40.000 d) 40.000.000 e) 400 T06. Uma sala tem o formato aproximado de dois paralelepípedos grudados. Um destes tem largura de 4 metros e comprimento de 3 metros, e o outro tem largura e comprimento iguais, de 2 metros. A altura da sala é de 2,5 metros. Eu quero comprar um ar condicionado para resfriar esta sala, e cada ar condicionado indica o volume, em litros, que ele consegue refrigerar. Então, é preciso comprar o menor ar condicionado, dentre aqueles que tem capacidade de resfriar esta sala. Das opções abaixo, qual é a mais indicada? a) 10.000 l b) 20.000 l c) 50.000 l d) 70.000 l e) 100.000 l T07. Fui colocar gasolina no meu carro, que estava com o tanque pela metade. Coloquei 35 litros e enchi o tanque. Qual é a capacidade do tanque em m 3 ? a) 0,07 m3 b) 17,5 m3 c) 70 m3 d) 17.500 m3 e) 175.000 m3 T08. Um avião decolou às 15 horas e 30 minutos, e a viagem durou 17.358 segundos. Determine o horário em que o avião chegou. a) 18 horas, 17 minutos, 16 segundos -38 - b) 19 horas, 20 minutos, 19 segundos c) 20 horas, 19 minutos, 18 segundos d) 20 horas, 21 minutos, 22 segundos e) 20 horas, 22 minutos, 24 segundos T09. O produto 0,000015 · 0,000000002 é igual a: a) 310-40 b) 310-14 c) 3010-14 d) 3010-13 e) 310-4 T10. O valor da expressão 2112 )2()2()2()2( é igual a: a) -13 b) -3 c) 4 9 d) 4 7 e) 0 T11. (UFPE) Em um hotel com 500 apartamentos, o consumo médio de água por apartamento é de cerca de 170 litros por dia. Qual a ordem de grandeza do volume que deve ter o reservatório do hotel, em metros cúbicos, para abastecer todos os apartamentos durante um dia de falta de água? a) 101 b) 102 c) 103 d) 104 e) 105 T12. (Fuvest-SP) Qual é a ordem de grandeza do número de voltas dadas pela roda de um automóvel ao percorrer uma estrada de 200 km? a) 102 b) 103 c) 105 d) 1010 e) 109 T13. Um recipiente cúbico tem 3,000 m de aresta, n é o número máximo de cubos, de 3,01 mm de aresta, que cabem no recipiente. A ordem de grandeza de n é: a) 106 b) 107 c) 108 d) 109 e) 1010 T14. A ordem de grandeza em segundos, em um período correspondente a um mês, é: a) 10 b) 103 c) 106 d) 109 e) 1012 T15. Supondo-se que um grão de feijão ocupe o espaço equivalente a um paralelepípedo de arestas 0,5cm 0,5cm 1,0cm, qual das alternativas abaixo melhor estima à ordem de grandeza do número de feijões contido no volume de um litro? a) 10 b) 102 c) 103 d) 104 e) 105 T16. O fumo é comprovadamente um vício prejudicial à saúde. Segundo dados da Organização Mundial da Saúde, um fumante médio, ou seja, aquele que consome cerca de 10 cigarros por dia, ao chegar à meia-idade terá - 39 - problemas cardiovasculares. A ordem de grandeza do número de cigarros consumidos por este fumante durante 30 anos é de: a) 102 b) 103 c) 104 d) 105 e) 106 T17. O censo populacional realizado em 1970 constatou que a população do Brasil era de 90 milhões de habitantes. Hoje, o censo estima uma população de 150 milhões de habitantes. A ordem de grandeza que melhor expressa o aumento populacional é: a) 106 b) 107 c) 108 d) 109 e) 1010 Respostas dos Testes: 01. D 10. D 02. C 11. B 03. D 12. C 04. D 13. D 05. D 14. C 06. C 15. E 07. A 16. D 08. C 17. C 09. B - 40 - Questões Desafios D01. Relação entre volumes de reservatórios. Técnicos concluem mapeamento do aquífero Guarani: O aquífero Guarani localiza-se no subterrâneo dos territórios da Argentina, Brasil, Paraguai e Uruguai, com extensão total de 1.200.000 quilômetros quadrados, dos quais 840.000 quilômetros quadrados estão no Brasil. O aquífero armazena cerca de 30 mil quilômetros cúbicos de água e é considerado um dos maiores do mundo. Na maioria das vezes em que são feitas referências à água, são usadas as unidades metro cúbico e litro, e não as unidades já descritas. A Companhia de Saneamento Básico do Estado de São Paulo (SABESP) divulgou, por exemplo, um novo reservatório cuja capacidade de armazenagem é de 20 milhões de litros. Comparando as capacidades do aquífero Guarani e desse novo reservatório da SABESP, a capacidade do aquífero Guarani é: a) 1,5 102 vezes a capacidade do reservatório novo. b) 1,5 103 vezes a capacidade do reservatório novo. c) 1,5 106 vezes a capacidade do reservatório novo. d) 1,5 108 vezes a capacidade do reservatório novo. e) 1,5 109 vezes a capacidade do reservatório novo. D02. Cálculo do peso mínimo de um carro de fórmula 1 para percorrer um certo número de volta. Segundo as regras da Fórmula 1, o peso mínimo do carro, de tanque vazio, com o piloto, é de 605 kg, e a gasolina deve ter densidade entre 725 e 780 gramas por litro. Entre os circuitos nos quais ocorrem competições dessa categoria, o mais longo é Spa-Francorchamps, na Bélgica, cujo traçado tem 7 km de extensão. O consumo médio de um carro da Fórmula 1 é de 75 litros para cada 100 km. Suponha que um piloto de uma equipe específica, que utiliza um tipo de gasolina com densidade de 750 gl, esteja no circuito de Spa-Francorchamps, parado no box para reabastecimento. Caso ele pretenda dar mais 16 voltas, ao ser liberado para retornar à pista, seu carro deverá pesar, no mínimo: a) 617 kg b) 668 kg c) 680 kg d) 689 kg e) 717 kg D03. Cálculo de elementos indicadores de peso e gordura corporal dado o IMC de uma pessoa. Embora o Índice de Massa Corporal (IMC) seja amplamente utilizado, existem ainda inúmeras restrições teóricas ao uso e às faixas de normalidade preconizadas. O Recíproco do Índice Ponderal (RIP), de acordo com o modelo alométrico, possui uma melhor fundamentação matemática, já que a massa é uma variável de dimensões cúbicas e a altura, uma variável de dimensões lineares. As fórmulas que determinam esses índices são: Respostas das Questões Desafios: 01. E 02. B 03. E 04. E 05. B 06. B 07. C 08. A - 41 - Se uma menina, com 64 kg de massa, apresenta IMC igual a 25 kgm2, então ela possui RIP igual a: a) 3/1kg cm 4,0 b) 3/1kg cm 5,2 c) 3/1kg cm 8 d) 3/1kg cm 20 e) 3/1kg cm 40 D04. Cálculo da escala de um mapa. Sabe-se que a distância real, em linha reta, de uma cidade A, localizada no estado de São Paulo, a uma cidade B, localizada no estado de Alagoas, é igual a 2.000 km. Um estudante, ao analisar um mapa, verificou com sua régua que a distância entre essas duas cidades, A e B, era 8 cm. Os dados nos indicam que o mapa observado pelo estudante está na escala de: a) 1 : 250 b) 1 : 2.500 c) 1 : 25.000 d) 1 : 250.000 e) 1 : 25.000.000 D05. Conversão de unidades de medidas de posição dada por um GPS. PAVARIN, G. Galileu, fev. 2012 (adaptado). Em 20 de fevereiro de 2011 ocorreu a grande erupção do vulcão Bulusan nas Filipinas. A sua localização geográfica no globo terrestre é dada pelo GPS (sigla em inglês para Sistema de Posicionamento Global) com longitude de 124 o3’0’’ a leste do Meridiano de Greenwich. A representação angular da localização do vulcão com relação a sua longitude da forma decimal é: Dado: 1 o equivale a 60’ e 1’ equivale a 60’’. a) 124,02o b) 124,05o c) 124,220o d) 124,30o e) 124,50o D06. Cálculo do tempo mínimo para todos os espectadores de um show entrarem num estádio. Um show especial de Natal teve 45000 ingressos vendidos. Esse evento ocorrerá em um estádio de futebol que disponibilizará 5 portões de entrada, com 4 catracas eletrônicas por portão. Em cada uma dessas catracas, passará uma única pessoa a cada 2 segundos. O público foi igualmente dividido pela quantidade de portões e catracas, indicados no ingresso para o show, para a efetiva entrada no estádio. Suponha que todos aqueles que compraram ingressos irão ao show e que todos passarão pelos portões e catracas eletrônicas indicadas. Qual é o tempo mínimo para que todos passem pelas catracas? a) 1h b) 1h15min c) 5h d) 6h e) 6h15min D07. Cálculo da quantidade de soja exportada pelo Brasil. As exportações de soja do Brasil totalizaram 4,129 milhões de toneladas no mês de julho de 2012, e registraram um aumento em relação ao mês de julho de 2011, embora tenha havido umabaixa em relação ao mês de maio de 2012. (Disponível em: www.noticiasagricolas.com.br. Acesso em: 2 ago. 2012.) - 42 - A quantidade, em quilogramas, de soja exportada pelo Brasil no mês de julho de 2012 foi de: a) 4,129 103 b) 4,129 106 c) 4,129 109 d) 4,129 1012 e) 4,129 1015 D08. Cálculo do volume do reservatório que atenderá às necessidades de uma família. Para economizar em suas contas mensais de água, uma família de 10 pessoas deseja construir um reservatório para armazenar a água captada das chuvas, que tenha capacidade suficiente para abastecer a família por 20 dias. Cada pessoa da família consome, diariamente, 0,08 m 3 de água. Para que os objetivos da família sejam atingidos, a capacidade mínima, em litros, do reservatório a ser construído deve ser: a) 16.000 b) 8.000 c) 1.600 d) 800 e) 16 - 43 - ANEXO A Medidas de Comprimento Unidade Símbolo Equivalência Gigametro Gm 1 Gm = 10 9 m Megametro Mm 1 Mm = 10 6 m Quilômetro km 1 km = 10 3 m Hectômetro hm 1 hm = 10 2 m Decâmetro dam 1 dam = 10 1 m Metro m 1 m = 10 0 m Decímetro dm 1 dm = 10 -1 m Centímetro cm 1 cm = 10 -2 m Milímetro mm 1 mm = 10 -3 m Micrômetro m 1 m = 10-6 m Nanômetro nm 1 nm = 10 -9 m Ångströn Å 1 Å = 10 -10 m Picômetro pm 1 pm = 10 -12 m Medidas de Massa Unidade Símbolo Equivalência Tonelada t 1 t = 10 3 kg Quilograma kg Grama g 1 g = 10 -3 kg Miligrama mg 1 mg = 10 -6 kg Medidas de Intervalo de Tempo Unidade Símbolo Equivalência Segundo s Minuto min 1 min = 60 s Hora h 1 h = 3.600 s - 44 - UNIDADE 2: LEIS DE NEWTON 1. Introdução Quando empurramos um carro, arrastamos uma caixa, saltamos ou pulamos algum obstáculo, estamos exercendo forças nesses corpos. Em todos esses casos, há relação entre as forças que estão agindo e as alterações que sofre o estado de movimento do corpo em questão. Nessa Unidade, nosso objetivo é tentar explicar as causas dos movimentos estudando o conceito de força e as Leis de Newton. A preocupação do homem em tentar explicar as causas dos movimentos dos corpos terrestres e celestes remonta há pelo menos 2000 anos. Mas foi Isaac Newton, que nasceu na Inglaterra no dia do Natal do ano de 1642, quem primeiro apresentou uma teoria que realmente explicava as causas do movimento. Publicou no ano de 1686 seu principal trabalho: Princípios Matemáticos da Filosofia Natural. Sua contribuição foi de enorme importância para o desenvolvimento da Física, a tal ponto de receber uma homenagem da tripulação da Apolo XI: “Queremos agradecer à pessoa que tornou possível essa viagem: Isaac Newton”. A Mecânica Clássica ou Newtoniana continua válida até hoje para explicar as causas dos movimentos. Estudaremos as três Leis de Newton, mas antes é necessário conhecermos o conceito de força. 2. Força Chutar, amassar, puxar, empurrar, deformar, arremessar, segurar, bater: são ações muito comuns em nossas vidas e que estão associadas à grandeza física força. Até hoje, não temos uma definição exata desta grandeza, mas, com facilidade, podemos observar suas causas e seus efeitos. O físico francês Henry Poincaré (1854 – 1912), fez sua tentativa: “A ideia de força é uma noção primitiva, irredutível e indefinível. Ela deriva de uma noção de esforço, que nos é familiar desde a infância”. Já Isaac Newton escreveu: “Uma força imprimida é uma ação exercida sobre um corpo a fim de alterar seu estado, seja de repouso, ou de movimento”. Atualmente, vários cientistas, afirmam que: Força é um agente físico que surge da interação entre no mínimo dois corpos, capaz de produzir alterações em seu estado de movimento (variações de velocidade) ou deformação. - 45 - Em Dinâmica vamos tratar de forças cujo efeito principal é causar variações na velocidade de um corpo, isto é, aceleração. Tal qual a aceleração, a força é uma grandeza vetorial, exigindo, portanto, para ser caracterizada, uma intensidade, uma direção e um sentido. A unidade de força no Sistema Internacional (SI) é o Newton (N): uma força de 1 N é a força que aplicada a um corpo de 1 kg, provoca uma aceleração de 1 ms2. Abordaremos novamente este assunto mais adiante. 2.1. Força Resultante Seja uma partícula na qual estão aplicadas várias forças. Esse sistema de forças pode ser substituído por uma única força, a força resultante, que é capaz de produzir na partícula o mesmo efeito que todas as forças aplicadas. 3. Equilíbrio Um ponto material está em equilíbrio quando a resultante das forças que nele atuam é nula. Podemos distinguir dois casos: Equilíbrio Estático: um ponto material está em equilíbrio estático quando se encontra em repouso, isto é, sua velocidade vetorial é nula no decorrer do tempo. Equilíbrio Dinâmico: o equilíbrio é dito dinâmico quando o ponto material está em movimento retilíneo e uniforme, isto é, sua velocidade vetorial é constante e diferente de zero. O conceito científico para grandeza é tudo o que pode ser medido. Grandeza escalar é aquela que fica perfeitamente caracterizada quando conhecemos um número e uma unidade. Grandeza vetorial é aquela que somente fica caracterizada quando conhecemos, pelo menos, uma direção, um sentido, um número e uma unidade. REPOUSO MRU - 46 - 4. Princípio da Inércia ou 1ª Lei de Newton Considere um corpo não submetido à ação de força alguma. Nessa condição esse corpo não sofre variação de velocidade. Isso significa que, se ele está parado, permanece parado e, se está em movimento, permanece em movimento e sua velocidade se mantém constante. Podemos interpretar seu enunciado da seguinte maneira: todos os corpos são “preguiçosos” e não desejam modificar seu estado de movimento: se estão em movimento, querem continuar em movimento; se estão parados, não desejam mover-se. Os físicos chamam essa “preguiça” de inércia, característica de todos os corpos dotados de massa. O princípio da inércia pode ser observado no movimento de um ônibus. Quando o ônibus “arranca” a partir do repouso, os passageiros tendem a deslocar-se para trás, resistindo ao movimento. Da mesma forma, quando o ônibus já em movimento freia, os passageiros deslocam-se para frente, tendendo a continuar com a velocidade que possuíam. Para Galileu, o natural era o movimento – e não o repouso, como afirmava Aristóteles. Ao observar o movimento de um corpo, sua questão era “por que para” e não “por que se move”. Tal princípio, formulado pela primeira vez por Galileu e depois confirmado por Newton, é conhecido como primeiro princípio da Dinâmica (1ª Lei de Newton) ou Princípio da Inércia. G a rf ie ld – J im D a vi s ® - 47 - A afirmação de que “um corpo parado permanece parado se não agir sobre ele alguma força” pode facilmente ser compreendida em nossa vida prática (um corpo não se move por si só, é necessário aplicar-lhe uma força). Já a afirmação de que um corpo em movimento mantém velocidade constante se não atuarem forças sobre ele émenos intuitiva. Com efeito, um corpo em movimento não permanece sempre em movimento: depois de certo tempo – mais ou menos longo – o corpo para. Uma bolinha jogada sobre um plano horizontal para depois de percorrer poucos metros, mesmo que aparentemente não aja força alguma sobre ela. Na realidade existe uma força de freamento, indicada genericamente com o nome de atrito. Porém, no caso de essas forças não existirem ou serem reduzidas ao mínimo, o princípio da inércia é verificado plenamente. Por exemplo, uma nave espacial que se move no espaço interplanetário, por exemplo, não encontra atrito; por isso não tem necessidade de motor e, pelo princípio da inércia, continua a mover-se em linha reta com a velocidade com a qual foi lançada inicialmente. Os referenciais em que o princípio da inércia se verifica são chamados referenciais inerciais. Tais referenciais são fixos em relação às estrelas distantes ou se movem com velocidade constante em relação a elas, isto é, possuem aceleração vetorial nula. Para movimentos de pequena duração (menor que 24h), podemos desprezar os efeitos de rotação da Terra e considerar sua velocidade como constante durante o movimento de translação. Nessas condições a Terra pode ser considerada um referencial inercial. 5. Massa de um Corpo Sabemos que os corpos que apresentam maior inércia são aqueles de maior massa. Por exemplo, é mais fácil empurrar um carrinho vazio do que um carrinho cheio de compras. O carrinho com compras oferece maior resistência para sair do repouso. G a rf ie ld – J im D a vi s ® - 48 - Podemos, então, associar a massa de um corpo à sua inércia, dizendo que a massa de um corpo é a medida numérica de sua inércia. No Sistema Internacional de unidades (SI), a massa tem como padrão o quilograma. O submúltiplo e o múltiplo usuais do quilograma são, respectivamente, o grama (g) e a tonelada (t), sendo que 1 g = 10 -3 kg e 1 t = 10 3 kg. 6. Princípio Fundamental da Dinâmica ou 2ª Lei de Newton A experiência nos mostra que uma mesma força produzirá diferentes acelerações sobre diferentes corpos. Uma mesma força provoca uma aceleração maior numa bola de tênis do que num automóvel, isto é, quanto maior a massa de um corpo mais força será necessária para produzir uma dada aceleração. Esse princípio estabelece uma proporcionalidade entre causa (força) e efeito (aceleração). Isaac Newton estabeleceu esta lei básica que analisa as causas gerais dos movimentos, relacionando as forças aplicadas a um ponto material de massa m constante e as acelerações que a provocam. Considerando como RF a soma vetorial (resultante) de todas as forças aplicadas e a a aceleração adquirida, a segunda Lei de Newton estabelece: No Sistema Internacional de unidades (SI) a unidade de massa é o quilograma (kg) e a unidade de aceleração é o metro por segundo ao quadrado (ms2). Aplicando o princípio fundamental da Dinâmica, temos a unidade de força newton (N). amFR 1 N = 2s m kg A resultante das forças aplicadas a um ponto material é igual ao produto de sua massa pela aceleração adquirida. Isso significa que a força resultante produz uma aceleração com a mesma direção e mesmo sentido da força resultante e suas intensidades são proporcionais. - 49 - Um newton (N) é a intensidade da força que, aplicada à massa de 1 kg, produz na sua direção e no seu sentido um movimento de aceleração de 1 ms2. No sistema CGS a unidade de massa é grama (g), a unidade de aceleração e o centímetro por segundo ao quadrado (cms2) e a unidade de força e o dina (dyn). 2s cm gdyn A relação entre o newton e o dina é: 1 N = 10 5 dyn. 7. Medida de uma Força Podemos medir a intensidade de uma força pela deformação que ela produz num corpo elástico. O dispositivo utilizado é o dinamômetro, que consiste numa mola helicoidal de aço envolvida por um protetor. Na extremidade livre da mola há um ponteiro que se desloca ao longo de uma escala. A medida de uma força é feita por comparação da deformação causada por essa força com a de forças padrão. 8. Princípio da Ação e Reação ou 3ª Lei de Newton Quando dois corpos interagem aparece um par de forças como resultado da ação que um corpo exerce sobre o outro. Essas forças são comumente chamadas de ação e reação. O princípio da ação e reação estabelece as seguintes propriedades das forças decorrentes de uma interação entre os corpos: A toda ação corresponde uma reação, com a mesma intensidade, mesma direção e sentido contrário. - 50 - Imagine dois patinadores, de massas inerciais iguais, parados um em frente ao outro numa superfície horizontal de gelo. Se um empurrar o outro, os dois adquirirão movimento na mesma direção e em sentidos opostos, e os deslocamentos serão efetuados no mesmo intervalo de tempo, sugerindo que as forças aplicadas são opostas. Essa situação ilustra a Terceira lei de Newton, chamada Lei da ação e reação. Sempre que dois corpos quaisquer A e B interagem, as forças exercidas são mútuas. Tanto A exerce força em B, como B exerce força em A. A interação entre corpos é regida pelo princípio da ação e reação. Toda vez que um corpo A exerce uma força ⃗ num corpo B, este também exerce em A uma força ⃗ tal que essas forças: Tem a mesma intensidade | ⃗ | | ⃗ | Tem a mesma direção; Tem sentidos opostos; Tem a mesma natureza, sendo ambas de campo ou ambas de contato. Observação: As chamadas forças de ação e reação não se equilibram, pois estão aplicadas em corpos diferentes. Vamos analisar duas situações identificando as forças de reação aplicadas num determinado corpo: - 51 - Força Normal ( ⃗⃗⃗): Toda força trocada entre superfícies sólidas que se comprimem. Sua direção é perpendicular à linha que tangencia as superfícies no ponto de apoio: Força de tração ( ⃗⃗⃗): Força que um fio aplica em um corpo preso a ele. A essa força corresponde uma reação ⃗⃗, aplicada no fio. 9. Forças Especiais Formalizando o conceito de força, é o resultado da interação entre corpos, podendo ela produzir uma variação de velocidade, equilíbrio e deformação. Força é uma grandeza vetorial. 9.1. A Força Peso A força peso ( ⃗⃗) é uma força de campo, pois ocorre pela ação a distância entre os corpos. Imagine a seguinte situação, duas bolas de massas m1 e m2, foram abandonadas do repouso no mesmo nível e estão em queda livre vertical próximo à superfície da Terra. Nesta situação, a única força que atua sobre cada bola é a força gravitacional ⃗⃗ A intensidade de ⃗⃗ pode ser calculada multiplicando a massa m pela intensidade da aceleração da gravidade ⃗⃗⃗: De acordo com a Lei Fundamental da Dinâmica, a força ⃗⃗ é resultante e tem a mesma direção e sentido da aceleração ⃗. O peso de um corpo não deve ser confundido com sua massa: enquanto a massa é uma propriedade da matéria e seu valor é constante em qualquer lugar, o peso é uma força e sua intensidade varia dependendo do local onde o corpo se encontra. No SI, a unidade de massa é o quilograma (kg) e a unidade de peso é o newton (N). - 52 - Uma unidade de força muito utilizada na engenharia é o quilograma-força (kgf), definido com a intensidade da força peso de um corpo de 1 kg de massa, próximo à superfícieterrestre: 1 kgf = 9,8 N As faces de contato do bloco e da superfície são comprimidas, trocando forças normais. A compressão dessas faces é devida ao peso do bloco, que representa a atração que a Terra exerce sobre ele. 9.2. Força de Atrito A força de atrito pode ser encontrada frequentemente em nosso cotidiano: quando caminhamos, acendemos um palito de fósforo, escovamos os dentes, escrevemos, etc. Mas, o que são forças de atrito? São forças tangenciais que aparecem quando há escorregamento (ou tendência) entre superfícies sólidas que comprimem. A ocorrência desse fenômeno depende, entre outras coisas, do estado de polimento e da natureza das superfícies. 9.2.1. Força de atrito estático A força de atrito estático ocorre quando existe uma tendência a um deslizamento relativo entre duas superfícies que se comprimem. Na figura a seguir temos um bloco apoiado numa superfície horizontal, nele é aplicada uma força solicitadora de movimento ( ⃗) também horizontal. Enquanto o bloco permanece em repouso temos . Aumentando gradativamente a intensidade da força ⃗, o bloco continua em repouso até que ⃗ atinja o valor limite entre o repouso e o movimento iminente. Nesse momento, o bloco se encontra na iminência de movimento. Experimentalmente, podemos estabelecer as seguintes leis para o atrito: A intensidade da força de atrito estático varia de zero até o valor máximo de ⃗ A intensidade da força de atrito máxima é diretamente proporcional à intensidade da força normal ( ⃗⃗⃗) que a superfície aplica sobre o bloco: , sendo o coeficiente de atrito estático. O coeficiente de atrito estático depende do estado de polimento e da natureza das duas superfícies em contato. - 53 - A intensidade da força de atrito estático é independente da área de contato entre as superfícies sólidas que se comprimem. 9.2.2. Força de atrito cinético Quando a força solicitadora do movimento ( ⃗) atinge o valor da força de atrito máxima, o bloco fica na iminência de deslizamento. A partir daí, um pequeno acréscimo na intensidade da força solicitadora produz o movimento do bloco, ocorrendo, então, a força de atrito cinético ( ⃗ ). Experimentalmente, verifica-se que, quando o bloco está em movimento, a força de atrito é constante e não depende da velocidade de escorregamento das superfícies, desde que essa velocidade não atinja valores muitos elevados. O gráfico seguinte mostra de que maneira variam os atritos estático e cinético entre as superfícies. Para a força de atrito cinético, temos: , em que é o coeficiente de atrito cinético. Comparando os coeficientes estático e cinético, temos: - 54 - Atividades de Aprendizagem Exercícios Teóricos E01. Nas figuras abaixo, representamos as forças que agem nos blocos de massa igual a 2,0 kg. Determine, em cada caso, o módulo da aceleração que esses blocos adquirem. E02. Um ponto material de massa igual a 2 kg parte do repouso sob a ação de uma força constante de intensidade 6N, que atua durante 10 s, após os quais deixa de existir. Determine: a) a aceleração nos 10 s iniciais; b) a velocidade ao fim de 10 s. E03. Uma partícula de massa 0,50 kg realiza um movimento retilíneo uniformemente variado. Num percurso de 4,0 m sua velocidade varia de 3,0 m/s a 5,0 m/s. Qual o módulo da força resultante que age sobre a partícula? E04. Determine a aceleração de um bloco de massa 2 kg e que desliza, num plano horizontal sem atrito, nas situações indicadas abaixo: E05. Uma partícula de massa 0,20 kg é submetida à ação das forças 1F , 2F , 3F e 4F , conforme indica a figura. Determine a aceleração da partícula. E06. Submete-se um corpo de massa igual a 5.000 kg à ação de uma força constante que, a partir do repouso, lhe imprime a velocidade de 72 km/h, ao fim de 40 s. Determine: a) a intensidade da força; b) o espaço percorrido. E07. Qual o valor, em newtons, da força média necessária para fazer parar, um percurso de 20 m, um automóvel de 1,5103 kg a uma velocidade de 72 km/h? - 55 - E08. Duas forças, 1F e 2F , aplicadas a um mesmo ponto, são perpendiculares entre si. Sabendo que suas intensidades são respectivamente iguais a 12 N e 16 N, determine: a) a intensidade resultante das forças; b) a aceleração da partícula, que tem 4 kg de massa. Respostas dos Exercícios Teóricos: E01. a) 2 m/s 2 b) 3,5 m/s 2 c) 0,50 m/s 2 d) 2,5 m/s 2 E02. a) 3 m/s 2 b) v = 30 m/s E03. E04. a) 5 m/s 2 b) 3 m/s 2 E05. 10 m/s 2 E06. a) 2500 N b) 400 m E07. 1,5104 N E08. a) RF 20 N b) 5 m/s 2 - 56 - Testes T01. Um corpo de massa m = 0,5 kg está sob a ação das duas forças colineares, ⃗⃗ ⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗ indicadas na figura. De acordo com a segunda lei de Newton, a aceleração resultante, em ms2, é de: a) 0 b) 10 c) 30 d) 40 e) 70 T02. (UEL–PR) Sob a ação exclusiva de duas forças, ⃗⃗ ⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗ de mesma direção, um corpo de 6,0 kg de massa adquire aceleração de módulo igual a . Se o módulo de ⃗⃗ ⃗⃗ vale 20 N, o módulo de ⃗⃗⃗⃗⃗, em newtons, só pode valer: a) 0 b) 4,0 c) 44 d) 40 e) 4,0 ou 44 T03. Um corpo de massa igual a 2 kg encontra-se inicialmente em repouso sobre uma superfície horizontal sem atrito. Aplica-se uma força horizontal sobre o corpo (conforme o gráfico). A velocidade do corpo, após percorrer 4 m, será de: a) 3 m/s b) 4 m/s c) 5 m/s d) 6 m/s e) 2 m/s T04. (UFAL) Um carrinho de massa m = 25 kg é puxado por uma força resultante horizontal F = 50 N, conforme a figura abaixo. De acordo com a Segunda lei de Newton, a aceleração resultante no carrinho será, em , igual a: a) 1250 b) 50 c) 25 d) 2 e) 0,5 T05. (Fatec-SP) Uma motocicleta sofre aumento de velocidade de 10 m/s para 30 m/s enquanto percorre, em movimento retilíneo uniformemente variado, a distância de 100 m. Se a massa do conjunto piloto + moto é de 500 kg, pode-se concluir que o módulo da força resultante sobre o conjunto é: a) 200 N b) 400 N c) 800 N d) 2000 N e) 4000 N T06. (UFPE) Um objeto de 2,0 kg descreve uma trajetória retilínea, que obedece à equação horária , na qual s é medido em metros e t em segundos. O módulo da força resultante que está atuando sobre o objeto é: a) 10 N b) 17 N c) 19 N d) 28 N e) 35 N 𝐹 ⃗⃗⃗⃗⃗ 𝐹 ⃗⃗ ⃗⃗ - 57 - T07. Abaixo, apresentamos três situações do seu dia-a-dia que devem ser associados com as três leis de Newton. I) Ao pisar no acelerador do seu carro, o velocímetro pode indicar variações de velocidade. A) Primeira Lei de Newton ou Lei da Inércia. II) João machucou o pé ao chutar uma pedra. B) Segunda Lei de Newton ou Princípio Fundamental da Dinâmica. III) Ao fazer uma curva ou frear, os passageiros de um ônibus que viajam em pé devem se segurar. C) Terceira Lei de Newton ou Lei da Ação e Reação. A opção que apresenta a sequência de associação correta é: a) AI, BII, CIII b) AII, BI, CIII c) AII, BIII, CI d) AIII, BI, CII e) AIII, BII, CI T08. Um cavalo puxa uma carroça em movimento. Qual das forças enumeradas a seguir é responsávelpelo movimento do cavalo? a) A força de atrito entre a carroça e o solo. b) A força que o cavalo exerce sobre a carroça. c) A força que o solo exerce sobre o cavalo. d) A força que o cavalo exerce sobre o solo. e) A força que a carroça exerce sobre o cavalo. T09. Em um trecho de uma estrada retilínea e horizontal, o velocímetro de um carro indica um valor constante. Nesta situação: I. A força resultante sobre o carro tem o mesmo sentido que o da velocidade. II. A soma vetorial das forças que atuam sobre o carro é nula. III. A aceleração do carro é nula. a) Somente I é correta. b) Somente II é correta. c) Apenas I e II são corretas. d) Apenas I e III são corretas. e) I, II e III são corretas. - 58 - T10. Dadas as afirmações: I. Um corpo pode permanecer em repouso quando solicitado por forças externa. II. As forças de ação e reação têm resultante nula, provocando sempre o equilíbrio do corpo em que atuam. III. A força resultante aplicada sobre um corpo, pela Segunda Lei de Newton, é o produto de sua massa pela aceleração que o corpo possui. Podemos afirmar que é(são) correta(s): a) I e II b) I e III c) II e III d) I e) I, II e III T11. (EFOA-MG) Dos corpos destacados (sublinhados), o que está em equilíbrio é: a) a Lua movimentando-se em torno da Terra. b) uma pedra caindo livremente. c) um avião que voa em linha reta com velocidade constante. d) um carro descendo uma rua íngreme, sem atrito. e) uma pedra no ponto mais alto, quando lançada verticalmente para cima. T12. (UFMG) Todas as alternativas contêm um par de forças ação e reação, exceto: a) A força com que a Terra atrai um tijolo e a força com que o tijolo atrai a Terra. b) A força com que uma pessoa, andando, empurra o chão para trás e a força com que o chão empurra a pessoa para a frente. c) A força com que um avião empurra o ar para trás e a força com que o ar empurra o avião para a frente. d) A força com que um cavalo puxa uma carroça e a força com que a carroça puxa o cavalo. e) O peso de um corpo colocado sobre uma mesa horizontal e a força normal da mesa sobre ele. T13. Um livro está em repouso sobre uma mesa. A força de reação ao peso do livro é: a) a força normal. b) a força que a terra exerce sobre o livro. c) a força que o livro exerce sobre a terra. d) a força que a mesa exerce sobre o livro. e) a força que o livro exerce sobre a mesa. T14. Os choques de balões ou pássaros com os para-brisas dos aviões em processo de aterrissagem ou decolagem podem produzir avarias e até desastres indesejáveis em virtude da alta velocidade envolvida. Considere as afirmações abaixo: - 59 - I. A força sobre o pássaro tem a mesma intensidade da força sobre o para-brisa. II. A aceleração resultante no pássaro é maior do que a aceleração resultante no avião. III. A força sobre o pássaro é muito maior que a força sobre o avião. Pode-se afirmar que: a) apenas I e III são corretas. b) apenas II e III são corretas. c) apenas III é correta. d) I, II e III são corretas. e) apenas I e II estão corretas. T15. (UFAL 96) Um corpo de massa 250 g parte do repouso e adquire a velocidade de 20 m/s após percorrer 20 m em movimento retilíneo uniformemente variado. A intensidade da força resultante que age no corpo, em Newtons, vale: a) 2,5 b) 5,0 c) 10,0 d) 20,0 e) 25,0 T16. Um corpo de massa M = 4 kg está apoiado sobre uma superfície horizontal. O coeficiente de atrito estático entre o corpo e o plano é de 0,30, e o coeficiente de atrito dinâmico é 0,20. Se empurrarmos o corpo com uma força F horizontal de intensidade F = 16 N, podemos afirmar que: (g = 10 m/s 2 ) a) a aceleração do corpo é 0,5 m/s2. b) a força de atrito vale 20 N. c) a aceleração do corpo será 2 m/s2. d) o corpo fica em repouso. e) Nenhuma das alternativas anteriores está correta. T17. Um bloco de madeira pesa 2,00 103 N. Para deslocá-lo sobre uma mesa horizontal com velocidade constante, é necessário aplicar uma força horizontal de intensidade 1,0 102 N. O coeficiente de atrito dinâmico entre o bloco e a mesa vale: a) 5,0 10-2 b) 1,0 10-1 c) 2,0 10-1 d) 2,5 10-1 e) 5,0 10 -1 T18. Um corpo desliza sobre um plano horizontal, solicitado por uma força de intensidade 100 N. Um observador determina o módulo da aceleração do corpo: a = 1,0 m/s 2 . Sabendo-se que o coeficiente atrito dinâmico entre o bloco e o plano de apoio é 0,10, podemos dizer que a massa do corpo é: (g = 10 m/s 2 ) a) 10 kg b) 50 kg c) 100 kg d) 150 kg e) 200 kg - 60 - T19. Dois corpos A e B (mA = 3 kg e mB = 6 kg) estão ligados por um fio ideal que passa por uma polia sem atrito, conforme a figura. Entre o corpo A e o apoio, há atrito cujo coeficiente é 0,5. Considerando-se g = 10 m/s2, a aceleração dos corpos e a força de tração no fio valem: a) 5 m/s2 e 30 N. b) 3 m/s2 e 30 N. c) 8 m/s2 e 80 N. d) 2 m/s2 e 100 N. e) 6 m/s2 e 60 N. T20. (EFU-MG) O bloco da figura abaixo está em repouso e tem massa igual a 2 kg. Suponha que a força F = 4 N, representada na figura, seja horizontal e que o coeficiente de atrito estático das superfícies em contato vale 0,3. O valor da força de atrito é: (g = 10 m/s 2 .) a) 4 N b) 6 N c) 2 N d) 10 N e) 20 N T21. Dois blocos idênticos, ambos com massa m, são ligados por um fio leve, flexível. Adotar g = 10 m/s 2 . A polia é leve e o coeficiente de atrito do bloco com a superfície é m = 0,2. A aceleração dos blocos é: a) 10 m/s2 b) 6 m/s2 c) 5 m/s2 d) 4 m/s2 e) Nula T22. No esquema ao lado, considere desprezíveis a massa da roldana, a massa dos fios e o atrito. Considere a aceleração da gravidade igual a 10 m/s2 e t o instante em que os blocos A e B passam pela posição esquematizada. De acordo com todas as informações, inclusive as do esquema, a tração no fio F, em newtons, no instante t, é igual a: a) 40 b) 48 c) 60 d) 96 e) 100 - 61 - Resposta dos Testes: T01. B T12. E T02. C T13. C T03. B T14. E T04. D T15. A T05. D T16. C T06. D T17. A T07. D T18. B T08. C T19. A T09. E T20. A T10. B T21. D T11. C T22. B - 62 - 10. Matematizando 10.1. Relações Trigonométricas no Triângulo Retângulo Vamos definir seno, cosseno e tangente por meio de semelhança de triângulos. Se ABC é um triângulo retângulo em A, temos: • a é a medida da hipotenusa (lado oposto ao ângulo reto); • b e c são as medidas dos catetos (lados que formam o ângulo reto); • Bˆ e Cˆ são ângulos agudos; • AC é o cateto oposto ao ângulo B; • AB é o cateto adjacente ao ângulo B. Consideremos agora um ângulo COˆA , com 0 o < < 90º, e tracemos, a partir dos pontos C, E, G, etc. da semirreta OA, as perpendiculares CD, EF, GH, etc., à semirreta OB. Essa relação depende apenas do ângulo (e não do tamanho do triângulo retângulo do qual é um dos ângulos agudos). Ela é chamada seno de e escrevemos: oo 900 com , hipotenusa da medida ângulo ao oposto cateto do medida OC CD )(sen De modo análogo, da semelhança de triângulos obtemos as relações: )(constante ... OG OH OE OF OCOD )(constante ... OH GH OF EF OD CD que também dependem apenas do ângulo e que definimos, respectivamente, como cosseno do ângulo e tangente do ângulo : Os triângulos OCD, OEF, OGH, etc. são semelhantes por terem os mesmos ângulos. Podemos, portanto, escrever: - 63 - oo 900 com , hipotenusa da medida ângulo ao adjacente cateto do medida OC OD )cos( oo 900 com , ângulo ao adjacente cateto do medida ângulo ao oposto cateto do medida OD CD )(tg 10.2. Relações entre Seno, Cosseno e Tangente (propriedades) As razões trigonométricas seno, cosseno e tangente se relacionam de várias formas, como veremos a seguir: Relação fundamental do triângulo retângulo: sen2 + cos2 = 1, (0o < < 90º). cos sen tg , (0 o < < 90º). Se dois ângulos, e , são complementares ( + = 90°), então sen = cos (o seno de um ângulo é igual ao cosseno do ângulo complementar, e vice-versa). Dessa propriedade surgiu o nome cosseno: seno do complemento. 10.3. Seno, Cosseno e Tangente dos Ângulos Notáveis Os ângulos de 30º, 45º e 60º são chamados ângulos notáveis, ou seja, ângulos que merecem atenção especial. Para os estudos de Trigonometria, é essencial que tais valores sejam memorizados. A tabela ao lado resume esses valores. Observe na tabela que a sequência de valores da linha do seno aparece invertida na linha do cosseno. Isso não é coincidência. Ocorre porque 30º e 60º são complementares, e 45º é complementar a si mesmo. As razões , e são chamadas razões trigonométricas com relação ao ângulo . - 64 - Assim: • sen 30º = cos 60º (30º + 60º = 90º) • sen 45º = cos 45º (45º + 45º = 90º) • sen 60º = cos 30º (60º + 30º = 90º) Além disso, os valores da linha da tangente equivalem à razão dos valores do seno e do cosseno, pois )xcos( )x(sen )x(tg . Por exemplo, na coluna do 45º, temos: • sen 45º = 2 2 • cos 45º = 2 2 • tg 45º = 1 2 2 2 2 2 2 2 2 Dessa forma, nos exercícios que envolvem ângulos notáveis, você deve usar os valores memorizados e, nos demais exercícios, usar uma calculadora científica (lembre -se de que muitos modelos de celulares possuem esse tipo de calculadora). De onde vem o nome seno “Quando estudei Trigonometria no colégio, meu professor ensinou que seno vem do latim sinus, que significa seio, volta, curva, cavidade (como nas palavras enseada, sinuosidade). E usou o gráfico da função, que é realmente bastante sinuosos, para justificar o nome. Mais tarde vim a aprender que não é bem assim. Sinus é a tradução latina da palavra árabe jaib, que significa dobra, bolso ou prega de uma vestimenta. Isso não tem nada a ver com o conceito matemático de seno. Trata-se de uma tradução defeituosa, que infelizmente, durou até hoje. A palavra árabe adequada, a que deveria ser traduzida, seria jiba, em vez de jaib. Jiba significa a corda de um arco (de caça ou de guerra). Uma explicação para esse erro é proposta po A. Aaboe (Episódios da história antiga da Matemática, p.139): em árabe, como em hebraico, é frequente escreverem-se apenas as consoantes das palavras; o leitor se encarrega de completar as vogais. Além de jiba e jaib terem as mesmas consoantes, a primeira dessas palavras era pouco comum, pois tinha sido trazida da Índia e pertencia ao idioma sânscrito. Evidentemente, quando se buscam as origens das palavras, é quase inevitável que se considerem várias hipóteses e dificilmente se pode ter certeza absoluta sobre a conclusão. Há outras explicações possíveis para a palavra seno. Uma delas é de que se teria originado da abreviatura s. ins. (semicorda inscrita).” LIMA, Elon Lages. Meu Professor de Matemática. Rio de Janeiro: Instituto de Matemática Pura e Aplicada (IMPA) e Vitae – Apoio à Cultura, Educação e Promoção Social, 1991, p.187. - 65 - Atividades de Aprendizagem Exercícios Teóricos Exercícios 01 a 14 extraídos da obra: DANTE, Luiz Roberto. Matemática: contexto & aplicações. Vol. 1. 2ª Ed. São Paulo: Ática, 2013. E01. Um a rampa lisa de 10 m de comprimento faz ângulo de 30º com o plano horizontal. Uma pessoa que sobe essa rampa inteira eleva-se quantos metros verticalmente? E02. Um navio está situado exatamente 10 milhas a leste de um ponto A. Um observador, situado exatamente ao sul do navio, vê o ponto A sob um ângulo de 40º. Calcule a distância entre o observador e o navio. E03. Em um exercício de tiro esportivo, o alvo se encontra em uma parede e sua base está situada a 20 m do atirador. Sabendo que o atirador vê o alvo sob um ângulo de 10º em relação à horizontal, calcule a que distância o centro do alvo se encontra do chão. E04. Para determinar a altura de uma torre, um topógrafo coloca o teodolito a 100 m da base e obtém um ângulo de 30º, conforme mostra a figura. Sabendo que a luneta do teodolito está a 1,70 m do solo, qual é aproximadamente a altura da torre? E05. Na figura abaixo, qual é a altura do avião em relação ao chão E06. Observe a figura a seguir e responda às questões: a) Qual é o comprimento da escada? b) Qual é o ângulo formado pela escada e o chão? E07. Queremos saber a largura l de um rio sem atravessá-lo. Para isso, adotamos o seguinte processo: • marcamos dois pontos, A (uma estaca) e B (uma árvore), um em cada margem; • marcamos um ponto C, distante 8 m de A, onde fixamos o aparelho para medir ângulos (teodolito), de tal modo que o ângulo no ponto A seja reto; - 66 - • obtemos uma medida de 70º para o ângulo ACB. Nessas condições, qual é a largura l do rio? E08. Em Física muitas grandezas são representadas por vetores, que são segmentos de reta orientados que possuem um tamanho (módulo), uma direção e um sentido (indicado pela flecha na ponta do vetor). Quando a direção desses vetores não é nem horizontal nem vertical, eles podem ser decompostos em outros dois vetores, sendo um horizontal e outro vertical. Na figura a seguir, observa-se um vetor V, de módulo (tamanho) 10, cuja direção está inclinada 30° em relação à horizontal. Usem seus conhecimentos de Trigonometria para calcular qual é o módulo (tamanho) do vetor Vx na horizontal e do vetor Vy na vertical. E09. As ruas Canário e Tico-Tico são perpendiculares. A distância entre os pontos A e B é de 50 m. As ruas Canário e Sabiá cruzam -se em B formando um ângulo de 60º. Qual é o perímetro do triângulo ABC determinado pelos cruzamentos dessas três ruas? (Use 7,13 ) E10. Na construção de um telhado foram usadas telhas francesas e o “caimento” do telhado é de 20º em relação ao plano horizontal. Sabendo que, em cada lado da casa, foram construídos 6 m de telhado e que, até a laje do teto, a casa tem 3 m de altura, determine a que altura se encontra o ponto mais alto do telhado dessa casa. E11. Um avião levanta voo em A e sobe fazendo um ângulo constante de 15º com a horizontal. A que altura estará e qual a distância percorrida quando sobrevoar uma torre situada a 2 km do ponto de partida? E12. Calcule a medida x indicada na figura abaixo: E13. Um segmento AB de 10 cm faz um ângulo agudo a com a horizontal. Sua projeção A’B’ na horizontalmede 35 cm. Qual é o valor do ângulo ? E14. Um arame de 120 m de comprimento é esticado do topo de um prédio até o solo. Calcule a altura do prédio sabendo que o arame forma com o solo um ângulo de 25º. - 67 - Respostas dos Exercícios Teóricos: E01. 5 m E02. 12,05 milhas E03. 3,6 m E04. 59,7 m E05. 2500 m E06. a) 8m b) 30º E07. 22 m E08. Vx = 35 e Vy = 5 E09. 235 m E10. 5,04 m E11. h = 540 m e d = 2.062 m E12. 350 E13. = 30º E14. 50,4 m - 68 - Testes T01. Acredita-se que a necessidade de avaliar distâncias inacessíveis tenha colaborado para o surgimento do cálculo trigonométrico, já que essas medidas podem ser estimadas com o auxílio da Trigonometria no triângulo retângulo. Atualmente, um instrumento óptico bastante usado para esse tipo de trabalho é o teodolito, que permite medir ângulos verticais e horizontais. a) 10 m b) 8 m c) 8,65 m d) 5,78 m e) 6,56 m T02. Um avião decola de um ponto B sob inclinação constante de 15º com a horizontal. A 2 km de B se encontra a projeção vertical C do ponto mais alto D de uma serra de 600 m de altura, conforme figura. É correto afirmar que: a) não haverá colisão do avião com a serra; b) haverá colisão do avião com a serra antes de alcançar 540 m de altura; c) haverá colisão do avião com a serra em D; d) se o avião decolar 220 m antes de B, mantendo a mesma inclinação, não haverá colisão do avião com a serra. T03. Em uma aula prática de seu curso de Engenharia Civil, Edmílson teve de determinar a altura de um prédio situado em terreno plano. Instalado o teodolito em um ponto do terreno, o estudante conseguiu ver o topo do prédio sob ângulo de 60°. Afastando-se o aparelho mais 5 m do edifício, seu topo passou a ser visto sob ângulo de 45°. Considerando que o teodolito tem uma altura de 1,17 m e tomando 1,732 como aproximação para 3 , a altura do edifício é: a) 9 m b) 6,82 m c) 11,83 m d) 13 m e) 11 m Usando um teodolito a partir do segmento AB apresentado na fotografia ao lado, foi possível medir dois ângulos: e . Como foi obtida a distância AB = 5 m, e tomando 1,73 como aproximação para , a distância entre os pontos A e C é: (Dados: cos 15º 0,97; sen 15º 0,26; tg 15º 0,27) - 69 - T04. (Enem-2010) Um balão atmosférico, lançado em Bauru (343 quilômetros a noroeste de São Paulo), na noite do último domingo, caiu nesta segunda-feira em Cuiabá Paulista, na região de Presidente Prudente, assustando agricultores da região. O artefato faz parte do programa Projeto Hibiscus, desenvolvido por Brasil, França, Argentina, Inglaterra e Itália, para a medição do comportamento da camada de ozônio, e sua descida se deu após o cumprimento do tempo previsto de medição. Na data do acontecido, duas pessoas avistaram o balão. Uma estava a 1,8 km da posição vertical do balão e o avistou sob um ângulo de 60°; a outra estava a 5,5 km da posição vertical do balão, alinhada com a primeira, e no mesmo sentido, conforme se vê na figura, e o avistou sob um ângulo de 30°. Qual a altura aproximada em que se encontrava o balão? a) 1,8 km b) 1,9 km c) 3,1 km d) 3,7 km e) 5,5 km T05. De um ponto A no solo, visam-se a base B e o topo C de um bastão colocado verticalmente no alto de uma colina, sob ângulos de 30º e 45º, respectivamente. Se o bastão mede 4 m de comprimento, a altura da colina, em metros, é igual a: a) 3 b) 2 c) 32 d) )13(2 e) )33(2 T06. (Enem-2011) Para determinar a distância de um barco até a praia, um navegante utilizou o seguinte procedimento: a partir de um ponto A, mediu o ângulo visual fazendo mira em um ponto fixo P da praia. Mantendo o barco no mesmo sentido, ele seguiu até um ponto B de modo que fosse possível ver o mesmo ponto P da praia, no entanto sob um ângulo visual 2. A figura ilustra essa situação: Suponha que o navegante tenha medido o ângulo = 30° e, ao chegar ao ponto B, verificou que o barco havia percorrido a distância AB 2000 m. Com base nesses dados e mantendo a mesma trajetória, a menor distância do barco até o ponto fixo P será: a) 1000 m b) 31000 m c) 3 3 2000 m d) 2000 m e) 32000 m - 70 - T07. Topografia é área do conhecimento que trabalha com levantamento de dados para a representação gráfica detalhada de uma região da superfície terrestre (distâncias, relevo, formas, etc.). Esse nome vem do idioma grego, em que topos significa ‘lugar’ e graphein significa ‘descrever’: “descrição de um lugar”. Desde as civilizações mais antigas, os povos já demarcavam a posição e limitavam a extensão de suas terras aplicando técnicas rudimentares de Topografia. Imagine que Thaís, estudante do curso de Engenharia Civil, cursando a disciplina de Topografia, caminha em uma pequena estrada retilínea paralela a uma praia, quando vê, da estrada, um grande barco parado no mar. Curiosa, quer saber a distância do barco à estrada. Pega seu teodolito no carro e verifica que a reta que une o barco ao ponto onde ela está forma 45° com a estrada. Após percorrer mais 1.350 m na estrada, Thaís verifica que a reta que une o barco ao novo ponto onde ela está forma com a estrada um ângulo de 30°; com essas informações, calcula a distância desejada. Se ela usou 1,7 como aproximação para 3 e acertou todos os cálculos, a distância que encontrou foi: a) 5 km b) 2,5 km c) 0,5 km d) 0,25 km e) 0,05 km T08. (Enem-2009) Ao morrer, o pai de João, Pedro e José deixou como herança um terreno retangular de 3 km 2 km que contém uma área de extração de ouro delimitada por um quarto de círculo de raio 1 km a partir do canto inferior esquerdo da propriedade. Dado o maior valor da área de extração de ouro, os irmãos acordaram em repartir a propriedade de modo que cada um ficasse com a terça parte da área de extração, conforme mostra a figura. Em relação à partilha proposta, constata-se que a porcentagem da área do terreno que coube a João corresponde, aproximadamente, a: 58,0 3 3 Considere a) 50% b) 43% c) 37% d) 33% e) 19% T09. Um observador, no ponto B da figura ao lado, vê um prédio de modo que o ângulo ABC é de 105°. Se esse observador está situado a uma distância de 8 m do prédio e a uma altura de 8 m, qual é a altura do prédio? (Use 7,13 ) a) 21,6 m b) 17 m c) 18,6 m d) 25,5 m e) 30,6 m - 71 - T10. Uma pessoa de 1,65 m de altura observa o topo de um edifício conforme o esquema abaixo. Para sabermos a altura do prédio, devemos somar 1,65m a: a) bcos() b) acos() c) asen() d) btg() e) bsen() Respostas dos Testes: 01. C 02. B 03. D 04. C 05. D 06. B 07. C 08. E 09. A 10. E - 72 - 10.4. Estudo da Circunferência Trigonométrica 10.4.1. Introdução Os ângulos aparecem nos registros da Grécia antiga associados ao estudo dos elementos de um círculo, relacionados com arcos e cordas. As propriedades dos ângulos centrais de uma circunferência eram conhecidas desde o tempode Eudoxo — astrônomo, matemático e filósofo grego que viveu no século IV a.C. —, que teria usado medidas de ângulos em diversos cálculos, como a determinação das dimensões da Terra e da distância relativa entre o Sol e a Terra. Acredita-se que os sumérios e os acadianos, antigos povos habitantes da Mesopotâmia (3500 a.C.), já sabiam medir ângulos — é atribuída aos sumérios a criação da escrita cuneiforme, a mais antiga de que se tem notícia. Feita com o auxílio de uma cunha, a escrita cuneiforme era composta de traços verticais, horizontais e oblíquos. A divisão do círculo em partes iguais, obtida por meio de ângulos centrais congruentes, aparece bem mais tarde. Hipsicles (século III a.C.) foi um dos primeiros astrônomos gregos a dividir o círculo em 360 partes iguais, mas não há evidência científica da escolha desse número. O que pode tê-la influenciado é o fato de já se saber que o movimento de translação da Terra em torno do Sol se realizava em um período de aproximadamente 360 dias. Mas a hipótese mais provável é ter havido a influência do sistema de numeração de base sexagesimal (base 60), utilizado na Babilônia, justificando também as subdivisões das medidas dos ângulos, que seguem essa base. A Trigonometria, como seu nome sugere, é o estudo das medidas envolvidas no triângulo. Seu propósito inicial é, portanto, a resolução de problemas relacionados a triângulos. Já estudamos as relações entre os ângulos e os lados de um triângulo retângulo, as razões trigonométricas. Agora, vamos estender esses conceitos a ângulos maiores do que 180°, e para isso contaremos com o apoio de uma circunferência, chamada circunferência trigonométrica, na qual serão considerados os ângulos centrais. 10.4.2. Conceitos Trigonométricos Básicos Neste tópico vamos fazer um estudo mais abrangente de seno, cosseno e tangente, uma necessidade mais recente da Matemática. Nesse novo contexto, o triângulo retângulo é insuficiente para as definições necessárias e precisamos estabelecer um novo “ambiente” para a Trigonometria: a circunferência trigonométrica. Para isso, vamos relembrar alguns conceitos necessários: Arco geométrico: é uma das partes da circunferência delimitada por dois pontos, incluindo-os. Se os dois pontos coincidirem, teremos arco nulo ou arco de uma volta. - 73 - Medida e comprimento de um arco: considere um ponto A sobre uma circunferência de raio r e centro O. Deslocando-se o ponto A sobre a circunferência, ele percorre uma distância l ao mesmo tempo em que gira um ângulo em torno do centro O. Esse movimento do ponto A descreve um arco de circunferência de medida e comprimento l. Para a medida usam-se geralmente unidades como o grau e o radiano. Para o comprimento l usam-se em geral unidades como metro, centímetro, quilômetro, etc. • Medida de uma circunferência em graus: 360°. • Comprimento de uma circunferência de raio r: C = 2r . Arco e ângulo central: todo arco de circunferência tem a mesma medida do ângulo central que o subtende. Unidades para medir arcos de circunferência (ou ângulos): As unidades mais usadas para medir arcos de circunferência (ou ângulos) são o grau e o radiano. Grau: quando dividimos uma circunferência em 360 partes congruentes, cada uma dessas partes é um arco de um grau (1°). Considere o arco AB, que vai de A para B no sentido anti-horário: O comprimento l depende do raio da circunferência, mas a medida não. Arco: Medida de AB = Ângulo Central: Medida de = Considere cinco circunferências concêntricas de raios diferentes e um mesmo ângulo central subtendendo arcos em todas elas. Os cinco arcos terão a mesma medida? E terão o mesmo comprimento? arco AB de 270º (três quartos de volta) arco AB de 90º (um quarto de volta) arco AB de 180º (meia volta) arco AB de 360º ou 0 o (uma volta ou nulo) O grau foi dividido em 60 partes menores denominadas minuto. O minuto foi dividido também em 60 partes menores denominadas segundo. Assim, um arco de dois graus, trinta e cinco minutos e quarenta segundos é representado por: 2°35’40’’. - 74 - Radiano: um arco de um radiano (1 rad) é um arco cujo comprimento retificado é igual ao raio da circunferência. Isso deve ser interpretado da seguinte forma: Se temos um ângulo central de medida 1 radiano, então ele subtende um arco de medida 1 radiano (lembre que a medida do arco é igual à medida do ângulo central) e comprimento de 1 raio. Se temos um ângulo central de medida 2 radianos, então ele subtende um arco de medida 2 radianos e comprimento de 2 raios. Se temos um ângulo central de medida radianos, então ele subtende um arco de medida radianos e comprimento de raios. Assim, se a medida do arco for dada em radianos, teremos l = r. Relação entre as unidades para medir arcos (ou ângulos): Lembre-se de que o comprimento C da circunferência de raio r é igual a C = 2r, em que = 3,141592... Como cada raio r corresponde a 1 rad, podemos afirmar que o arco correspondente à circunferência mede: 2r = 21 rad = 2 rad. Sabendo que um arco de 180º mede rad , podemos fazer a conversão de unidades usando uma regra de três simples. Porém, recomendamos que você se acostume a fazer as principais conversões entre grau e radiano mentalmente, sem recorrer à regra de três. Esse procedimento é muito simples se observarmos que: Existem outras unidades para medir arcos, por exemplo, o grado, que é um arco obtido a partir da divisão da circunferência em 400 partes iguais. Porém, as unidades mais usadas são o grau e o radiano. - 75 - 90º é 2 1 de 180º; logo, é 2 1 de rad 90º = 2 rad. 30º é 6 1 de 180º; logo, é 6 1 de rad 30º = 6 rad. 60º é 3 1 de 180º; logo, é 3 1 de rad 60º = 3 rad. 45º é 4 1 de 180º; logo, é 4 1 de rad 45º = 4 rad. Você pode (e deve!) memorizar estas relações para agilizar as conversões. Veja outro exemplo: 120º é o dobro de 60º, então: 120º = rad. - 76 - Atividades de Aprendizagem Exercícios Teóricos Exercícios 01 a 14 extraídos da obra: DANTE, Luiz Roberto. Matemática: contexto & aplicações. Vol. 2. 2ª Ed. São Paulo: Ática, 2013. E01. Se o comprimento de uma circunferência é 2 cm, qual seria o comprimento de um arco de: a) b) c) d) e) f) g) E02. Converta em radianos: a) 210º b) 300º c) 120º d) 115º e) 270º f) 135º g) 150º E03. Expresse em graus: a) 6 b) 6 5 c) 4 d) 4 5 e) 3 4 f) 5 6 g) 7 2 E04. Determine a medida, em radianos, de um arco de 20 cm de comprimento contido em uma circunferência de raio 8 cm. E05. Qual e o comprimento de um arco correspondente a um ângulo central de 45° contido em uma circunferência de raio 2 cm? E06. Calcule, em radianos, a medida do ângulo central correspondente a um arco de comprimento 15 cm contido numa circunferência de raio 3 cm. E07. Determine o ângulo, em radianos, em cada item: a) b) E08. Um pêndulo tem 15 cm de comprimento e, no seu movimento,suas posições extremas formam um ângulo de 60°. Qual é o comprimento do arco que a extremidade do pêndulo descreve? - 77 - 10.4.3. Circunferência Trigonométrica À circunferência trigonométrica de centro O, vamos associar um sistema de coordenadas cartesianas ortogonais, fixando o ponto A de coordenadas (1, 0) como origem dos arcos (conforme figura ao lado). Os eixos x e y dividem a circunferência trigonométrica em quatro partes congruentes chamadas quadrantes, numeradas de 1 a 4 e contadas a partir de A, no sentido positivo. Os pontos A, B, A’ e B’ são pontos dos eixos e por isso não são considerados pontos dos quadrantes. Para todo ponto (x, y) pertencente à circunferência trigonométrica, temos -1 x 1 e -1 y 1. Denomina-se circunferência trigonométrica à circunferência orientada, de centro na origem do sistema de coordenadas cartesianas ortogonais, cujo raio tem 1 unidade de comprimento e na qual o sentido positivo é o anti-horário. - 78 - 10.4.4. Arcos Côngruos ou Congruentes Toda vez que o ponto da circunferência, final do arco iniciado em (1, 0), é o mesmo para dois arcos diferentes (por exemplo, 0 e 2), chamamos esses arcos de arcos côngruos ou congruentes. É conveniente notar que todos os arcos côngruos diferem entre si de um múltiplo de 2, que é o comprimento de cada volta. Imaginando o ponto como um móvel que se desloca sobre a circunferência no sentido anti-horário, teríamos o seguinte: na primeira figura, o ponto deslocou-se 3 ou 60° de A até B; na segunda figura, o ponto deslocou-se uma volta inteira (2 ou 360°) e mais 3 ou 60°; ou seja, deslocou-se 3 7 ou 420°; na terceira figura, o ponto deslocou-se duas voltas inteiras (22 ou 2 360°) e mais 3 ou 60°; ou seja, 3 13 ou 780°. Supondo que o ponto se deslocasse k voltas inteiras, o número associado à extremidade B do arco AB seria escrito assim: Zk com ,360k60ou 2k 3 oo Podemos então definir: Dois arcos são côngruos ou congruentes quando suas medidas diferem em um múltiplo de 2 rad ou 360°. - 79 - Atividades de Aprendizagem Exercícios Teóricos E01. Escreve a expressão geral dos arcos congruentes a: a) 60º b) 120º c) 4 5 rad d) 6 11 rad E02. Dê a expressão geral, em radianos, dos arcos de extremidades nos pontos indicados, considerando a origem em A: a) b) c) d) e) f) E03. Encontre a 1ª determinação, ou seja, o menor valor não negativo côngruo ao arco de: a) 780º b) 1140º c) -400º d) 2 15 rad e) 3 10 rad f) 2 9 rad E04. “Em 1792, durante a Revolução Francesa, houve na França uma reforma de pesos e medidas que culminou na adoção de uma nova unidade de medida de ângulos. Essa unidade dividia o ângulo reto em 100 partes iguais, chamadas grados. Um grado (1 gr) é, então, a unidade que divide o ângulo reto em 100 partes iguais, e o minuto divide o grado em 100 partes, bem como o segundo divide o minuto também em 100 partes. Tudo isso para que a unidade de medição de ângulos ficasse em conformidade com o sistema métrico decimal. A ideia não foi muito bem-sucedida, mas até hoje encontramos na maioria das calculadoras científicas as três unidades: grau, radiano e grado.” (DANTE, 2013, p.34) Com base no texto acima, responda: a) A quantos grados equivale meia volta de circunferência? E uma volta inteira? - 80 - b) Em qual quadrante termina o arco trigonométrico de 250 gr? c) A quantos grados equivale 1 rad? d) A quantos graus equivale 1 gr? Respostas dos Exercícios Teóricos: E01. E02. E03. E04. Testes T01. (PUC-MG) Ao projetar prédios muito altos, os engenheiros devem ter em mente o movimento de oscilação, que é típico de estruturas de arranha-céus. Se o ponto mais alto de um edifício de 400 m descreve um arco de o 2 1 , a medida do arco descrito por esse ponto, em metros, é: a) b) 4 3 c) 3 4 d) 9 10 e) 10 11 T02. (Enem-2004) Nos X-Games Brasil, em maio de 2004, o skatista brasileiro Sandro Dias, apelidado “Mineirinho”, conseguiu realizar a manobra denominada “900”, na modalidade skate vertical, tornando-se o segundo atleta no mundo a conseguir esse feito. A denominação “900” refere-se ao número de graus que o atleta gira no ar em torno de seu próprio corpo, que, no caso, corresponde a: a) uma volta completa. b) uma volta e meia. c) duas voltas completas. d) duas voltas e meia. e) cinco voltas completas. - 81 - 10.5. Vetores 10.5.1. Noção Intuitiva Existem dois tipos de grandezas: as escalares e as vetoriais. As escalares são aquelas que ficam completamente definidas por apenas um número real (acompanhado de uma unidade adequada). Comprimento, área, volume, massa, temperatura, densidade, são exemplos de grandezas escalares. Assim, quando dizemos que uma mesa tem 3m de comprimento, que o volume de uma caixa é de 10 dm 3 ou que a temperatura ambiente é de 30º C, estamos determinando perfeitamente estas grandezas. Existem, no entanto, grandezas que não ficam completamente definidas apenas pelo seu módulo, ou seja, pelo número com sua unidade correspondente. Falamos das grandezas vetoriais, que para serem perfeitamente caracterizadas necessitamos conhecer seu módulo (ou comprimento ou intensidade), sua direção e seu sentido. Força, velocidade, aceleração, são exemplos de grandezas vetoriais. Antes de apresentar um exemplo mais palpável de grandeza vetorial, precisamos ter bem presente as ideias de direção e de sentido. A figura ao lado apresenta três retas. A reta r1 determina, ou define, uma direção. A reta r2 determina outra direção, diferente da direção de r1. Já a reta r3, por ser paralela a r1, possui a mesma direção de r1. Assim a noção de direção é dada por uma reta e por todas as que lhe são paralelas. Quer dizer, retas paralelas têm a mesma direção. Nesta outra figura, apresentada abaixo, a direção é definida pela reta que passa pelos pontos A e B. O deslocamento de uma pessoa nessa mesma direção pode ser feito de duas maneiras: no sentido de A para B ou no sentido contrário, de B para A. Portanto, a cada direção podemos associar dois sentidos. Fica claro então que só podemos falar em “sentidos iguais” ou em “sentidos contrários” caso estejamos diante da mesma direção. Alguns exemplos: Situação 01: Consideremos um avião com uma velocidade constante de 400 km/h, deslocando-se para nordeste, sob um ângulo de 40º (na navegação aérea, as direções são dadas pelo ângulo considerado a partir do norte (N), em sentido horário). Esta grandeza (velocidade) seria representada por um segmento orientado (uma flecha – figura abaixo), sendo o seu módulo dado pelo comprimento do segmento (no caso, 4 cm, e cada 1 cm corresponde a 100 km/h), com a direção e o sentido definidos pelo ângulo de 40º. O sentido será indicado por uma seta na extremidade superior do segmento. r2 r1 r3 A B - 82 - Observemos que no caso de o ângulo ser 220º (40º + 180º), a direção continua sendo a mesma, porém, o sentido é o oposto. Este exemplo de grandeza vetorial sugere a noção de vetor. Situação 02: Analisando o deslocamento de um carro de um pontoao outro em uma estrada, podemos representar esse movimento por um segmento de reta orientado, terminado em ponta de flecha, conforme mostra a figura abaixo. O segmento de reta orientado aponta no sentido em que o carro se desloca e possui um comprimento que meça a velocidade real dentro de uma escala conveniente, assim como no exemplo anterior. Esse segmento de reta representa o vetor-velocidade do carro. O vetor-velocidade é um dos vários exemplos de vetores desse tipo que podem ser encontrados dentro da Física. Os vetores nos permitem raciocinar sobre problemas no espaço sem a ajuda de eixos de coordenadas. Dado que as leis fundamentais da física não dependem de uma posição particular no espaço dos eixos de coordenadas, os vetores são instrumentos adaptados à formulação dessas leis. Abstendo-se da ideia de grandezas vetoriais, diríamos que o vetor é representado por um segmento orientado (um segmento está orientado quando nele se escolhe um sentido de percurso, considerado positivo). Dois ou mais segmentos orientados de mesmo comprimento, mesma direção (são paralelos ou colineares) e mesmo sentido são representantes de um mesmo vetor. Na figura ao lado, todos os segmentos orientados paralelos, de mesmo sentido e mesmo comprimento de AB, representam o mesmo vetor, que será indicado por AB ou B – A, onde A é a origem e B a extremidade do segmento. O vetor também costuma ser indicado por uma letra minúscula encimada por uma flecha, tal como v . N 40º N S L O A B - 83 - Quando escrevemos v = AB , estamos afirmando que o vetor v é determinado pelo segmento orientado AB. Porém, qualquer outro segmento de mesmo comprimento, mesma direção e mesmo sentido de AB representa também o vetor v . Assim sendo, cada ponto do espaço pode ser considerado como origem de um segmento orientado que é representante do vetor v . Esta é a razão de o vetor também ser chamado de vetor livre, no sentido de que o representante pode ter sua origem colocada em qualquer ponto. O módulo, a direção e o sentido de um vetor v é o módulo, a direção e o sentido de qualquer um dos seus representantes. Indica-se o módulo de v por v ou v . Dois vetores u e v são paralelos, e indica-se por u // v , se os seus representantes tiverem a mesma direção. Dois vetores u e v são ditos iguais, e indica-se por u = v , se tiverem iguais o módulo, a direção e o sentido. A B - 84 - Atividades de Aprendizagem Exercícios Teóricos E01. A figura é constituída de nove quadrados congruentes. Associe V (verdadeiro) ou F (falso) a cada uma das seguintes afirmações: a) ( ) OFAB b) ( ) PHAM c) ( ) OPBC d) ( ) MCBL e) ( ) EDDE f) ( ) MGAO g) ( ) FIKN h) ( ) HI//AC i) ( ) LD//JO j) ( ) FG//AJ k) ( ) EGAB l) ( ) BLAM m) ( ) ECPE n) ( ) NBPN o) ( ) AMPN p) ( ) FPAC q) ( ) MFIF r) ( ) ACAJ s) ( ) NP2AO t) ( ) BLAM 10.5.2. Operações com vetores Adição de Vetores Consideremos os vetores u e v , cuja soma u + v pretendemos encontrar. Tomemos um ponto A qualquer e, com origem nele, tracemos um segmento orientado AB representante do vetor u . Utilizemos a extremidade B para traçar o segmento orientado BC representante do vetor v . O vetor representado pelo segmento orientado de origem A e extremidade C é, por definição, o vetor soma de u e v , isto é, u + v = AC ou ACBCAB . Sendo u // v , a maneira de se obter o vetor u + v é a mesma e está ilustrada abaixo: A B C D L M N E K P O F J I H G A + B C + e de mesmo sentido + e de sentidos contrários - 85 - No caso de os vetores u e v não serem paralelos, há uma outra maneira de se encontrar o vetor soma u + v . Representam-se u = AB e v = AD por segmentos orientados de mesma origem A. Completa-se o paralelogramo ABCD e o segmento orientado de origem A, que corresponde à diagonal do paralelogramo, é o vetor u + v , isto é, u + v = AC , ou AB + AD = AC . Para o caso de se determinar a soma de três vetores ou mais, o procedimento é análogo e, em particular, se a extremidade do representante do último vetor coincidir com a origem do representante do primeiro, a soma deles será o vetor zero. Multiplicação de um vetor por um escalar Dado um vetor v 0 e um número real k 0, chama-se produto do numero real k pelo vetor v , o vetor k v , tal que: a) módulo: k v = k v , isto é, o comprimento de k v é igual ao comprimento de v multiplicado por k; b) direção: k v é paralelo a v ; c) sentido: k v e v têm o mesmo sentido se k > 0, e contrário se k < 0. Se k = 0 ou v = 0 , então k v = 0 . A figura apresenta o vetor v e alguns de seus múltiplos: Ângulo de dois vetores O ângulo entre os vetores não-nulos u e v é o ângulo formado por duas semi-retas AO e OB de mesma origem O, onde u = OA , v = OB e 0 ( em radianos) ou 0o 180º. Se u // v e u e v têm o mesmo sentido, então = 0. É o que ocorre, por exemplo, com os vetores u e u2 que têm o mesmo sentido. Se u // v e u e v têm sentidos contrários, então = 180º. É o caso de u e u3 . A B C D + + + + + + + = O B A - 86 - Atividades de Aprendizagem Exercícios Teóricos E01. Com base na figura ao lado, determinar os vetores abaixo, expressando-os com origem no ponto A: a) CNAC b) BDAB c) DCAC d) AKAC e) EOAC f) BLAM g) ANAK h) OEAO i) NPMO j) CBBC k) NFPNLP l) PBBNBL E02. Com base na figura ao lado, determinar os vetores abaixo, expressando-os com origem no ponto A: a) CGAB b) DEBC c) EHBF d) BCEG e) EHCG f) FBEF g) AEADAB h) FHDAEG E03. Dados dois vetores u e v não-paralelos, construir no mesmo gráfico osvetores u + v , u v , v u e u v , todos com origem em um mesmo ponto. E04. A figura ao lado apresenta o losango EFGH inscrito no retângulo ABCD, sendo O o ponto de intersecção das diagonais desse losango. Associe V para verdadeiro e F para falso a cada uma das seguintes afirmações: a) ( ) OGEO b) ( ) CHAF c) ( ) HGDO d) ( ) BOOC e) ( ) DHOH f) ( ) COEH g) ( ) BDAC h) ( ) DB 2 1 OA i) ( ) CD//AF j) ( ) HG//GF k) ( ) OC//AO l) ( ) OHAB m) ( ) CBEO n) ( ) HFAO o) ( ) FEOB A B C D E F G H A F B D H C E O G A B C D L M N E K P O F J I H G - 87 - E05. Associe V ou F a cada uma das afirmações: a) ( ) Se u = v , então u = v . b) ( ) Se u = v , então u = v . c) ( ) Se u // v , então u = v . d) ( ) Se u = v , então u // v . e) ( ) Se w = u + v , então w = u + v . f) ( ) Se w = u + v , então u , v e w são paralelos. g) ( ) Se DCAB , então ABCD (vértices nesta ordem) é paralelogramo. h) ( ) v5 = v5 = 5 v . i) ( ) Os vetores v3 e v4 são paralelos e de mesmo sentido. j) ( ) Se u // v , u = 2 e v = 4, então v = u2 ou v = u2 . E06. Com base na figura da questão 01, determinar os vetores abaixo, expressando-os com origem no ponto A: a) CHOC b) FGEH c) AF2AE2 d) EFEH e) BGEO f) OC2OE2 g) EHBC 2 1 h) FGFE i) HOOG j) AOFOAF E07. O paralelogramo ABCD é determinado pelos vetores AB e AD , sendo M e N pontos médios dos lados DC e AB, respectivamente. Determinar: a) ABAD b) DABA c) BCAC d) BCAN e) MBMD f) DC 2 1 BM E08. Apresentar, graficamente, um representante do vetor u v nos casos: (a) (b) (c) (d) A B C D N M - 88 - E09. Determinar o vetor x nas figuras: (a) (b) (c) (d) E10. Sabendo que o ângulo entre os vetores u e v é de 60º, determinar o ângulo formado pelos vetores: a) u e v b) u e v2 c) u e v d) u3 e v5 - 89 - UNIDADE 3: APLICAÇÕES DAS LEIS DE NEWTON 1. Introdução No capítulo anterior verificamos que a segunda lei de Newton nos fornece que a força resultante que atua em um corpo é igual a massa do corpo vezes a aceleração adquirida. Assim, neste capítulo iremos estudar algumas aplicações das leis de Newton. Primeiramente vamos apresentar as condições segundo as quais os corpos, na natureza, podem ser mantidos continuamente em repouso ou em movimento uniforme. Depois, estudaremos os casos onde uma força resultante em um corpo fornece uma aceleração constante diferente de zero neste corpo. 2. Equilíbrio Vamos considerar na figura o caso onde um homem tenta empurrar uma caixa, sendo que a caixa não sai do lugar. Primeiramente, devemos saber quais são as forças que atuam na caixa. Para isso usamos o diagrama de força na figura 2. Na vertical existem a força normal e peso. Enquanto na horizontal um homem aplica uma força para a direita, contudo existe uma força de atrito entre a caixa e o chão. Nesta situação notamos que a força normal para cima deve ser igual a força peso para baixo na direção vertical. Na direção horizontal a força do homem (FH) para direita deve ser igual a força de atrito (fat) para a esquerda. Lembrando que a força por ser uma grandeza vetorial, podemos garantir para que um corpo não tenha movimento translacional a soma vetorial de todas as forças deve ser nula. 0FR . (1) A equação (1) pode ser colocada em cada direção, neste caso, teremos FRx = 0 e FRy = 0, isto é, a somatória de todas as forças que atuam no eixo x deve ser zero (o mesmo acontecendo em y). Nas próximas seções apresentaremos os dois tipos de equilíbrio que podem surgir através da condição dada na equação (1). Estar em equilíbrio significa dizer que a força resultante que age em um corpo é nula. Figura 1: O homem empurra a caixa para direita sendo que a caixa fica parada. - 90 - 2.1. Equilíbrio Estático A condição de equilíbrio mostrado na Figura 1, onde não existe movimento, será chamado de equilíbrio estático. Esta situação é de muita importância na área de Engenharia, onde muitas vezes você está interessando em estudar os efeitos de forças externas em estruturas que não possuem movimento como mostrado na Figura 2. Primeiramente para analisarmos sistemas em equilíbrio estático devemos considerar que a dimensão do corpo será desconsiderada, isto é, podemos representar este corpo como sendo um ponto com uma massa m. Para analisar os efeitos de força externa frequentemente desenhamos um diagrama de corpo isolado. Neste diagrama, o corpo é representado por um ponto e cada força externa que atua no corpo é representado por um vetor com origem nesse ponto. Para ilustrar o diagrama de corpo isolado levamos em conta o exemplo do homem empurrando uma caixa mostrada na Figura 1. Vamos a seguir ilustrar o conceito de equilíbrio em alguns exemplos: Exemplo 01: Considere um móbile preso a um teto, com duas peças metálicas presas por uma corda de massa desprezível, conforme a figura ao lado. Calcule a tensão na corda inferior e na corda superior. Levar em conta que g = 10m/s 2 . Resolução: Para resolvermos esse problema vamos rotular m1 = 3,5 kg e m2 = 4,5 kg, assim, P1 = 3,5 10 = 35N e P2 = 4,5 10 = 45N. Agora devemos desenhar o diagrama de forças para cada uma dessas massas. Na figura abaixo a tensão na corda inferior será chamado de T2 e na corda inferior T1. Figura 3: Diagrama de forças atuando sobre a caixa. Figura 2: A grua quando parada mantém o peso içado em equilíbrio estático. - 91 - Como o sistemaestá em equilíbrio estático devemos usar o somatório de forças igual à zero. Começando com a massa m2 temos: .N45TPT0PT0F 22222Ry Fazendo a análise de forças para a massa 1: .N804535TTPT0PTT0F 1211121Ry Exemplo 02: Determine as trações nas cordas 1 e 2 da figura abaixo. O peso do bloco será de 600 N. Resolução: O primeiro passo seria desenhar o diagrama de forças para esse sistema. Em problemas que envolvem fios devemos escolher o ponto onde os fios se encontram; na figura do problema seria o ponto A. As forças ficam da seguinte forma: Usando o conhecimento adquirido no capítulo anterior, sobre Trigonometria do Triângulo Retângulo, temos: 11 0 1y1 11 0 1x1 T71,071,0T45senTT T71,071,0T45cosTT Devemos fazer o mesmo para T2: 22 0 2y2 22 0 2x2 T71,071,0T45senTT T71,071,0T45cosTT Agora podemos fazer a soma de todas as forças em x e y: .600T71,0T71,00600T71,0T71,00F 0T71,0T71,00F 2121Ry 21Rx Obtivemos um conjunto de equações lineares. Na literatura existem várias maneiras de resolver sistemas de equações, aqui usaremos a mais tradicional. Usando a equação em x: 2212121Rx TT 71,0 71,0 TT71,0T71,00T71,0T71,00F . Vamos substituir a relação acima na resultante em y: .N5,422 42,1 600 T600T42,1 600T71,0T71,0600T71,0T71,060T71,0T71,0 22 222221 Para calcular a tração T1 devemos usar a relação: N5,422TT 21 . Veja que temos que fazer a somatória das forças em x e y, contudo, devemos calcular as componentes das forças em x e y. Devemos reparar que a força peso já está colocada no eixo y (lembre-se que a força peso sempre aponta para baixo). - 92 - Exemplo 03: Um corpo de peso 80 N é mantido por fios ideias, conforme indica a figura ao lado. Determine as intensidades das trações suportadas pelos fios AB e AC. Resolução: O primeiro passo seria desenhar o diagrama de forças para esse sistema. Em problemas que envolvem fios devemos escolher o ponto onde os fios se encontram. Na figura do problema seria o ponto A. As forças ficam da seguinte forma: Construindo o diagrama de força teremos: Veja que temos que fazer a somatória das forças em x e y, contudo, devemos calcular as componentes das forças em x e y. Usando a mesma metodologia do exemplo anterior: 11 0 1y1 11 0 1x1 T5,05,0T30senTT T87,087,0T30cosTT Devemos fazer o mesmo para T2: 22 0 2y2 22 0 2x2 T87,087,0T60senTT T5,05,0T60cosTT Agora podemos fazer a soma de todas as forças em x e y: .80T87,0T5,0080T87,0T5,00F 0T5,0T87,00F 2121Ry 21Rx Usando a equação em x: 2212121Rx T57,0T 87,0 5,0 TT5,0T87,00T5,0T87,00F . Vamos substituir a relação acima na resultante em y: .N7,73 085,1 80 T80T085,1 80T87,0T285,080T87,0T57,05,080T87,0T5,0 22 222221 Para calcular a tração T1 devemos usar a relação: N85,367,7357,0T57,0T 21 - 93 - 2.2. Equilíbrio Dinâmico A condição de equilíbrio colocado na equação (1) mostra que a força resultante é igual à zero. Contudo, voltando ao exemplo do homem empurrando a caixa, mostrado na Figura 1, vamos supor agora que o homem aplique uma força de tal forma que a caixa se movimente em linha reta com velocidade constante. Lembrando que quando a velocidade é constante a aceleração será nula. Deste modo, novamente chegamos no resultado da equação (1), pois 0FamF RR . O sistema acima também está em equilíbrio, contudo, chamamos de equilíbrio dinâmico. No equilíbrio dinâmico necessariamente há movimento. Por exemplo, uma bicicleta sem condutor e parada não se mantém em equilíbrio na posição vertical, mas quando está em movimento dado pelo condutor esse equilíbrio é possível. Cabe observar que o movimento da bicicleta envolve muitas variáveis. Por essa razão, ao citá-lo como exemplo de equilíbrio dinâmico, é preciso deixar claro que se está referindo a uma situação particular: a bicicleta está em linha reta e velocidade constante. Nessa situação, a força resultante é nula. Agora faremos alguns exemplos referentes ao equilíbrio dinâmico. Exemplo 04: Um homem empurra uma caixa de 50 kg com velocidade constante uma caixa com velocidade constante. Supondo que o coeficiente de atrito dinâmico entre a superfície é a caixa seja de 0,2. Calcule a força necessária que o homem deve aplicar a caixa. Considere que g = 10m/s 2 . Resolução: O diagrama de forças é mostrado logo abaixo: Podemos verificar pelas equações acima que se calcularmos a força de atrito encontraremos a força do homem (FH). .N10010.50.2,0Ff Ndat Aqui usamos o fato que a força normal é igual ao peso (P = 500N). Assim FH = 100N. Figura 4: Para que a ciclista esteja em equilíbrio dinâmico é necessário que ela pedale em MRU. Usando as condições de equilíbrio devemos ter: - 94 - Exemplo 5: Um helicóptero da força área brasileira transporta uma carga de 2000 kg içando-a de um local ao outro, como ilustra a figura abaixo. Considerando que o helicóptero mantém altitude e velocidade constantes, determine a tensão que a corda deverá suportar nestas condições (considere g = 10 m/s 2 ). Resolução: Novamente devemos fazer o diagrama de forças para esse sistema. Colocando a caixa na origem do diagrama de forças encontraremos: Assim, verificamos que a tração será igual ao peso: T = mg = 2000 10 = 20.000 N ou T = 20 kN. Observação: Lembre-se da tabela que apresenta o prefixo da notação cientifica, pois k = 1000. Exemplo 06: Um garoto puxa um treno com um peso de 40 N por uma superfície horizontal, com velocidade constante. A tração na corda será de 25 N. Calcule: a) A força de atrito. b) A força normal. Resolução: Novamente devemos fazer o diagrama de forças para esse sistema. Escolhendo o trenó para colocar na origem do diagrama de forças teremos: Na figura acima já apresentamos as componentes Tx e Ty. Os valores de Tx e Ty serão dados por: N5,1230sen25T N7,2130cos25T 0 y 0 x - 95 - Nesta situação a velocidade é constante, assim podemos usar as equações de equilíbrio para resolver esse problema. a) A soma das forças em x fornece: N7,21f0fT0F atatxRx . b) Para calcular a força normal devemos levar em conta Ty. Assim, a soma das forças no eixo y fornece: N5,275,1240TPF0PTF0F yNyNRy 3. Dinâmica Consideraremos agora o caso onde exista uma força resultante constante (não nula) atuando no ponto material. Nesta situação, onde a força resultante é constante a aceleração vai ser constante. Assim, poderemos usar as equações do MRUV. Sa2VV atVV at 2 1 tVSS 2 0 2 o 2 o0 (2) Deste modo, usaremos o conjunto de equações acima junto com a segunda lei de Newton. Nossa ênfase aqui será em aplicações onde o ponto material está em um plano horizontal e depois em um plano inclinado. 3.1. Plano Horizontal Exemplo 07: Seja um corpo de massa 2 kg, em repouso, apoiado sobre um plano horizontal sob a ação das forças horizontais F1 e F2 de intensidades 10N e 4N, respectivamente, conforme indica a figura. a) Calcule a aceleração adquirida pelo corpo. b) Calcule a velocidade e o espaço percorrido pelo corpo 10s após o início do movimento.Resolução: Nesta situação veja que a força peso será igual a força normal, deste modo, essas forças não influenciam no movimento do ponto material na direção horizontal. Na direção horizontal a força resultante será .N6410FFF 21Rx Através destas informações conseguimos calcular a aceleração: a) .s/m3 2 6 aa26maF 2Rx b) Para calcular a velocidade podemos usar a função horária da velocidade: s/m3010.30atVV 0 o espaço percorrido será dado pela função horária da posição .m150)10(3 2 1 Sat 2 1 tVSS 2200 - 96 - Exemplo 08: Um foguete experimental pode partir do repouso e alcançar a velocidade de 1600 km/h em 1,8 s, com aceleração constante. Calcule a intensidade da força necessária, se a massa do veículo é 500 kg. Resolução: Neste caso diferentemente do caso anterior devemos calcular a aceleração. Depois podemos usar a segunda lei de Newton para calcular a força resultante. 2s/m9,246 8,1 44,444 t V a .kN5,123N1234509,246.500FmaF RR No cálculo da aceleração transformamos a velocidade de km/h para m/s. Outra observação que faremos seria que o movimento no plano se refere aqui a movimento em uma dimensão, pois neste caso o foguete teria movimento na direção horizontal. Exemplo 09: Se as rodas de um carro ficam “travadas” (impedidas de girar) durante uma frenagem de emergência, o carro desliza na pista. Pedaços de borracha arrancados dos pneus e pequenos trechos de asfalto fundido formam as “marcas da derrapagem” que revelam a ocorrência de soldagem a frio. O recorde de marcas de derrapagem em via pública foi estabelecido em 1960 pelo motorista de um Jaguar na rodovia M1, na Inglaterra: as marcas tinham 290 m de comprimento. Supondo que o coeficiente de atrito cinético seja igual a 0,60 e que a aceleração do carro se manteve constante durante a frenagem, calcule a velocidade do carro quando as rodas travaram. Resolução: Se fizermos o diagrama de forças para este sistema iremos encontrar: Desta forma, com as informações obtidas do enunciado V = 0, ΔS = 290m poderemos calcular V0 usando a equação Sa2VV 20 2 devemos calcular a aceleração do carro, neste caso pelo diagrama de forças verificamos que a força resultante atuando no carro será Fr= fat. A força de atrito pode ser calculada através de 10m6,0gm6,0Ff Nat , veja que usamos que a força normal deve ser igual a força peso nesta situação. Usando a segunda lei de Newton: .s/m6ama10m6,0maF 2R - 97 - A aceleração neste caso fica negativa, pois o veículo tem velocidade final igual à zero. Além disso, veja que este resultado independe da massa do carro. Por fim, podemos calcular a velocidade inicial: .h/km216s/m6029062V)290()6(2V0Sa2VV 0 2 0 22 0 2 3.2. Plano Inclinado Diariamente temos oportunidades de observar objetos em movimento ou em repouso sobre uma superfície inclinada. Figura 5: Objetos em planos inclinados. Como exemplo, na figura à esquerda, usamos o plano inclinado para facilitar as nossas tarefas. Vejamos agora alguns exemplos de aplicação da segunda lei de Newton no caso do plano inclinado. Exemplo 10: Um corpo de massa 8 kg é abandonado sobre um plano inclinado cujo ângulo de elevação é 30º. O atrito entre o corpo e o plano é desprezível. Admitindo que g = 10m/s 2 , calcule: a) a aceleração do corpo. b) a força normal. Resolução: Por conveniência, desenhamos o sistema de coordenadas (diagrama de corpo livre) também inclinado. Como o objeto está escorregando ao longo do plano vamos considerar que neste sentido a força será positiva. Assim, veja que o peso tem uma inclinação igual ao do plano inclinado em relação ao eixo y. Desta forma, devemos decompor a força peso nas direções x e y. N3,6930cos.10.8cosmgP N4030sen.10.8mgsenP 0 y 0 x Se você ficou com a dúvida da decomposição identifique quem são os catetos do triangulo retângulo. Por fim, faremos as resultantes nas forças em x e y. a) 2 Rx s/m5aa840maF - 98 - b) N3,69F03,69F0F NNRy Veja que a força resultante em y será igual a zero, pois o movimento do ponto é ao longo do plano. Exemplo 11: Considere o mesmo plano inclinado do exemplo anterior (θ = 300; m = 8 kg) preso a uma corda. Calcule a tensão nesta corda e a força normal. Resolução: Neste caso temos o equilíbrio estático, assim a força normal fica com o mesmo valor do exemplo anterior. Enquanto na direção x teremos .N40TT400FRx O ponto importante que queremos mostrar, é que no plano inclinado devemos sempre fazer a decomposição da força peso na direção x e y. A partir destas componentes devemos sempre utilizar a segunda lei de Newton para cada eixo separadamente. - 99 - Atividades de Aprendizagem E01. Na figura o corpo suspenso tem massa igual a 2 kg. Os fios têm pesos desprezíveis e o sistema está em equilíbrio estático (repouso). Determine as trações nos fios AB e BC. (Considere: g = 10 m/s²) E02. No sistema em equilíbrio esquematizado, o fio BC deve permanecer horizontal. Os fios e a polia são ideais. Sendo M1 = 3 kg e g = 10 ms 2 , determine: a) A tração no fio AB. b) O peso do bloco 2. E03. Uma corda AB tem sua extremidade A fixa, enquanto a outra B está ligada ao bloco M em forma de paralelepípedo de peso 120 N. Esse bloco repousa sobre um plano horizontal. O coeficiente de atrito entre o plano e o bloco é de 0,30. Em um ponto C da corda é dependurado um peso Q tal que o ângulo formado pelo trecho AC com a horizontal seja 60º; o trecho CB é horizontal. Adotar g = 10 m/s². a) Qual a força de atrito exercida pelo plano sobre o bloco quando ele estiver na iminência de movimento? b) Qual o peso máximo que se pode pendurar em C? E04. Dez segundos após a partida, um veículo alcança a velocidade de 18 km/h. a) Calcule, em m/s 2 , sua aceleração média nesse intervalo de tempo. b) Calcule o valor médio da força resultante que imprimiu essa aceleração ao veículo, sabendo que sua massa é de 1,2103 kg. E05. Você está à deriva no espaço, afastando de sua nave espacial. Por sorte, você tem uma unidade de propulsão que fornece uma força resultante F por 3,0 segundos. Após 3,0 s, você se moveu 2,25 m. Se sua massa é 68 kg, encontre F. Considere que a velocidade inicial como sendo nula. - 100 - E06. Durante as férias de inverno, você participa de uma corrida de trenós. Calçando botas de neve, com travas que permitem uma boa tração, você começa a corrida puxando uma corda atada ao trenó com uma força de 150 N a 25º acima da horizontal. O trenó tem uma massa de 80 kg e não existe atrito entre as lâminas do trenó e o gelo. Calcule: a) a aceleração do trenó e b) o valor da força normal exercida pela superfície sobre o trenó. E07. Consideremos um corpo de massa igual a 2 kg inicialmente em repouso sobre um plano horizontal perfeitamente liso. Sobre o corpo passa a atuar uma força F de intensidade 16 N, conforme indica a figura. Determine: a) a aceleração do corpo. b) a reação normal do plano de apoio (força normal). E08. Um carro de 900 Kg, andando a 72 km/h, freia bruscamente e para em 4s. a) Calcule o módulo da aceleração do carro. b) Calcule o módulo da força de atrito que atua sobre o carro. E09. A figura ilustra umajovem arrastando um caixote com uma corda, ao longo de uma superfície horizontal, com velocidade constante. A tração que ela exerce no fio é de 20 N. Determine a força de atrito que atua na caixa. E10. Um corpo de massa 5 kg desce um plano um plano inclinado que faz um ângulo α com a horizontal. O coeficiente de atrito entre as superfície s é 0,4. Considerando g = 10m/s 2 e sendo sen α = 0,8 e cos α = 0,6, calcule: a) a reação normal do apoio; b) a aceleração do corpo. - 101 - Respostas dos Exercícios Teóricos: E01. TAB =40 N TBC =35N E02. a) 60 N b) 52 N E03. a) 36 N b) 52 N E04. a) 0,5 m/s 2 b) 600N E05. 34N E06. a) 0,17m/s 2 b) aproximadamente 737 N E07. a) 4m/s 2 b) 6,14 N E08. a) 5m/s 2 b) 4500 N E09. Aproximadamente 16N E10. a) 30N b) 5,6m/s 2 - 102 - Testes T01. O sistema da figura encontra-se em equilíbrio estático. Determine as trações T1 e T2, nos fios AB e AC, respectivamente. O peso do corpo é 200N. a) T1=200N e T2=120N b) T1=185N e T2=283N c) T1=215N e T2=325N d) T1=283N e T2=200N e) T1=300N e T2=200N T02. Para tirar um carro de um atoleiro é necessário aplicar-lhe uma força de módulo 6000N. Utilizando uma corda, como esquematizado na figura, um motorista deverá puxá-la com uma força F, cujo módulo, no mínimo, é igual a: a) 400 N b) 800 N c) 3.200 N d) 11.980 N e) 90.000 N T03. Dois blocos na posição vertical são ligados por uma corda. Outra corda é amarrada ao bloco superior. A força F (em kgf) necessária para manter o sistema em repouso vale: a) 2 b) 3 c) 4 d) 6 e) 4,5 - 103 - T04. O corpo M representado na figura pesa 80 N e é mantido em equilíbrio por meio da corda AB e pela ação da força horizontal F de módulo 60 N. Considerando g = 10m/s 2 , a intensidade da tração na corda AB, suposta ideal, em N, é: a) 60 b) 80 c) 100 d) 140 e) 200 T05. Os blocos A e B da figura pesam, respectivamente, 980 N e 196 N. O sistema está em repouso. Considere os seguintes dados cos 45º = sen 45º = 0,707 e µ=0,3. É correto afirmar que: a) A força normal do plano sobre A, vale 196N. b) A força de atrito estático entre A e a superfície horizontal vale 196N. c) Há uma força de 294 N puxando o bloco A para a direita. d) O bloco A não pode se mover porque não há força puxando-o para a direita. e) O bloco B não pode se mover porque não há força puxando-o para baixo. T06. Uma força F de 70N, paralela à superfície de um plano inclinado conforme mostra a figura, empurra para cima um bloco de 50 N com velocidade constante. A força que empurra esse bloco para baixo, com velocidade constante, no mesmo plano inclinado, tem intensidade de: (Use cos 37º = 0,8; sem 37º = 0,6) a) 40 N b) 30 N c) 20 N d) 15 N e) 10 N T07. Na figura m1 = 100 kg, m2 = 76 kg, a roldana é ideal e o coeficiente de atrito entre o bloco de massa m1 e o plano inclinado é µ=0,3. Considerando que sen 30º = 0,5 e cos 30º = 0,86, o bloco de massa m1 se moverá: a) para baixo, acelerado. b) para cima, com velocidade constante. c) para cima, acelerado. d) para baixo, com velocidade constante. - 104 - T08. Um bloco de madeira de massa 400 g é arrastado sobre uma superfície horizontal, a partir do repouso, por uma força constante de 2,0 N, também horizontal. Sabendo que a aceleração do corpo é 1,0 m/s 2 , a força de atrito entre o corpo e a superfície horizontal, em newtons, vale: a) 0 b) 0,4 c) 0,8 d) 1,6 e) 2,4 T09. Um bloco de massa 5,0 kg é lançado horizontalmente, com uma velocidade inicial de 72 km/h, sobre uma superfície horizontal, parando após percorrer 80m. Considerando que a aceleração da gravidade igual a 10m/s 2 , o coeficiente de atrito entre o bloco e a superfície vale: a) 0,10 b) 0,25 c) 0,40 d) 0,50 e) 0,75 T10. Considerando o exercício anterior, marque a opção referente ao tempo que o bloco chegou a v = 0. a) 8s b) 10s c) 14s d) 20s e) 23s Respostas dos Testes: 01. D 02. B 03. D 04. C 05. C 06. E 07. C 08. D 09. B 10. A - 105 - UNIDADE 4: CINEMÁTICA: DESCRIÇÃO DO MOVIMENTO 1. Introdução Nessa disciplina, nosso objetivo será estudar um dos vários ramos da Física: a Mecânica, que em termos muito simples, estudará os movimentos e as condições em que eles se realizam, sempre relacionando três grandezas físicas fundamentais: o comprimento, a massa e o tempo. Didaticamente dividimos a Mecânica em três partes: Nesta Unidade estudaremos a Cinemática, porém, inicialmente existe a necessidade de conhecermos alguns conceitos que serão utilizados neste estudo. 2. Conceitos Fundamentais Ponto Material: Suponha um carro percorrendo uma estrada muito extensa. Se compararmos as dimensões do carro com o comprimento total da estrada veremos que uma medida é muito menor que a outra. Nessa situação, podemos desprezar as dimensões do carro e denominá-lo ponto material ou partícula. Suponha agora o mesmo carro estacionado numa garagem. Nesse caso as dimensões do carro não podem ser desprezadas, pois elas não são muito menores que as dimensões da garagem. Nessa situação, o carro é chamado de corpo extenso. Referencial: Para determinar se um corpo se encontra ou não em movimento, é necessário ver a posição desse corpo em relação a outros corpos que o rodeiam. Pense na seguinte situação: um homem sentado na poltrona de um trem, que anda para a direita, acena para uma mulher na estação. Quando tomamos o trem em movimento como CINEMÁTICA: estuda o movimento sem considerar suas causas, isto é, sem se preocupar como o que o produziu. ESTÁTICA: estuda os corpos em equilíbrio. DINÂMICA: estuda os movimentos dos corpos e as causas que os originam, isto é, as forças. Ponto material é todo corpo cujas dimensões não interferem no estudo de um determinado fenômeno. - 106 - referência, a posição do homem sentado na poltrona, em relação ao trem, não varia. Dizemos que o homem está em repouso em relação ao trem. Se tomarmos como referência a mulher na estação, verificamos que a posição do homem está em movimento em relação à mulher. O corpo que tomamos como referência para dizer se um outro corpo está em movimento ou em repouso é denominado referencial. Note que, no exemplo dado, um mesmo corpo pode estar em repouso ou em movimento, dependendo do referencial adotado. Portanto, os conceitos de repouso e de movimento são relativos. A escolha do referencial é arbitrária, e só depois que ele for escolhido é que podemos dizer se um corpo está em repouso ou em movimento. Trajetória: Imagine um ciclista andando sobre a areia e deixando nela a marca do pneu de sua bicicleta. Esta marca sobre a areia representa o caminho percorrido por ele em relação a uma pessoa parada no solo. Essa marca é denominada trajetória. A trajetória depende do referencial adotado. Suponha, por exemplo, umavião voando com velocidade constante. Se num certo instante ele abandonar uma carga, ela cairá segunda uma trajetória vertical em relação às pessoas do avião. Para um observador parado no solo, que observa o avião de lado, a trajetória da carga será parabólica. Um corpo está em repouso quando a posição desse corpo em relação ao referencial não varia com o tempo. Um corpo está em movimento quando a posição desse corpo em relação ao referencial varia com o tempo. Trajetória é a linha determinada pelas diversas posições que um corpo ocupa no decorrer do tempo. - 107 - De acordo com a trajetória, os movimentos recebem as seguintes denominações: Movimento retilíneo: a trajetória é uma reta; Movimento curvilíneo: a trajetória é uma curva. Na Cinemática Escalar, estudamos o movimento de um ponto material ao longo de sua trajetória considerando a posição do ponto material, sua velocidade e aceleração como grandezas escalares. Posição Escalar: Quando conhecemos a forma da trajetória de um corpo, podemos determinar sua posição no decorrer do tempo por meio de um único número. Como exemplo, vamos considerar um corpo movimentando-se sobre a trajetória da figura. Para localizarmos esse corpo num determinado instante, adotamos arbitrariamente um ponto O sobre a trajetória, ao qual chamamos origem das posições, e orientamos a trajetória – nesse ponto, positivamente para a direta – a partir de O. Para conhecer a posição do corpo, num certo instante, precisamos conhecer sua distância em relação ao ponto O. Essa posição será positiva se o corpo estiver à direita da origem, e negativa se estiver à esquerda. Costumamos representar a posição de um corpo num dado instante pela letra s. Na trajetória a seguir, temos: a posição do corpo no instante t = 1h é s = -4 km; a posição do corpo no instante t = 2h é s = 3 km. Função Horária: No estudo da Cinemática não existe preocupação em explicar o movimento, mas somente em descrevê-lo no sentido estritamente geométrico. Esse estudo se restringe à escolha de um referencial e ao registro, em termos matemáticos, das sucessivas posições ocupadas por um corpo no decorrer do tempo. Assim, partindo da posição atual do corpo, num certo referencial, pode-se determinar a sua posição futura no mesmo referencial. A partir do aqui e do agora do corpo – posição e instante iniciais – para um dado observador, podemos prever o ali e o depois – posição e instante finais – do corpo em relação ao mesmo observador. Para prevermos o ali e o depois usamos a função horária, que relaciona a posição s ocupada pelo corpo com o tempo t. Toda função horária é do tipo s = f(t). - 108 - Como exemplo, vamos considerar um móvel percorrendo a trajetória retilínea indicada na figura, seguindo a função horária s = 2 + 3t (no SI). Quando t = 0 s0 = 2 m. Quando t = 4s s4 = 14 m. Portanto, s0 é a posição do móvel no instante zero e s4 a posição no instante 4s. Deslocamento Escalar e Distância Percorrida: Consideremos um móvel percorrendo uma pista circular com origem no ponto O e orientada em sentido anti-horário. Suponha que o móvel tenha partido do ponto A, deslocando-se 10 metros (l1) para o ponto B e, em seguida, 7 metros (l2) para o ponto C. Chamamos de distância percorrida (d) pelo móvel, no movimento de A a C, a soma dos arcos l1 + l2 (10m + 7m = 17m). O arco l3, cuja medida é 3m (10m – 7m) representa o deslocamento escalar (s) do móvel de A a C. O deslocamento escalar é dado pela diferença entre a posição final sf e a posição inicial si: s = sf - si. O sinal algébrico do deslocamento escalar indica em que sentido ocorreu o deslocamento: se no mesmo sentido da trajetória (movimento progressivo) ou em sentido contrário (movimento retrógrado). Se o movimento for no sentido positivo da trajetória (sf > si), s será positivo: s = sf – si s = 40 – 10 = +30 km (O móvel deslocou-se no sentido positivo). Observe que deslocamento escalar e distância percorrida são conceitos físicos diferentes. - 109 - Se o movimento for contrário ao sentido positivo da trajetória (sf < si), s será negativo: s = sf – si s = 30 – 50 = -20 km (O móvel deslocou-se no sentido negativo) Se o móvel mudar de sentido, teremos deslocamentos escalares positivos e negativos. Nesse caso, a distância total percorrida (espaço percorrido) é igual à soma dos módulos de cada um dos deslocamentos. Velocidade Escalar: Velocidade Escalar Média: Suponha um carro percorrendo um trecho de estrada entre duas cidades. Sabemos que o carro não mantém sempre a mesma velocidade durante o trajeto, isto é, sua velocidade varia com o tempo. Na prática, para estudar o movimento do carro é interessante conhecer e tratar o movimento de uma forma global e não detalhar esse estudo em cada ponto da estrada. A velocidade escalar média (vm) é uma informação sobre o movimento global. Para obtê-la, dividimos o deslocamento escalar pelo tempo gasto na viagem. Como exemplo, imagine que numa viagem de São Paulo a São José dos Campos um carro se deslocasse 100 km em 2 h. 50km/h 2h 100km v percurso no gasto tempo todeslocamen v mm É óbvio que, durante o trajeto, a velocidade do carro, em cada instante, às vezes foi maior e outras vezes menor do que 50km/h. A velocidade escalar média representa a velocidade constante que o carro deveria manter para, partindo da mesma posição inicial, chegar à mesma posição final gastando o mesmo tempo. A velocidade escalar média também pode ser definida num intervalo de tempo. Como por exemplo, vamos considerar um carro percorrendo a trajetória indicada na figura. Suponhamos que, para percorrer a variação de espaço s = s2 – s1, o carro leve o tempo t = t2 – t1. - 110 - Observe que, se o carro se movimentar no sentido positivo da trajetória, teremos: Se o carro se movimentar no sentido contrário ao sentido positiva da trajetória, teremos: Velocidade Escalar Instantânea: Imagine-se dirigindo um carro numa viagem. A partir de certo instante, você olha para o velocímetro, consulta o relógio e começa a anotar as velocidades indicadas no decorrer do tempo. Suponha que os valores anotados sejam os da tabela ao lado. Observe que para cada instante podemos associar um valor para a velocidade do carro. A cada valor indicado pelo velocímetro num dado instante denominamos velocidade instantânea. Dependendo do sinal da velocidade escalar instantânea, podemos ter dois tipos de movimento: movimento progressivo e movimento retrógrado. Movimento Progressivo: quando o móvel caminha no mesmo sentido da orientação da trajetória, isto é, as posições crescem algebricamente no decorrer do tempo. Neste caso, dizemos que a velocidade do móvel é positiva. Movimento Retrógrado: quando o móvel caminha no sentido contrário da orientação da trajetória, isto é, as posições decrescem algebricamente no decorrer do tempo. Neste caso, dizemos que a velocidade do móvel é negativa. Tempo Velocidade (km/h) 8h 80 8h 10min 60 8h 25min 90 8h 30min 100 8h 40min 40 Movimento Progressivo: v > 0 Movimento Retrógrado: v < 0 s2 > s1 s > 0 vm > 0 s2 < s1 s < 0 vm < 0 Define-se como velocidade escalar média do carro, entre os instantes t1 e t2, a grandeza vm dada por:A unidade de velocidade no SI é o metro por segundo (m/s). Podemos, também, utilizar o quilômetro por hora (km/h). - 111 - Aceleração Escalar: Aceleração Escalar Média: Consideremos um carro cujo velocímetro indica, num certo instante, uma velocidade de 10 km/h. Se, por exemplo, 1 s após pisar no acelerador o velocímetro indicar 30 km/h, podemos afirmar que a velocidade do carro aumentou de 20 km/h em 1 s. Assim, dizemos que o carro recebeu uma aceleração. A aceleração é relacionada com uma variação de velocidade. Para definirmos a aceleração escalar média, vamos considerar um móvel percorrendo a trajetória da figura: Observando a velocidade escalar de um móvel em movimento, podemos afirmar: se a velocidade for constante, isto é, for sempre a mesma, o movimento será uniforme; se a velocidade variar, isto é, não for sempre a mesma, o movimento será variado. Num certo intervalo de tempo de um movimento variado pode ocorrer aumento ou diminuição da velocidade, com maior ou menor rapidez. A aceleração escalar média mede a rapidez dessa variação da velocidade. A aceleração escalar média é numericamente igual à variação de velocidade na unidade de tempo. Aceleração Escalar Instantânea: A aceleração escalar média indica o que ocorre com a velocidade num intervalo de tempo. Para o conhecimento mais preciso do comportamento da velocidade dentro desse intervalo de tempo, ou seja, em cada instante, é necessário reduzi-lo cada vez mais, aproximando-o do zero. Assim, chega-se ao valor da aceleração instantânea, cuja definição é: v1: velocidade no instante t1. v2: velocidade no instante t2. v = v2 – v1: variação de velocidade. t = t2 – t1: intervalo de tempo na variação v. Define-se como aceleração escalar média, entre os instantes t1 e t2, a grandeza am, dada por: A unidade de aceleração no SI é o metro por segundo ao quadrado (m/s2). A aceleração escalar instantânea é o limite para o qual tende a aceleração escalar média quando t tende a zero. - 112 - De acordo com os sinais da velocidade e da aceleração, podemos ter dois tipos de movimento: movimento acelerado e movimento retardado. Movimento Acelerado: quando o módulo da velocidade aumenta no decorrer do tempo. Isso ocorre quando a velocidade e a aceleração têm o mesmo sinal. Movimento Acelerado: v a > 0 Por exemplo, um carro percorrendo a trajetória no sentido indicado na figura e o motorista pisando no acelerador. Movimento Retardado: quando o módulo da velocidade diminui no decorrer do tempo. Isso ocorre quando a velocidade e a aceleração têm sinais contrários. Movimento Retardado: v a < 0 Por exemplo, um carro freando ao se aproximar de uma pessoa. t (h) 0 1 2 3 4 5 v (km/h) 20 40 60 80 100 120 v > 0 a > 0 v a > 0 t (h) 0 1 2 3 4 5 v (km/h) 80 70 60 50 40 30 v > 0 a < 0 v a < 0 - 113 - Atividades de Aprendizagem Exercícios Teóricos E01. Uma pessoa movimenta-se do ponto A para o ponto C e depois para D, descrevendo a trajetória da figura. a) Qual a posição inicial da pessoa? E a posição final? b) Qual o módulo do deslocamento efetuado pela pessoa? c) Quantos metros ela percorreu no total? E02. Dizemos que os conceitos de movimento e repouso são relativos, pois dependem do sistema de referência estabelecido. Com base nisso é correto afirmar que: I) um corpo parado em relação a um referencial pode estar em movimento em relação a outro referencial. II) um livro colocado sobre uma mesa está em repouso absoluto, pois, para qualquer referencial adotado, sua posição não varia com o tempo. III) em relação a um edifício, o elevador estacionado no terceiro andar está em repouso. Porém, em relação ao Sol, o mesmo elevador encontra-se em movimento. E03. Observe as figuras abaixo e, em cada caso, classifique o movimento em progressivo ou retrógrado e em acelerado ou retardado. - 114 - E04. A tabela indica a posição de um móvel, no decorrer do tempo, sobre uma trajetória retilínea. Determine o deslocamento efetuado pelo móvel entre os instantes: E05. A tabela mostra os valores dos instantes t, em segundos, e das posições s, em metros, referentes ao movimento de um ponto material sobre uma trajetória retilínea. a) Verifique se houve mudança de sentido do movimento. b) Qual o espaço percorrido de 0 a 6 s? c) Qual o módulo do deslocamento de 0 a 6 s? E06. Um ônibus sai de São Paulo às 8 horas e chega a Jabuticabal, que dista 350 km da capital, às 11h 30min. No trecho de Jundiaí a Campinas, de aproximadamente 45 km, a sua velocidade foi constante e igual a 90 km/h. a) Qual a velocidade média, em km/h, no trajeto São Paulo — Jabuticabal? b) Em quanto tempo o ônibus cumpre o trecho Jundiaí — Campinas? E07. Um dos fatos mais significativos nas corridas de automóveis é a tomada de tempos, isto é, a medida do intervalo de tempo gasto para dar uma volta completa no circuito. O melhor tempo obtido no circuito de Susuka, no Japão, pertenceu ao austríaco Gerard Berger, piloto da equipe McLaren, que percorreu os 5.874 m da pista em cerca de 1min 42s. Com base nesses dados, responda: a) qual o deslocamento do automóvel de Gerard Berger no intervalo de tempo correspondente a uma volta completa no circuito? b) qual a velocidade escalar média desenvolvida pelo carro do piloto austríaco, em sua melhor volta no circuito? E08. Se um ônibus durante uma viagem entre duas cidades, distantes 400 km, gasta exatamente 5 horas, qual valor de sua velocidade média E09. Durante uma viagem de carro, você observa que passou pelo km 20, às 7h e pelo km 170, às 10h. No km 100, uma pequena parada de 10 minutos foi feita para descanso. Determine a velocidade escalar média no intervalo de tempo das 7h às 10h. E10. Um motociclista percorre 54 km em 30 minutos. Determine sua velocidade escalar média, expressando-a em kmh e ms. E11. Em uma corrida, um atleta percorre 3600 m em 12 minutos. Determine sua velocidade escalar média em ms e kmh. a) 0 e 2 s b) 4 s e 9 s - 115 - E12. Um ciclista profissional, em treinamento, pedalou 5000 m, mantendo uma velocidade constante de 36 kmh. Calcule o intervalo de tempo, em segundos, gasto para percorrer essa distância. E13. Um fabricante de veículos anuncia que seu carro faz do repouso até atingir 108 kmh em apenas 10 segundos. Determine, em unidades do SI, a aceleração escalar média deste carro. E14. Um carro com velocidade constante de 90 kmh, trafega por uma avenida, quando, em um certo instante, o motorista percebe o sinal vermelho à sua frente. Imediatamente aciona os freios, parando em 5 segundos. Determine a aceleração adquirida pelo carro em ms2 e diga o significado do sinal negativo encontrado. E15. Um estudante de Física foi aferido por seu professor da seguinte forma: “A Terra está em movimento ou em repouso”. Obteve como resposta: “Depende do referencial adotado”. A esse respeito, julgue os itens a seguir: I) Um passageiro que viaja sentado numa poltrona em um trem em movimento está em repouso quando o sistema de referência é o próprio trem. II) Um cachorro que acabou de fazer xixi num poste se afasta dele. O posto está em repouso em relação aocachorro, pois não pode segui-lo. III) Um ponto material qualquer está em movimento em relação a um determinado referencial quando sua posição nesse referencial varia no decurso do tempo. Respostas dos Exercícios Teóricos: E01. a) si = -40 m e sf = -120 m b) 80 m c) 320 m E02. I e III E03. a) Movimento Progressivo e Retardado b) Movimento Retrógrado e Acelerado c) Movimento Retrógrado e Acelerado d) Movimento Progressivo e Retardado E04. a) 12 m b) 30 m E05. a) Não, movimento retrógrado. b) 110 m c) 110 m E06. a) 100 kmh b) 30 min E07. a) 5874 m b) 207,36 kmh E08. 80 kmh E09. 50 kmh E10. 30 ms E11. 18 kmh E12. 500 s E13. 3 ms2 E14. -5 ms2, o que significa que o módulo da velocidade está diminuindo no decorrer do tempo. E15. V – F – V - 116 - Testes T01. (UFMS) Um corredor percorre 0,2 km em linha reta, em um intervalo de tempo de 6,0 minutos. Qual é a sua velocidade média em kmh? a) 1 b) 2 c) 3 d) 4 e) 5 T02. (ESPM-SP) A distância da faculdade até a zona leste da cidade é de 24 km. Considerando a velocidade máxima permitida de 80 kmh, quantos minutos, no mínimo, uma pessoa deve gastar no percurso em trânsito completamente livre? a) 10 b) 12 c) 14 d) 16 e) 18 T03. (Cesgranrio-RJ) Uma pessoa, correndo, percorre 4,0 km com velocidade escalar média de 12 kmh. O tempo do percurso é de: a) 3,0 min b) 8,0 min c) 20 min d) 30 min e) 33 min T04. (PUC-MG) Num passeio promovido pelo Jeep Clube de Minas Gerais, o navegador recebe uma planilha em que se diz que um trecho de 10 km deve ser percorrido a velocidade média de 30 kmh. Se o veículo iniciar o trajeto às 11h00min, ele deverá chegar ao final do referido trecho às: a) 11h30min b) 11h10min c) 12h40min d) 11h20min e) 14h00min T05. (FEI-SP) Um carro faz uma viagem de 200 km a uma velocidade média de 40 kmh. Um segundo carro, partindo uma hora mais tarde, chega ao ponto de destino no mesmo instante que o primeiro. Qual é a velocidade média do segundo carro a) 45 kmh b) 50 kmh c) 55 kmh d) 60 kmh e) 80 kmh T06. Um objeto percorre 250 m de um trajeto com uma velocidade média de 25 ms e os 50 m restantes com uma velocidade média de 10 ms. Determine a velocidade média no percurso total. a) 12,5 ms b) 15 ms c) 17,5 ms d) 20 ms e) 22,5 ms T07. Quando um motorista aumenta a velocidade escalar de seu automóvel de 60 kmh para 78 kmh em 10 s, ele está comunicando ao carro uma aceleração escalar média, em ms2, de: a) 18 b) 0,2 c) 5 d) 1,8 e) 0,5 T08. (FGV-SP) Um avião parte do repouso e depois de 20 s decola com velocidade de 360 kmh. Admitindo-se constante a aceleração, qual o seu valor, em ms2 a) 2 b) 5 c) 10 d) 18 e) 72 - 117 - T09. (UFPE) Durante o teste de desempenho de um novo modelo de automóvel, o piloto percorreu a primeira metade da pista na velocidade média de 60 kmh e a segunda metade a 90 kmh. Qual a velocidade média desenvolvida durante o teste completo, em kmh a) 50 b) 65 c) 72 d) 80 e) 92 Respostas dos Testes: 01. B 02. E 03. C 04. D 05. B 06. D 07. E 08. B 09. C - 118 - 3. Movimento Uniforme No nosso cotidiano, é muito comum exemplos de vários tipos de movimento. Basta olharmos para qualquer lugar e sempre observaremos alguém ou algo se deslocando. Neste momento, interessa-nos um destes movimentos em especial, o Movimento Uniforme. Para entendermos um pouco melhor, imagine alguns exemplos: Um ônibus que em um trecho curto da viagem consegue manter a velocidade constante de 80 kmh. Um avião, no meio do caminho entre Porto Alegre e Recife, onde o piloto automático é ligado e a velocidade se mantêm constante em 350 kmh. Um metrô em movimento entre duas estações, após adquirir sua velocidade máxima, a mantém constante durante certo tempo em 36 kmh, até se aproximar da próxima estação onde precisará diminuir essa velocidade até parar por completo. Poderíamos citar vários outros exemplos, mas já podemos observar que em todos eles, sempre citamos que durante um certo tempo (para nós é mais correto dizer: intervalo de tempo), a velocidade do objeto se manteve constante, isto é, não mudou. Todos esses movimentos são, portanto, exemplos de Movimento Uniforme. No movimento uniforme, o móvel percorre distâncias iguais em intervalos de tempo iguais. O movimento da Terra em torno do seu eixo, o movimento dos ponteiros de um relógio também são exemplos bem próximos de movimento uniforme. Na prática, os movimentos não são perfeitamente uniformes. Se a trajetória for retilínea, o movimento será chamado movimento retilíneo e uniforme (MRU). 3.1. Funções Horárias Conhecidas as características do movimento, vamos agora estabelecer as leis que regem o movimento uniforme. Se a forma da trajetória for conhecida, essas leis permitirão determinar, em cada instante, a posição, a velocidade e a aceleração de um corpo em movimento. Posição em função do tempo [s = f(t)] Seja um móvel percorrendo com movimento uniforme (velocidade escalar constante igual a v) a trajetória da figura. s0: a posição do móvel no instante t0 = 0. s: a posição do móvel no instante t. - 119 - A velocidade escalar média do móvel no intervalo de tempo t = t - t0 = t é: 0 0 m tt ss Δt Δs v , em que vm = v = constante. s = s0 + vt A função horária das posições de um móvel em movimento uniforme em relação ao tempo é função do 1º grau. Essa função permite obter a posição de um móvel em movimento em qualquer instante. Velocidade em função do tempo [v = f(t)] v = f(t) = constante 0 (o móvel tem, em toda trajetória, a velocidade do início do movimento). Aceleração em função do tempo [v = f(t)] a = f(t) = 0 (não existe variação de velocidade durante o movimento) Conclusões sobre o Movimento Uniforme: Em intervalo de tempos iguais, o móvel realiza deslocamentos iguais. Para qualquer instante de tempo, a velocidade instantânea é sempre igual à velocidade média do móvel. A aceleração de um móvel em Movimento Uniforme é nula, pois não houve variação na velocidade. Se a trajetória for uma linha reta, o movimento é chamado de Movimento Retilíneo e Uniforme (MRU). - 120 - Atividades de Aprendizagem Exercícios Teóricos E01. Um caminhão movimenta-se sobre uma trajetória retilínea segundo a função horária s = 10 + 2t (no SI). Determine: a) a posição inicial; b) a velocidade; c) a posição no instante t = 3s; d) o espaço percorrido após 6s; e) o instante em que o ponto material passa pela posição 36 m; E02. Um móvel desloca-se com movimento retilíneo segundo a lei horárias = 20 + 8t (no SI). Determine: a) a posição inicial do móvel; b) a posição do móvel quando t = 5 s; c) o instante em que o móvel passa pela posição 100 m; d) a distância percorrida pelo móvel durante o 10º segundo; e) o módulo do deslocamento e do espaço percorrido pelo móvel no intervalo de 5 s a 20 s. E03. Um ciclista A está com velocidadeconstante vA = 36 km/h, um outro ciclista B o persegue com velocidade constante vB = 38 km/h. Num certo instante, a distância que os separa é 80 m. a) A partir desse instante, quanto tempo o ciclista B levará para alcançar o A? b) Determine a posição dos ciclistas quando se encontrarem. c) Calcule a distância que cada ciclista percorreu até o encontro. E04. Dois motociclistas A e B percorrem uma mesma pista retilínea representada pelo eixo orientado. No início da contagem dos tempos suas posições são A = 10 m e B = 80 m. Ambos percorrem a pista no sentido positivo do eixo com velocidades constantes, sendo vA = 30 m/s e vB = 20 m/s. Pedem-se: a) o instante em que A alcança B; b) a posição do encontro em relação ao marco zero da pista. - 121 - E05. Quanto tempo gasta um trem com 400 m de comprimento e velocidade de 20 m/s, para atravessar um túnel de 1.800 m de comprimento? E06. Um trem viaja por estrada retilínea com velocidade constante de 36 km/h. Calcule o comprimento do trem, sabendo que ele leva 15 s para atravessar uma ponte de 60 m de comprimento. E07. Os móveis A, B e C partem de um mesmo ponto, com movimento retilíneo uniforme, em momentos diferentes. B parte 2 minutos após A, e ambos desenvolvem a mesma velocidade. C parte por último, gastando 10 minutos para alcançar B e mais 5 minutos para alcançar A. Determine, em minutos, o tempo decorrido entre a partida de A e a de C. E08. No instante t0 = 0, a distância entre dois carros A e B é de 375 km. Eles se movem um ao encontro do outro com velocidades constantes e de módulos respectivamente iguais a 60 km/h e 90 km/h, descrevendo uma mesma trajetória retilínea. Com a trajetória orientada conforme indica a figura e adotando como origem dos espaços a posição inicial de A, pedem-se: a) as funções horárias dos espaços que descrevem os movimentos dos carros A e B; b) o instante em que os carros se encontram; c) a posição do ponto de encontro. E09. Dois trens, A e B, de comprimentos iguais a 40 m e 50 m, respectivamente, percorrem linhas retilíneas e paralelas com movimentos uniformes e velocidades constantes: vA = 90 km/h e vB = 72 km/h. Determine o tempo gasto durante a ultrapassagem, sabendo que eles se movem em sentidos contrários. E10. Um móvel realiza um movimento uniforme num determinado referencial. Seus espaços variam com o tempo segundo os dados da tabela: t(s) 0 1 2 3 4 5 s(m) 160 120 80 40 0 -40 a) Determine o espaço inicial s0 e a velocidade escalar v do movimento. b) O movimento é progressivo ou retrógrado? c) Qual é a função horária do movimento? - 122 - E11. É dada a função horária do movimento de um móvel s = 100 + 80 t, onde s é medido em metros e t em segundos. Determine: a) o espaço inicial e a velocidade escalar; b) o espaço quando t = 2s; c) o instante em que o móvel se encontra a 500 m da origem dos espaços; d) se o movimento é progressivo ou retrógrado. E12. É dada a função horária do movimento de um móvel S = 60 – 12t, na qual s é medido em quilômetros e t em horas. Determine: a) o espaço inicial e a velocidade escalar; b) o espaço quando t = 3 h. c) o instante em que o móvel passa pela origem dos espaços; d) se o movimento é progressivo ou retrógrado. E13. Dois móveis percorrem a mesma trajetória e seus espaços estão medidos a partir do marco escolhido na trajetória. Suas funções horárias são: SA = 30 – 80t e SB = 10 + 20t Nestas funções, t é o tempo em horas e SA e SB são os espaços em quilômetros. Determine o instante e a posição de encontro. E14. Duas pessoas partem simultaneamente de um mesmo ponto, seguindo trajetórias perpendiculares entre si, com velocidades escalares constantes de 1,2 m/s e 0,9 m/s, respectivamente. Determine a distância que as separa após 10s. E15. Duas pequenas esferas A e B percorrem uma mesma trajetória retilínea com movimentos uniformes e velocidades escalares 8,0 m/s e 6,0 m/s, respectivamente. No instante t = 0s, as esferas estão posicionadas conforme a figura abaixo. Determine em que instantes a distância entre as esferas é de 4,0 m E16. Um atirador aponta para um alvo e dispara um projétil, que sai da arma com velocidade de 300 m/s. O impacto do projétil no alvo é ouvido pelo atirador 3,2 s após o disparo. Sendo de 340 m/s a velocidade de propagação do som no ar, calcule a distância do atirador ao alvo. - 123 - E17. Durante um nevoeiro, um navegador recebe dois sinais expedidos simultaneamente por um posto na costa, um deles através do ar e outro através da água. Entre as recepções dos dois sons, decorre o intervalo de tempo t = 4 s. Nas condições de experiência, a velocidade do som tem as grandezas 300 m/s no ar e 1.500 m/s na água. Determine a distância entre o barco e o posto emissor dos sinais, conforme os dados acima. Respostas dos Exercícios Teóricos: E01. a) 10 m b) 2 ms c) 16 m d) 13 s E02. a) 20 m b) 60 m c) 10 s d) 80 m e) 120 m E03. a) 144 s b) 1520 m c) A: 1440 m e B: 120 m E04. a) 7 s b) 220 m E05. 1min 50s E06. 90 m E07. 12,14 min E08. a) sA = 60t; sB = 375 – 90t b) 2,5 h c) 150 km E09. 2 s E10. a) 160 m; -40 m/s b) Retrógrado c) s = 160 – 40t E11. a) 100 m e 80 m/s b) 260 m c) 5 s d) Progressivo E12. a) 60 km e -12 km/h b) 24 km c) 5 h d) Retrógrado E13. 0,2 h e 14 km E14. 15 m E15. 3,0 s; 7,0 s E16. 510 m E17. 1.500 m - 124 - Testes T01. Dois móveis partem simultaneamente de dois pontos, A e B, e deslocam-se em movimento uniforme sobre a mesma reta, de A para B, com velocidades escalares de 20 m/s e 15 m/s. Se o encontro ocorre 50 s após a partida, podemos afirmar que a distância inicial entre os mesmos era de: a) 250 m b) 500 m c) 750 m d) 900 m e) 1025 m T02. Dois móveis, ambos com movimento uniforme, percorrem uma trajetória retilínea conforme mostra a figura. Em t = 0, eles se encontram, respectivamente, nos pontos A e B na trajetória. As velocidades escalares dos móveis são VA = 50 m/s e VB = 30 m/s no mesmo sentido. Em qual ponto da trajetória ocorrerá o encontro dos móveis? a) 200 m b) 225 m c) 250 m d) 300 m e) 150 m T03. Um movimento uniforme é descrito por s = 20 + 5t, onde s está em metros e t em segundos. O espaço inicial, a velocidade e o tipo de movimento serão, respectivamente: a) 20 m, 5 ms, movimento progressivo; b) 5 m, 20 ms, movimento progressivo; c) 20 m, 5 ms, movimento retrógrado; d) 5 m, 20 ms, movimento retrógrado; e) 20 m, 5t ms, movimento progressivo. T04. A tabela fornece, em vários instantes, a posição s de um automóvel em relação ao km zero da estrada em que se movimenta. t(h) 0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 s(km) 200 170 140 110 80 50 A função horária que nos indica a posição do automóvel, com as unidades fornecidas, é: a) s = 200 + 30t b) s = 200 – 30t c) s = 200 + 15t d) s = 200 – 15t e) s = 200 – 15t2 - 125 - T05. (UFPA) O gráfico representa os deslocamentos de duas partículas, A e B. Pela interpretação do gráfico, podemos garantir que: a) as partículas partem de pontos diferentes com velocidades diferentes; b) as partículas partem de pontos diferentes com a mesma velocidade; c) as partículas partem do mesmo ponto com velocidades diferentes; d) as partículas partem do mesmo ponto com a mesma velocidade; e) as partículas partem de pontos diferentes com velocidadesdistintas e conservam suas velocidades. T06. (Fuvest-SP) Um automóvel faz uma viagem em 6,0 h e sua velocidade escalar varia em função do tempo aproximadamente como mostra o gráfico. A velocidade escalar média do automóvel na viagem é de: a) 35 kmh b) 40 kmh c) 45 kmh d) 48 kmh e) 50 kmh T07. Qual é o tempo gasto para que uma composição de metrô de 200 m, a uma velocidade de 180 kmh, atravesse um túnel de 150 m, expressando sua resposta em segundos a) 5 b) 6 c) 7 d) 8 e) 9 T08. Dois móveis A e B percorrem uma mesma trajetória e suas posições são dadas, a partir da mesma origem dos espaços, por SA = -30 + 10t e SB = -10 – 10t (com S em metros e t em segundos). O instante e a posição de encontro são iguais, respectivamente, a: a) 1s; -20 m b) 2s; -10 m c) 3s; -40 m d) 4s; 20 m e) 5s; -60 m T09. (UFRN) Um trem parte de Natal com destino a Recife às 6h, com velocidade constante de 60 kmh. Uma hora depois, parte de Natal, numa linha paralela, um segundo trem, mantendo uma velocidade constante de 75 kmh. Sabendo que a distância Natal-Recife é de 300 km, podemos afirmar que: a) o segundo trem ultrapassará o primeiro a 70 km de Recife; b) o segundo trem ultrapassará o primeiro a 80 km de Recife; c) o segundo trem ultrapassará o primeiro a 100 km de Recife; d) o segundo trem ultrapassará o primeiro a 120 km de Recife; e) os dois trens chegarão a Recife ao mesmo tempo. Respostas dos Testes: 01. A 02. D 03. A 04. D 05. A 06. B 07. C 08. A 09. E - 126 - 4. Movimento Uniformemente Variado Nos movimentos que observamos diariamente, as velocidades em geral não permanecem constantes, variando, portanto, no decorrer do tempo. São os chamados movimentos variados. Por outro lado, se num movimento a velocidade variar uniformemente no decorrer do tempo, isto é, se ocorrerem variações de velocidade sempre iguais em intervalos de tempo iguais, o movimento será denominado movimento uniformemente variado (MUV). Para que isso ocorra em qualquer intervalo de tempo, a aceleração escalar média deve ser constante, diferente de zero e igual à aceleração escalar instantânea. am = a = constante 0 Observe a tabela, ao lado, que registra a velocidade indicada pelo velocímetro de um automóvel no decorrer do tempo. Note que a partir da velocidade inicial v0 = 8 km/h, a velocidade varia de 4 km/h a cada segundo decorrido. Portanto, a aceleração escalar média é igual à aceleração escalar instantânea. s 4km/h a 01 812 a Δt Δv aa m Então, esse automóvel executa um movimento uniformemente variado. No caso de a trajetória ser retilínea, o movimento será denominado movimento retilíneo uniformemente variado (MRUV). 4.1. Funções Horárias Vamos estudar agora as funções que permitem a descrição matemática de um movimento uniformemente variado. t (s) v (km/h) 0 8 1 12 2 16 3 20 4 24 5 28 6 32 No movimento uniformemente variado a velocidade escalar é variável e a aceleração escalar é constante e não-nula. - 127 - Velocidade em função do tempo [v = f(t)] Seja um móvel percorrendo, com movimento uniformemente variado, a trajetória da figura. v0: a velocidade do móvel no instante t0 = 0. v: a velocidade do móvel no instante t. A aceleração média do móvel no intervalo de tempo t = t – t0 = t é: 0 0 m tt vv Δt Δv a , em que am = a = constante. atvv t vv a 0 0 v = v0 + at Observe que essa é uma função polinomial do 1º grau em relação à t. Posição em função do tempo [s = f(t)] Seja um móvel percorrendo, com MUV, a trajetória da figura. s0: posição do móvel no instante t0 = 0. v0: velocidade do móvel no instante t0 = 0. s: posição do móvel no instante t. v: a velocidade do móvel no instante t. a: aceleração. O gráfico da função v = v0 + at, representado por uma reta, é uma função polinomial do 1º grau. s t v v0 0 v t - 128 - A área do trapézio fornece o espaço percorrido s no intervalo de tempo t = t – t0. t 2 vv s 0 () Como v = v0 + at e s = s – s0, substituindo em (), temos: t 2 vatv ss 000 2 attv2 ss 2 0 0 2 00 at 2 1 tvss Observe que esta é uma função polinomial do 2º grau em relação a t. Aceleração em função do tempo [a = f(t)] a = f(t) = constante 0 Portanto, a aceleração (variação da velocidade) em todo o percurso é a mesma do início dele. Lei de Torricelli: Temos até agora duas funções que nos permitem saber a posição do móvel e a sua velocidade em relação ao tempo. Torna-se útil encontrar uma fórmula que possibilite conhecer a velocidade de um móvel sem saber o tempo. A fórmula de Torricelli relaciona a velocidade com o espaço percorrido pelo móvel. É obtida eliminando-se o tempo entre as funções horárias da posição e da velocidade. 2 00 at 2 1 tvss (1) atvv 0 (2) Isolando-se o tempo t em (2): a v-v t 0 Substituindo-se t em (1): Δsa2vv )s(sa2vv vv)s(sa2 vvv2vv2v-v2)s(sa2 a2 vvv2v a vv-v ss a vvv2v 2 a a vv-v ss a vv- a 2 1 a vv- vss 2 0 2 0 2 0 2 22 00 2 00 22 000 2 00 22 00 0 2 2 00 22 00 0 2 00 00 - 129 - Atividades de Aprendizagem Exercícios Teóricos E01. Um ciclista desloca-se numa trajetória retilínea segundo a função horária s = 24 – 5t + t2 (no SI). a) Qual o tipo de movimento executado pelo ciclista: MU ou MUV? b) Qual a posição inicial, a velocidade inicial e a aceleração do ciclista? c) Determine a função horária da velocidade do ciclista. d) Dê o instante em que o ciclista passa pela origem das posições da trajetória. E02. Um automóvel está parado diante de um semáforo. Imediatamente após o sinal ter aberto, um caminhão o ultrapassa com velocidade constante de 20 m/s. Nesse exato instante, o motorista do automóvel arranca com uma aceleração de 4 m/s 2 em perseguição ao caminhão. a) Após quanto tempo o automóvel alcançará o caminhão? b) Quantos metros terá percorrido o automóvel? E03. Um móvel desloca-se sobre uma reta, obedecendo à função horária s = 6 – 5t + t2 (no SI). Determine: a) a função v = f(t); b) o instante em que o móvel inverte o sentido do seu movimento; c) o espaço percorrido entre os instantes 4s e 9s. E04. Com a vigência do novo Código Brasileiro de Trânsito, atravessar um sinal vermelho constitui infração gravíssima. Ao perceber um semáforo fechado à frente, o motorista de um carro, movendo-se a 20 m/s, aplica a este uma desaceleração de 5 m/s 2 . Determine: a) o tempo gasto durante a freada; b) a distância mínima do carro ao semáforo para não ocorrer a infração. E05. Um motorista está dirigindo um automóvel a uma velocidade de 54 km/h. Ao ver o semáforo fechado, pisa no freio. A aceleração máxima para que o automóvel não derrape tem módulo igual a 5 m/s 2 . Quala menor distância que o automóvel irá percorrer, sem derrapar e até parar, a partir do instante em que o motorista aciona o freio? E06. Ao iniciar a travessia de um túnel retilíneo de 200 m de comprimento, um automóvel de dimensões desprezíveis movimenta-se com velocidade de 25 m/s. Durante a travessia, desacelera uniformemente, saindo do túnel com velocidade de 5 m/s. Qual o módulo de sua aceleração escalar nesse percurso? E07. Um veículo parte de um ponto A para um ponto B e gasta 40 s nesse percurso, com uma aceleração de 3 m/s2 e velocidade inicial de 4 m/s. Qual a distância entre os pontos A e B? - 130 - E08. Uma bala, que se move a uma velocidade escalar de 200 m/s, ao penetrar em um bloco de madeira fixo sobre um muro, é desacelerada uniformemente até parar. Qual o tempo que a bala levou em movimento dentro do bloco, se a distância total percorrida em seu interior foi igual a 10 cm? E09. Uma norma de segurança sugerida pela concessionária de uma auto-estrada recomenda que os motoristas que nela trafegam mantenham seus veículos separados por uma “distância” de 2 s. a) Qual é essa distância, expressa adequadamente em metros, para veículos que percorram a estrada com a velocidade constante de 90 km/h? b) Suponha que, nessas condições, um motorista freie bruscamente seu veículo até parar, com aceleração constante de módulo 5 m/s 2 , e o motorista de trás só reaja, freando seu veículo, depois de 0,5 s. Qual deve ser a aceleração mínima do veículo de trás para não colidir com o da frente? E10. A velocidade de um móvel em Movimento Retilíneo Uniformemente Variado, obedece à função horária v = 2 + 3t, com as unidades no SI. Para este móvel, determine: a) a velocidade escalar inicial e a aceleração escalar; b) a velocidade 10 segundos após o início do movimento; c) se o movimento é acelerado ou retardado no instante 10 s. E11. O espaço de um móvel em MRUV obedece à função horária s = 4 + 3t + 2t2, com unidades no SI. Para este móvel, determine: a) o espaço inicial; b) a velocidade escalar; c) a aceleração escalar; d) o espaço ocupado após 2 segundos de movimento. Respostas dos Exercícios Teóricos: E01. a) MUV b) 24m, 5 ms, 2 ms2 c) v = -5 + 2t d) 8s E02. a) 10 s b) 200 m E03. a) v = 5 + 2t b) 2,5 s c) 40 m E04. a) 4s b) 40 m E05. 22,5 m E06. 1,5 m/s 2 E07. 2560 m E08. 10 -3 s E09. a) 50 m b) 3,125 m/s 2 E10. a) 2 ms, 3 ms2 b) 32 ms c) Acelerado E11. a) 4 m b) 3 ms c) 4 ms2 d) 18 m - 131 - Testes T01. A equação horária do movimento de um móvel é dada por s = 12 – 2t + 4t2. A equação da velocidade escalar desse móvel será: a) v = 12 – 2t b) v = 8t – 2 c) v = 2 + 4t d) v = -2 + 2t e) v = 12 – 4t T02. Um móvel efetua um movimento retilíneo uniformemente variado obedecendo à função horária s = 10 + 10t – 5t2, onde o espaço s é medido em metros e o instante t em segundos. A velocidade do móvel no instante t = 4 s, em ms, vale: a) 50 b) 20 c) 0 d) -20 e) -30 T03. Um veículo parte do repouso em movimento retilíneo e acelera a 2 ms2. Pode-se dizer que sua velocidade e a distância percorrida, após 3 s, valem, respectivamente: a) 6ms; 9m b) 6ms; 18m c) 3ms; 12m d) 12ms; 36m e) 2ms; 12m T04. (PUC-PR) Um móvel parte do repouso e desloca-se em movimento retilíneo sobre um plano horizontal. O gráfico representa a aceleração (a) em função do tempo (t). Sabendo-se que no instante t = 0 a velocidade do móvel é nula, calcular a velocidade no instante t = 5s. a) 36 ms b) 6 ms c) 24 ms d) 15 ms e) 30 ms T05. Um móvel tem movimento com velocidade descrita pelo gráfico abaixo. Após 10 s, qual será sua distância do ponto de partida a) 500 m b) 20 m c) 75 m d) 25 m e) 100 m T06. (UFRGS) Um automóvel que anda com velocidade escalar de 72 kmh é freado de tal forma que, 6,0 s após o início da freada, sua velocidade escalar é de 8,0 ms. O tempo gasto pelo móvel até parar e a distância percorrida até então valem, respectivamente: a) 10s; 100m b) 10s; 200m c) 20s; 100m d) 20s; 200m e) 5s; 150m a (ms2) t (s) 0 5 v (ms) t (s) 0 5 10 - 132 - T07. (UFSC) Um carro está a 20 m de m sinal de tráfego quando este passa de verde a amarelo. Supondo que o motorista acione o freio imediatamente, aplicando ao carro uma desaceleração de 10 ms2, calcule, em kmh, a velocidade máxima que o carro pode ter, antes de frear, para que ele pare antes de cruzar o sinal. a) 36 b) 54 c) 72 d) 90 e) 108 T08. (UEPB) Dois automóveis, A e B, deslocam-se um em direção ao outro numa competição. O automóvel A desloca-se a uma velocidade de 162 kmh; o automóvel B, a 108 kmh. Considere que os freios dos dois automóveis são acionados ao mesmo tempo e que a velocidade diminui a uma razão de 7,5 ms, em cada segundo. Qual é a menor distância entre os carros A e B para que eles não se choquem a) 135 m b) 60 m c) 210 m d) 195 m e) 75 m T09. (UEL-PR) Um corpo é abandonado a partir do repouso e atinge o chão com velocidade de 20 ms. Considerando g = 10 ms2, o corpo caiu da altura de: a) 200 m b) 100 m c) 50 m d) 20 m e) 10 m T10. (UECE) Uma pedra, partindo do repouso, cai de uma altura de 20 m. Despreza-se a resistência do ar e adota-se g = 10 ms2. A velocidade da pedra ao atingir o solo e o tempo gasto na queda, respectivamente, valem: a) 20ms; 2s b) 20ms; 4s c) 10ms; 2s d) 10ms; 4s e) 15ms; 2s Respostas dos Testes: 01. B 02. E 03. A 04. E 05. E 06. A 07. C 08. D 09. D 10. A - 133 - 5. Matematizando 5.1. Definição: Expressões Algébricas e Polinômios Chama-se expressão algébrica qualquer agrupamento de letras e números ligados por sinais de operações. O elemento fundamental da expressão algébrica é o termo, ou seja, um conjunto de letras e números ligados por operações quaisquer, exceto a adição e a subtração. Exemplo: Expressão Algébrica: ab2 xy3 yx2ba 2 22 . Termos: ba2 ; yx2 2 ; ab2 xy3 2 Chama-se polinômio de grau n (n inteiro e positivo) na variável x, a expressão algébrica do tipo: P(x) = a0(x) n + a1(x) n1 + a2(x) n2 + ... + an1(x) + an, onde a0, a1, a2, ..., na são números quaisquer e a0 0. 5.1.1. Divisão de Polinômios A divisão de polinômios estrutura-se em um algoritmo, podemos enunciá-lo como sendo a divisão de um polinômio D(x) por um polinômio não nulo E(x), de modo a obter os polinômios Q(x) e R(x). Esse algoritmo da divisão pode ser expresso pelo Método de Descartes também conhecido como Método dos coeficientes determinantes, da seguinte forma: E(x) Q(x) + R(x) = D(x), ou seja: Quociente Divisor + Resto = Dividendo. Método da Chave: neste método, realizamos a divisão entre os coeficientes numéricos e a divisão de potências de mesma base, conservando a base e subtraindo os expoentes. Quando trabalhamos com divisão, utilizamos também a multiplicação no processo. Observe o seguinte esquema: Quociente Divisor + Resto = Dividendo Vamos dividir um polinômio por um monômio, com o intuito de entendermos o processo operatório. Exemplo 01: Dividir o polinômio 12x 3 + 4x 2 – 8x por 4x. Resolução: - 134 - Caso queira verificar sea divisão está correta, basta multiplicar o quociente pelo divisor, com vistas a obter o dividendo como resultado. Verificando: Quociente Divisor + Resto = Dividendo 4x (3x² + x – 2) + 0 = = 12x³ + 4x² – 8x Caso isso ocorra, a divisão está correta. Exemplo 02: Dividir o polinômio 12x 3 + 4x 2 – 8x por 4x. Resolução: Verificando: Quociente Divisor + Resto = Dividendo (2x – 5) (5x – 9) + (–5) = = 10x² – 18x – 25x + 45 + (–5) = = 10x² – 43x + 45 – 5 = = 10x² – 43x + 40 Exemplo 03: Dividir o polinômio 6x 4 – 10x3 + 9x2 + 9x – 5 por 2x2 – 4x + 5. Resolução: Verificando: Quociente Divisor + Resto = Dividendo (3x² + x – 1) (2x² – 4x + 5) + 0 = = 6x4 – 12x³ + 15x² + 2x³ – 4x² + 5x – 2x² + 4x – 5 = = 6x 4 – 10x³ + 9x² + 9x – 5 Exemplo 04: Dividir o polinômio 12x 3 – 19x2 + 15x – 3 por 3x2 – x + 2. Resolução: - 135 - Verificando: Quociente Divisor + Resto = Dividendo (4x – 5) (3x² – x + 2) + (2x + 7) = = 12x³ – 4x² + 8x – 15x² + 5x – 10 + (2x + 7) = = 12x³ – 19x² + 13x – 10 + 2x + 7 = = 12x³ – 19x² + 15x – 3 Dispositivo de Briot-Ruffini: a divisão de um polinômio P(x) por um binômio da forma (x – a) também pode ser feita utilizando-se o dispositivo de Briot-Ruffini. Este algoritmo se caracteriza pela sua agilidade na divisão de polinômios por binômios do 1º grau do tipo (x – a). Vamos analisar o exemplo detalhado, apresentado em Barroso (2008, p.178): Exemplo: Vamos determinar o quociente e o resto da divisão de P(x) = 2x 3 – 4x + 1 por D(x) = x – 4, utilizando o dispositivo de Briot-Ruffini. Resolução: Inicialmente, colocamos os coeficientes de P(x) em ordem decrescente segundo o grau do termo e completamos com zero, caso necessário. Assim, temos P(x) = 2x 3 + 0x 2 – 4x + 1. Dispomos os valores que participam do cálculo para montar o dispositivo. Repetimos o coefiente dominante do dividendo P(x) na linha de baixo. Multiplicamos o valor de a por esse coeficiente e somamos o produto obtido com o próximo coeficiente de P(x), colocando o resultado abaixo dele. Multiplicamos o valor de a pelo resultado que acabamos de obter, somamos o produto com o próximo coeficiente de P(x) e colocamos esse novo resultado abaixo desse coeficiente. - 136 - Repetimos o processo até o último coefiente de P(x), que está separado, à direita. Fonte: Barroso et al, 2008, p.174. O último resultado é o resto da divisão, e os demais números obtidos são os coeficientes do quociente, dispostos ordenadamente segundo as potências decrescentes de x. Dessa forma, no exemplo apresentado no quadro acima, temos que Q(x) = 2x 2 + 8x + 28 e R(x) = 113. 5.1.2. Fatoração Fatorar uma expressão algébrica é transformá-la num produto utilizando, em geral, a lei distributiva. Exemplo: A 3 B + A 2 C – A2D = A2(AB + C – D) neste caso, o fator comum A2 foi colocado em evidência. 1º Caso: Fator Comum 2ax 3 + 6bx 2 = 2axx2 + 23bx2 = 2x2(ax + 3b) 2º Caso: Agrupamento ax + bx + ay + by = x(a + b) + y(a + b) = (a + b)(x + y) 3º Caso: Diferença de Quadrados a 2 – b2 = (a + b)(a – b) 4º Caso: Quadrado Perfeito a 2 2ab – b2 = (a b)2 5º Caso: Cubo Perfeito a 3 3a2b + 3ab2 b3 = (a b)3 6º Caso: Soma e Diferença de Cubos a 3 + b 3 = (a + b)(a2 – ab + b2) a 3 b3 = (a b)(a2 + ab + b2) 7º Caso: Trinômio do 2º Grau ax 2 + bx + c = a(x – x1)(x – x2), onde x1, x2 são raízes da equação ax 2 + bx + c = 0. - 137 - 5.1.3. Frações Algébricas São frações que contém expressões algébricas no numerador e no denominador. Se for possível fatorar o numerador e o denominador e a fatoração apresentar fatores iguais, então podemos cancelar os fatores comuns. Exemplo: 1x2 x3 )1x2(x3 x3 x3x6 2 CORRETO 1x6 x3 x3x6 2 2 INCORRETO - 138 - Atividades de Aprendizagem Exercícios Teóricos E01. Efetue as operações: a) (2x 2 – 3x + 1) + (2x – 3) + (4x2 + 5) b) (2x 2 – 6x – 5) (x2 – 3x – 5) c) (2x – 1)(x2 – 3x + 5) d) (x – 3y)(x2 – 3xy + y2) e) (3x – 1)(x + 2) – (x – 2)2 f) 2(x – 2)3 – (x – 2)2 – 3(x – 2) g) (x + 2y) 3 h) (s + 7)(s – 2) i) (u – 3)(u + 3) j) (c – 9)(c – 6) k) (a + b)(a – b) l) (3y + 2)(3y – 2) E02. Efetue as divisões: a) 6x 2 – x + 2 por 3x – 2 b) 4x 4 – 10x – 9x2 – 10 por 2x + 3 c) 16x – 5x3 – 4 + 6x4 – 8x2 por 2x – 4 + 3x2 d) x 3 – 8 por x – 2 E03. Fatore: a) 2x2 – 10x b) 2x 2 y – 12xy2 c) a(x + y) – b(x + y) d) 2x 2 y – 12xy2 e) x 3 – x2 + x – 1 f) a 2 – 1 g) a4 – 1 h) x 2 – 2xy + y2 i) x 2 + 2x + 1 j) 4a 2 + 20ab + 25b 2 k) 16x 2 – 56x + 49 l) 4 y xy3x9 2 2 E04. Simplifique as frações: a) 2)3x( 3x b) )5y(2 )5y(8 2 c) 3 2 )7x(x6 )7x(x2 d) 4x2 x2x 2 e) y3 y3y9 2 f) 9x6x 9x 2 2 g) 22 22 xy6yx4 y9x4 h) y3xy y3x3xyx 2 i) 23 23 x4x12 x10x28x6 j) 4x 8x 2 3 k) )3x(x4 6x2 )3x(x4 12x4 l) 2)1x(9 2 )1x(6 5 - 139 - Respostas dos Exercícios Teóricos: E01. a) 6x2 – x + 3 b) x 2 – 3x c) 2x 3 – 7x2 + 13x – 5 d) x 3 – 6x2y + 10xy2 – 3y3 e) 2x 2 + 9x – 6 f) 2x 3 – 13x2 + 25x – 18 g) x 3 + 6x 2 y + 12xy 2 + 8y 3 h) s 2 + 5s – 14 i) u 2 – 9 j) c 2 + 5c + 54 k) a 2 – b2 l) 9y 2 – 4 E02. a) Q(x) = 2x + 1 R = 4 b) Q(x) = 2x 3 – 3x2 – 5 R = 5 c) Q(x) = 2x 2 – 3x + 2 R = 4 d) Q(x) = x 2 + 2x + 4 R = 0 E03. a) 2x(x – 5) b) 2xy(x – 6y) c) (x + y)(a – b) d) (x + y)(a + b) e) (x – 1)(x2 + 1) f) (a + 1)(a – 1) g) (a 2 + 1)(a + 1)(a – 1) h) (x – y)2 i) (x + 1) 2 j) (2ª + 5b) 2 E04. a) 3x 1 b) 4(y – 5) c) 2)7x(3 x d) 2 x e) 3 – y f) 3x 3x g) xy2 y3x2 h) y yx i) x2 5x j) 2x 4x2x 2 k) x2 1 l) 2)1x(18 11x15 - 140 - 5.2. Função: ferramental matemático para todas as áreas Um fabricante gostaria de saber como o lucro de sua companhia está relacionado com o seu nível de produção; um biólogo gostaria de saber como o tamanho da população de uma certa cultura de bactérias mudará ao longo do tempo; um psicólogo gostaria de conhecer a relação entre o tempo de aprendizado de um indivíduo e o tamanho de seu vocabulário; e um químico gostaria de saber como a velocidade inicial de uma reação química está relacionada à quantidade de substrato utilizada. Em cada uma dessas situações estamos preocupados com a mesma questão: como uma quantidadedepende da outra? A relação entre duas ou mais quantidades é convenientemente descrita em matemática pelo uso do conceito de função. Uma função é uma regra que associa a cada elemento de um conjunto A um único elemento de um conjunto B. O conjunto A é chamado de domínio e B imagem da função. Muitas situações do mundo real podem ser modeladas a partir de funções. Modelar uma situação implica em construir um modelo matemático a partir de informações reais; este modelo pode descrever precisamente o problema em consideração, ou, mais frequentemente, pode fornecer apenas uma aproximação aceitável do problema. Existem muitos tipos de funções para modelar as mais diversas situações de diferentes áreas. Nesta disciplina estudaremos as principais funções que nos servirão de ferramenta para estudar problemas relacionados à área de Engenharia. 5.3. Função polinomial do 1° grau ou função afim Um representante comercial recebe, mensalmente, um salário composto de duas partes: uma parte fixa, no valor de R$ 1.500,00 e uma parte variável, que corresponde a uma comissão de 6% (0,06) sobre o total das vendas que ele faz durante o mês. Nessas condições, podemos dizer que: Salário mensal = 1.500,00 + 0,06 vezes o total das vendas do mês Observamos, então, que o salário mensal desse vendedor é dado em função do total de vendas que ele faz durante o mês, ou seja: S(x) = 1.500,00 + 0,06x ou S(x) = 0,06x + 1.500,00 ou y = 1.500 + 0,06x, onde x é o total das vendas do mês. Este exemplo nos dá a ideia de uma função afim. - 141 - 5.3.1. Definição Uma função chama-se função afim ou função polinomial do 1º grau quando existem dois números reais a e b tais que f(x) = ax + b, para todo x R. 5.3.2. Gráfico de uma função polinomial do 1º grau no plano cartesiano Vamos agora, construir gráficos de funções determinadas por leis y = f(x) em um sistema de coordenadas cartesianas ortogonais. Para construir o gráfico de uma função dada por y = f(x), com x D, no plano cartesiano, devemos: Construir uma tabela com valores de x escolhidos convenientemente em D e com valores correspondentes para y = f(x); A cada par ordenado (x, y) da tabela associar um ponto do plano cartesiano; Marcar um número suficiente de pontos, até que seja possível esboçar o gráfico da função. Exemplo: Construir o gráfico da função f: R R, dada por f(x) = 3x. x y = 3x -2 -6 -1 -3 0 0 1 3 2 6 3 9 O gráfico de uma função afim é uma reta, pois ela tem variação constante, dada pelo valor do coeficiente angular a. A constante b é chamada de coeficiente linear e representa no gráfico, a ordenada do ponto de intersecção da reta com o eixo y. 5.3.3. Casos particulares importantes da função afim Função linear: O gráfico é uma reta que contém a origem (0,0). Este tipo de função pode ser representada pelo faturamento de uma empresa. Um produto é vendido a R$ 15,00 a unidade (preço constante). A função receita será: x15xR )( . f: R R definida por f(x) = ax para todo x R. Nesse caso, a 0 e b = 0. Exemplos: f(x) = 2x f(x) = -4x f(x) = x3 - 142 - f(x) = 3x (crescente) f(x) = -3x (decrescente) x f(x) f(x) f(x) -2 -6 -2 6 -1 -3 -1 3 0 0 0 0 1 3 1 -3 2 6 2 -6 Função constante: Os custos fixos de uma empresa, tais como, aluguel e, despesas administrativas, representam muito bem uma função constante. O gráfico é uma reta paralela ao eixo x. f: R R definida por f(x) = k para todo x R, onde k é uma constante real. Exemplos: f(x) = 4 f(x) = 5 f(x) = 100 f(x) = 2 x f(x) -2 2 -1 2 0 2 1 2 2 2 Função afim (a 0 e b 0): f(x) = 2x + 1 (crescente) f(x) = -2x + 1 (decrescente) x f(x) f(x) f(x) -2 -3 -2 5 -1 -1 -1 3 0 1 0 1 1 3 1 -1 2 5 2 -3 Sendo a função afim dada por y = ax + b, temos no exemplo seguinte os significados dos parâmetros a e b: - 143 - Exemplo: Considere a função polinomial do 1º grau y = 5x + 2. Coeficiente angular a = 5: um aumento unitário em x acarreta um aumento de 5 unidades em y. Coeficiente linear b = 2: a reta intercepta o eixo y em y = 2. 5.3.4. Determinação de uma função afim conhecendo-se seus valores em dois pontos distintos Uma função afim f(x) = ax + b fica inteiramente determinada quando conhecemos dois dos seus valores f(x1) e f(x2) para quaisquer x1 e x2 reais, com x1 x2. Exemplo 01: Dados o ponto P(2, 3), ou seja, x = 2 e y = 3, par ordenado, e o ponto Q(4, 5), ou seja, x = 4 e y = 5, podemos encontrar a função que passa por estes pontos, montando um sistema de equações, levando em consideração que y = ax + b. 1 a 2 0 2a 5b4a 3b2a 5b4a 3b2a Como 4a + b = 5, então: 41 + b = 5 b = 1 Logo, a função afim é dada por f(x) = 1x + 1, ou simplesmente, f(x) = x + 1. Exemplo 02: Calcular a equação da reta que passa por dois pontos. Processo 01: Utilizando sistemas de equações. Calcular a equação da reta que passa pelos pontos 1P = (1,3) e 2P = (3,7). baxy ba37 ba3 multiplicando a primeira equação por (-1), temos a24 ba37 ba3 Substituindo a = 2 em 3 = a + b, temos 3 = 2 + b e, portanto, . Logo, a função procurada é y = 2x + 1. a = 2 b = 1 - 144 - Processo 02: Dado dois pontos (1,3) e (3,7). Coeficiente angular 12 12 xx yy a 2 13 37 a )xx(ayy 00 1x2y )1x(23y - 145 - 5.4. Função crescente e função decrescente Vamos analisar as seguintes situações. O gráfico ao lado mostra a população brasileira de 1940 a 1990. Pelo gráfico, notamos o aumento da população em função do aumento do tempo (dado em anos), ou seja, a curva é crescente. Este gráfico mostra um tanque de água se esvaziando. Pelo gráfico, notamos a diminuição do volume de água em função do aumento do tempo (dado em minutos), ou seja, a curva é decrescente. Considerando dois elementos quaisquer x1 e x2 de um subconjunto A do domínio de uma função f, dizemos que: f é função crescente em A, quando para x1 < x2 temos f(x1) < f(x2); f é função decrescente em A, quando para x1 < x2 temos f(x1) > f(x2). ATENÇÃO: No caso da função afim (y = ax + b), temos que: a função será crescente quando a > 0 a função será decrescente quando a < 0 a função será constante quando a = 0. 0 20 40 60 80 100 120 140 1940 1950 1960 1970 1980 1990 M il h õ e s d e h a b it an te s Anos 0 100 200 300 400 500 600 700 0 5 10 15 20 25 30 35 40 V o lu m e ( e m l it ro s ) Tempo (em min) - 146 - Atividades de Aprendizagem Exercícios Teóricos E01. Esboçar o gráfico das seguintes funções, classificar em crescente, decrescente ou constante e indicar as coordenadas do ponto de intersecção com o eixo y: a) y = 5 b) y = x + 1 c) y = 3x + 2 d) y = -x + 2 e) y = -3x f) y = 6 – 10x E02. Obtenha a função que passa pelos pontos A e B nos seguintes casos: a) A (1,2) e B (2,3) b) A (-1,0) e B (4,2) c) A (2,1) e B (0,4) d) A (0,0) e B (2,4) E03. Escreva a função que contém o ponto P e tem a declividade a: a) P(0,0) e a = 3 b) P(1,3) e a = 2 c) P(-1,4) e a = -1 d) P(-2,0) e a = -1 E04. Uma livraria vende uma revista por R$ 5,00 a unidade. Seja x a quantidade vendida. a) Obtenha a função receita. b) Calcule R(40). c) Qual a quantidade que deve ser vendida para dar uma receita igual a R$ 700,00? E05. O custo de fabricação de x unidades de um produto é dado pela função C(x) = 100 + 2x. a) Qual o custo de fabricação de 10 unidades? b) Qual o custo de fabricação da décima unidade, já tendo sido fabricadas nove unidades? c) Faça o esboço do gráfico da função custo. E06. Um taxista cobra R$ 0,25 por quilômetro rodado e R$ 2,00 de bandeirada (partida). Construa o gráfico que demonstra a situação. E07. Duas editoras oferecem emprego com as seguintes condições salariais: Empresa A – Fixo de R$ 800,00 e comissão de R$ 15,00 por coleção vendida; Empresa B – Fixo de R$ 600,00 e comissão de R$ 20,00 por coleção vendida. a) Faça uma análise e avalie qual a melhor proposta salarial para o candidato à vaga. b) Qual a quantidade de coleções vendidas em que o salário das duas empresas será o mesmo? c) Apresente a situação problema por meio de um gráfico. E08. Uma agência de automóveis, cobra pelo aluguel de um de seus veículos, a diária de R$ 40,00 mais a quantia de R$ 0,25 por quilômetro rodado. Outra agência cobra, pelo mesmo tipo de veículo, a diária de R$ 60,00 mais R$ 0,175 por quilômetro rodado. Encontre as funções que representam o plano de aluguel de cada uma das agências e mostre qual deles é melhor do ponto de vista do consumidor. - 147 - E09. O custo total de um fabricante consiste em uma quantia fixa de R$ 200,00, somado ao custo de produção que é de R$ 15,00 por unidade. Nessas condições: a) Expresse o custo total como função do número de unidades produzidas. b) Determine o número de unidades que devem ser produzidas para que o custo total seja de R$ 700,00. c) Determine o custo total para produzir 1500 unidades. E10. O custo fixo mensal de uma empresa é de R$ 30.000,00, o preço unitário de venda é R$ 8,00 e o custo variável por unidade é R$ 6,00. a) Obtenha a função lucro mensal. b) Qual o lucro obtido na venda de 50.000 unidades? c) A partir de quantas unidades vendidas esta empresa começa a obter lucro? d) Qual a quantidade de unidades que determina o ponto de nivelamento? e) Faça o gráfico das funções custo e receita indicando as coordenadas do ponto de nivelamento. E11.O valor total cobrado por um eletricista x inclui uma parte fixa, como visita, transporte etc., e outra que depende da quantidade de metros de fio requerida pelo serviço. O gráfico ao lado representa o valor do serviço efetuado em função do número de metros utilizados. a) Qual é o valor da parte fixa cobrada pelo eletricista b) O preço cobrado por um eletricista y depende unicamente do número de metros utilizados, não sendo cobrada a parte fixa. Se o preço do serviço é de R$ 4,50 por metro de fio utilizado, a partir de que metragem o consumidor deve preferir x a y Respostas dos Exercícios Teóricos: E01. a) b) Constante eixo y: (0, 5) Crescente eixo y: (0, 1) 72 60 14 20 metros (m) preço (R$) - 148 - c) d) e) f) E02. a) y = x + 1 b) 5 2 x 5 2 y c) 4x 2 3 y d) y = 2x E03. a) y = 3x b) y = 2x + 1 c) y = -x + 3 d) y = -x – 2 E04. a) R(x) = 5x b) $ 200,00 c) x = 140 E05. a) $ 120,00 b) $ 2,00 c) E06. E07. a) Para vendas inferiores a 40 coleções, a Empresa A é mais vantajosa para o empregado. Para vendas acima de 40 coleções, a Empresa B torna-se mais vantajosa. Crescente eixo y: (0, 2) Decrescente eixo y: (0, 2) Decrescente eixo y: (0, 0) Decrescente eixo y: (0,6) - 149 - b) Para x = 40 coleções, o salário das duas empresas será o mesmo. c) E08. Opção A: yA = 40 + 0,25x Opção B: yB = 60 + 0,175x Para x < 267 km, a opção B é mais econômica para o consumidor. Para x < 267 km, a opção A é mais interessante. E09. a) C = 200 + 15x b) x 33 c) R$ 22.700,00 E10. a) L(x) = 2x – 30.000 b) R$ 70.000,00 c) A partir de 15.000 unidades d) x = 15.000 e) E11. a) A parte fixa é de R$ 32,00. b) A partir de 12,8 m - 150 - Testes T01. (ENEM-2015) Após realizar uma pesquisa de mercado, uma operadora de telefonia celular ofereceu aos clientes que utilizavam até 500 ligações ao mês o seguinte plano mensal: um valor fixo de R$ 12,00 para os clientes que fazem até 100 ligações ao mês. Caso o cliente faça mais de 100 ligações, será cobrado um valor adicional de R$ 0,10 por ligação, a partir da 101ª até a 300ª; e caso realize entre 300 e 500 ligações, será cobrado um valor fixo mensal de R$ 32,00. Com base nos elementos apresentados, o gráfico que melhor representa a relação entre o valor mensal pago nesse plano e o número de ligações feitas é: a) b) c) d) e) T02. (ENEM-2011) O saldo de contratações no mercado formal no setor varejista da região metropolitana de São Paulo registrou alta. Comparando as contratações deste setor no mês de fevereiro com as de janeiro deste ano, houve incremento de 4.300 vagas no setor, totalizando 880.605 trabalhadores com carteira assinada. [Disponível em: http://www.folha.uol.com.br. Acesso em: 26 abr. 2010 (adaptado)]. Suponha que o incremento de trabalhadores no setor varejista seja sempre o mesmo nos seis primeiros meses do ano. Considerando-se que y e x representam, respectivamente, as quantidades de trabalhadores no setor varejista e - 151 - os meses, janeiro sendo o primeiro, fevereiro, o segundo, e assim por diante, a expressão algébrica que relaciona essas quantidades nesses meses é: a) y = 4.300x b) y = 884.905x c) y = 872.005 + 4.300x d) y = 876.305 + 4.300x e) y = 880.605 + 4.300x T03. (ENEM-2011) As frutas que antes se compravam por dúzias, hoje em dia, podem ser compradas por quilogramas, existindo também a variação dos preços de acordo com a época de produção. Considere que, independente da época ou variação de preço, certa fruta custa R$ 1,75 o quilograma. Dos gráficos a seguir, o que representa o preço m pago em reais pela compra de n quilogramas desse produto é a) b) c) d) e) - 152 - T04. Através de um estudo sobre o consumo de energia elétrica de uma fábrica, chegou-se à equação C = 400t, em que C e o consume em KWh e t é o tempo em dias. Quantos dias são necessários para que o consumo atinja 4.800 KWh a) 12 b) 14 c) 13 d) 15 e) 20 T05. O gráfico a seguir representa a posição y (em km) de um carro em movimento numa estrada, em função do tempo x (em horas). Determine a posição do carro no instante 7h. a) 90 km b) 105 km c) 110 km d) 120 km e) 150 km T06. Analisando a função f(x) = -3x – 5, podemos concluir que: a) O gráfico da função é crescente. b) O ponto onde a função corta o eixo y é (0, -5). c) x = 2 5 é zero da função. d) O gráfico da função é decrescente. e) A intersecção com o eixo y se dá no ponto (0, -3). T07. Dada a função real f(x) = 3x 5 3 , obtenha o valor de 86 8f6f : a) 6 b) 8 c) 5 6 d) 5 3 e) 5 6 T08. (ENEM-2012) As curvas de oferta e de demanda de um produto representam, respectivamente, as quantidades que vendedores e consumidores estão dispostos a comercializar em função do preço do produto. Em alguns casos, essas curvas podem ser representadas por retas. Suponha que as quantidades de oferta e de demanda de um produto sejam, respectivamente, representadas pelas equações: QO = -20 + 4P e QD = 46 – 2P, em que QO é a quantidade de oferta, QD é a quantidade de demanda e P é o preço do produto. A partir dessas equações, de oferta e de demanda, os economistas encontram o preço de equilíbrio de mercado, ou seja, quando QO e QD se igualam. Para a situação descrita, qual o valor do preço de equilíbrio a) 5 b) 11 c) 13 d) 23 e) 33 - 153 - T09. O gráfico da função f: R R, onde f(x) = (x – 2)2 – (x + 1)2 é melhor representado em: a) b) c) d) e) Respostas dos Testes: 01. B 02. C 03. E 04. A 05. B 06. D 07. D 08. B 09. E - 154 - Fórmula resolutiva para equações do 2º grau: , sendo que . 5.5. Função polinomial do 2º grau ou função quadrática 5.5.1. Definição É a função f dada por cbxaxy 2 , com Rx e onde a, b e c são números reais quaisquer, com a 0. 5.5.2. Pontos Notáveis da Parábola O gráfico da função quadrática é uma parábola que tem concavidade voltada para cima, caso a seja positivo, e concavidade voltada para baixo, caso a seja negativo. Alguns pontos da parábola indicam características importantes em muitas situações problemas, como vértice e raízes. 5.5.2.1. Os pontos de intersecção da parábola com o eixo x (se existirem) Os pontos de intersecção da parábola com o eixo x podem ser obtidos a partir da lei de formação da função, y = ax 2 + bx + c, atribuindo-se zero à variável y e resolvendo a equação polinomial do 2º grau ax 2 + bx + c = 0. Esta equação pode ser resolvida através da fórmula de Bháskara, quando completa, ou através dos procedimentos ainda mais simples, quando incompleta. Os valores decorrentes do processo de resolução são ditos raízes ou zeros da função. A partir das raízes resultantes da equação ax 2 + bx + c = 0, temos alguns casos a considerar: 1º Caso: > 0 implica em 2 raízes reais e distintas Se a equação ax 2 + bx + c = 0 tiver > 0, então ela terá duas raízes reais e distintas, ou seja, x1 x2. Assim, os pontos de intersecção da parábola com o eixo x são (x1, 0) e (x2, 0). Exemplo: Dada a função do 2º grau y = 2x2 – x – 1, para obtermos os pontos de intersecção da parábola com o eixo x, atribuímos zero à variável y e resolvemos a equação decorrente 2x 2 – x – 1 = 0. Temos que: a = 2, b = -1, c = -1 - 155 - 9 )1(24)1( ac4b 01xx2 2 2 2 5,0 2 1 x 1x 4 31 x 22 9)1( x a2 b x 2 1 Portanto, os pontos de intersecção da parábola com o eixo x serão (1, 0) e (-0,5; 0). Sabemos ainda que o coeficiente a = 2, o que implica que a concavidade da parábola seja para cima, gerando a curva apresentada na figura ao lado. 2º Caso: = 0 implica em 2 raízes reais e iguais Se a equação ax 2 + bx + c = 0 tiver = 0, então ela terá duas raízes reais e iguais, ou seja, x1 = x2. Assim, a parábola será tangente ao eixo x no ponto de abscissa x1 = x2. Exemplo: Dada a função do 2º grau y = -x 2 + 6x – 9, obter o ponto de intersecção da parábola com o eixo x, atribuindo zero à variável y e resolvendo a equação decorrente -x 2 + 6x – 9 = 0. Temos que: a = -1, b = 6, c = -9 0 )9()1(46 ac4b 09x6x 2 2 2 3xx 2 06 x )1(2 06 x a2 b x 21 O ponto de intersecção da parábola com o eixo x será (3, 0). Como o coeficiente a = -1, a concavidade da parábola será voltada para baixo, gerando a curva apresentada na figura ao lado. - 156 - 3º Caso: < 0 implica na inexistência de raízes reais Se a equação ax 2 + bx + c = 0 tiver < 0, então ela não terá raízes reais, ou seja, x1, x2 R. Assim, a parábola não terá ponto em comum com o eixo x. Exemplo: Dada a função do 2º grau y = -x 2 + 4x – 5, verificar a inexistência de raízes reais, atribuindo zero à variável y e resolvendo a equação decorrente -x 2 + 4x – 5 = 0. Temos que: a = -1; b = 4; c = -5 4 )5()1(44 ac4b 05x4x 2 2 2 Como < 0, não há raízes reais, o que significa que a parábola correspondente à função não tem ponto em comum com o eixo x. Sabemos ainda que o coeficiente a = -1 e que, portanto, a concavidade é voltada para baixo, resultando na curva apresentada na figura ao lado. O quadro abaixo sintetiza o estudo que fizemos sobre as raízes ou zeros da função polinomial do 2º grau. - 157 - 5.5.2.2. Os pontos de intersecção da parábola com o eixo y Para obtermos o ponto de intersecção da parábola com o eixo y a partir da função y = ax 2 + bx + c, basta atribuirmos zero à variável x: y = ax 2 + bx + c y = a02 + b0 + c y = c Portanto, o ponto de intersecção da parábola com o eixo y, possui coordenadas (0, c). Exemplo: Dada a função y = x 2 – 6x + 5, construa o gráfico da parábola, apresentando a(s) intersecção(ões) com eixo x e a intersecção com eixo y. Cálculo das raízes ou zeros da função: Temos que: a = 1; b = -6; c = 5 16 514)6( ac4b 05x6x 2 2 2 5x 1x 2 46 x 12 16)6( x a2 b x 2 1 Intersecção com eixo y: y = x2 – 6x + 5 y = 02 – 60 + 5 y = 5 G ra p e s 6 .7 1 - F re e w a re - 158 - Se o ponto V é vértice da parábola que representa graficamente a função do 2º grau f(x) = ax 2 + bx + c, com a < 0, então a abscissa do vértice V, , é o ponto de máximo e a ordenada do vértice V, , é o valor máximoda função f. 5.5.2.3. O vértice da parábola O vértice da parábola também é um ponto notável, pois determina valores de máximo, ou de mínimo, que expressam importantes informações acerca de uma determinada situação problema que seja descrita pela função polinomial do 2º grau. 5.5.3. Máximo ou Mínimo de uma Função do 2º Grau Na fabricação de um produto, busca-se sempre o custo mínimo de produção e o lucro máximo. Os conceitos de valor máximo e de valor mínimo, fundamentais na Engenharia, Economia, Administração, Física, etc., serão estudados neste item, especificamente para funções polinomiais do 2º grau. 5.5.3.1. Valor máximo de uma função do 2º grau Exemplo: A estrutura do lucro de uma pequena empresa pode ser estudada através da função definida por y = – x2 + 120x – 2000, sendo y o lucro em reais quando a empresa vende x unidades de determinado produto. Com base nisso, determine quantas unidades do produto devem ser produzidas para que a empresa atinja o lucro máximo e qual é esse lucro máximo. Resolução: unidades. 60 2 120 2 120 )1(2 120 a2 b x V 00,600.1 4 400.6 4 000.8400.14 )1(4 )2000()1(4120 a4 ac4b a4 y 22 V Assim, concluímos que devem ser fabricadas 60 unidades do produto para que o lucro seja máximo; e esse lucro é de R$ 1.600,00. Por se tratar de um ponto da parábola, o vértice fica determinado a partir da identificação de sua abscissa (xv) e de sua ordenada (yv), que podem ser calculadas da seguinte forma: - 159 - Se o ponto V é vértice da parábola que representa graficamente a função do 2º grau f(x) = ax 2 + bx + c, com a > 0, então a abscissa do vértice V, , é o ponto de mínimo e a ordenada do vértice V, , é o valor mínimo da função f. 5.5.3.2. Valor mínimo de uma função do 2º grau Exemplo: Em uma indústria de óleo comestível, o custo de produção y, por minuto, em função do número x de litros de óleo fabricados, por minuto, é dado por y = 2x 2 – 40x + 250. Quantos litros de óleo devem ser fabricados, por minuto, para que o custo de produção, por minuto, seja mínimo? E qual é esse custo? Resolução: minuto.por óleo de litros 10 4 40 22 40 a2 b xV 00,50 8 400 8 000.2600.1 24 25024)40( a4 ac4b a4 y 22 V Assim, concluímos que devem ser fabricados 10 litros de óleo por minuto para que o custo seja mínimo; e esse custo é de R$ 50,00. - 160 - Atividades de Aprendizagem Exercícios Teóricos E01. Esboce os gráficos das seguintes funções apresentando: Interseção com o eixo x; Interseção com o eixo y; Vértice; Análise de sinal da função. E02. O custo e a receita relativos a um determinado produto, fabricado por uma empresa, podem ser descritos pelo gráfico e pelas funções abaixo. Analisando-se a situação encontram-se duas situações de equilíbrio entre custo e receita. Baseando-se nas informações existentes, resolva as situações abaixo: a) Encontre a quantidade, o custo, a receita e o lucro para cada uma das situações dos pontos de nivelamento. b) Represente o intervalo de produção que garante a não existência de prejuízo. c) Determine a quantidade produzida que maximiza o lucro e o lucro máximo correspondente. E03. Sabe-se que, sob certo ângulo de tiro, a altura h atingida por uma bala, em metros, em função do tempo t, em segundos, é dada por h(t) = -20t 2 + 200t. Qual a altura máxima atingida pela bala? Em quanto tempo, após o tiro, a bala atinge a altura máxima? E04. O lucro (L) de uma empresa para certo produto é obtido através da função definida por L = – 2x2 + 2000x – 100 (x representa a quantidade do produto). Calcule quantas unidades desse produto são necessárias para se obter o lucro máximo possível. E05. O dono de uma marcenaria, que fabrica um certo tipo de armário, sabe que o número de armários N que ele pode fabricar por mês depende do número x de funcionários trabalhando na marcenaria, e essa dependência pode a) b) c) d) e) f) g) h) - 161 - ser representada matematicamente pela função N = x 2 + 2x. Qual é o número de empregados necessários para fabricar 168 armários em um mês? E06. A trajetória de um projétil lançado por um canhão, num local plano e horizontal, é dada pela função: A que distância do canhão caiu o projétil ? E07. Sabendo que o modelo funcional que descreve a receita R pela venda de uma quantidade q de um bem é dada pela equação R(q) = 10q – 2q2 e que o modelo que descreve o custo total do bem em função da quantidade produzida é C(q) = 2q + 2,50, determinar: a) Um modelo funcional que descreve o lucro pela produção e venda do produto, em função da quantidade produzida e comercializada. b) A quantidade vendida que torna o lucro máximo, e o correspondente valor do lucro. Respostas dos Exercícios Teóricos: E02. a) Ponto A: x = 10 R(x) = C(x) = 1300,00 Ponto B: x = 30 R(x) = C(x) = 1500,00 b) x (10, 30) c) x = 20 e L(x) = 400,00 E03. 500 metros em 5 segundos. E04. 500 unidades E05. 12 funcionários E06. 4 km E07. a) L(x) = -2q 2 + 8q – 2,5 b) x = 2; L(x) = 5,5 distância (km) altura (km) ● - 162 - Testes T01. A estrutura do lucro de uma pequena empresa pode ser estudada através da função definida por y = – x2 + 120x – 2000, sendo y o lucro em reais quando a empresa vende x unidades de determinado produto. Com base nisso, pode-se afirmar que: a) o lucro é máximo quando x = 60 unidades; b) o lucro é máximo quando x = 1.600 unidades; c) o lucro é máximo quando x = 20 ou x = 100; d) o lucro é máximo quando x > 2000; e) o lucro é máximo quando x = 2000. T02. (ANGLO) O vértice da parábola y = 2x2 – 4x + 5 é o ponto de coordenadas: a) (2, 5) b) 11,1 c) (-1, 11) d) 3,1 e) (1, 3) T03. (ANGLO) A função f(x) = x2 – 4x + k tem o valor mínimo igual a 8. O valor de k é: a) 8 b) 10 c) 12 d) 14 e) 16 T04. (ANGLO) Se o vértice da parábola dada por y = x2 – 4x + m é o ponto (2, 5), então o valor de m é: a) 0 b) 5 c) -5 d) 9 e) -9 T05. (VUNESP) A parábola de equação y = ax2, passa pelo vértice da parábola y = 4x – x2. Ache o valor de a: a) 1 b) 2 c) 3 d) -1 e) NDA T06. (METODISTA) O valor mínimo da função f(x) = x2 – kx + 15 é -1. O valor de k, sabendo que k < 0, é: a) -10 b) -8 c) -6 d) 2 1 e) 8 1 T07. (ANGLO) A parábola definida por y = x2 + mx + 9 será tangente aos eixos das abscissas se, e somente se: a) m = 6 b) -6 < m < 6 c) 6m6 d) 6m e) 6m T08. (ANGLO) Considere a parábola de equação y = x2 – 4x + m. Para que a abscissa e a ordenada do vértice dessa parábola sejam iguais, então m deve ser igual a: a) -14 b) -10 c) 2 d) 4 e) 6 - 163 - T09. (VUNESP) O gráfico da função quadrática definida por y = x2 – mx + (m – 1), onde m R, tem um único ponto em comumcom o eixo das abscissas. Então, o valor de y que essa função associa a x = 2 é: a) -2 b) -1 c) 0 d) 1 e) 2 T10. (UFPE) Planeja-se construir duas estradas em uma região plana. Colocando coordenadas cartesianas na região, as estradas ficam representadas pelas partes dos gráficos da parábola y = -x 2 + 10x e da reta y = 4x + 5, com 2 x 8. Qual a soma das coordenadas do ponto representando a interseção das estradas? a) 20 b) 25 c) 30 d) 35 e) 40 T11. (FATEC) A distância do vértice da parábola y= -x2 + 8x – 17 ao eixo das abscissas é: a) 1 b) 4 c) 8 d) 17 e) 34 T12. (MACK) O gráfico da função real definida por y = x2 + mx + (15 – m) tangencia o eixo das abscissas e corta o eixo das ordenadas no ponto (0, k). Se a abscissa do vértice da parábola é negativa, k vale: a) 25 b) 18 c) 12 d) 9 e) 6 T13. (FUVEST) Os pontos (0, 0) e (2, 1) estão no gráfico de uma função quadrática f. O mínimo de f é assumido no ponto de abscissa x = 4 1 . Logo, o valor de f(1) é: a) 10 1 b) 10 2 c) 10 3 d) 10 4 e) 10 5 T14. (FATEC) O gráfico de uma função f, do segundo grau, corta o eixo das abscissas para x = 1 e x = 5. O ponto de máximo de f coincide com o ponto de mínimo da função g: R R, definida por g(x) = 6x 3 4 x 9 2 2 . A função f pode ser definida por: a) –x2 + 6x + 5 b) –x2 – 6x + 5 c) –x2 – 6x – 5 d) –x2 + 6x – 5 e) x2 – 6x + 5 T15. (UFPE) O gráfico da função quadrática y = ax² + bx + c, x real, é simétrico ao gráfico da parábola y = 2 – x² com relação à reta de equação cartesiana y = -2. Determine o valor de 8a + b + c. a) -4 b) 2 1 c) 2 d) 1 e) 4 T16. (UEL) A função real f, de variável real, dada por f(x) = -x² + 12x + 20, tem um valor: - 164 - a) mínimo, igual a -16, para x = 6. b) mínimo, igual a 16, para x = -12. c) máximo, igual a 56, para x = 6. d) máximo, igual a 72, para x = 12. e) máximo, igual a 240, para x = 20. T17. (UFMG) Nessa figura, está representada a parábola de vértice V, gráfico da função de segundo grau cuja expressão é: a) x2 5 x y 2 b) x10xy 2 c) x10xy 2 d) x10 5 x y 2 e) x10 5 x y 2 T18. (UFMG) A função f(x) do segundo grau tem raízes -3 e 1. A ordenada do vértice da parábola, gráfico de f(x), é igual a 8. A única afirmativa verdadeira sobre f(x) é: a) )3x)(1x(2y b) )3x)(1x(y c) )3x)(1x(2y d) )3x)(1x(y e) )3x)(1x(2y T19. (MACK) Se a função real definida por f(x) = –x² + (4 – k²) possui um máximo positivo, então a soma dos possíveis valores inteiros do real k é: a) -2 b) -1 c) 0 d) 1 e) 2 T20. (FGV) A função f, de R em R, dada por f(x) = ax² – 4x + a tem um valor máximo e admite duas raízes reais e iguais. Nessas condições, f(-2) é igual a: a) 4 b) 2 c) 0 d) 2 1 e) -2 - 165 - T21. (UFPE) O gráfico da função y =ax² + bx + c é a parábola da figura a seguir. Os valores de a, b e c são, respectivamente: a) 1, -6 e 0 b) -5, 30 e 0 c) -1, 3 e 0 d) -1, 6 e 0 e) -2, 9 e 0 T22. (UFSC) A figura a seguir representa o gráfico de uma parábola cujo vértice é o ponto V. A equação da reta r é: a) y = -2x + 2 b) y = x + 2 c) y = 2x + 1 d) y = 2x + 2 e) y = -2x – 2 T23. (FUVEST) O gráfico de f(x) = x² + bx +c, onde b e c são constantes, passa pelos pontos (0, 0) e (1, 2). Então 3 2 f vale: a) 9 2 b) 9 2 c) 4 1 d) 4 1 e) 4 T24. (PUCMG) Na parábola y = 2x² – (m – 3)x + 5, o vértice tem abscissa 1. A ordenada do vértice é: a) 3 b) 4 c) 5 d) 6 e) 7 T25. (UFMG) O ponto de coordenadas (3, 4) pertence à parábola de equação y = ax² + bx + 4. A abscissa do vértice dessa parábola é: a) 2 1 b) 1 c) 2 3 d) 2 e) 0 T26. (UEL) Uma função f, do 2grau, admite as raízes -1/3 e 2 e seu gráfico intercepta o eixo y no ponto (0; -4). É correto afirmar que o valor: a) mínimo de f é 6 5 . b) máximo de f é 6 5 . - 166 - c) mínimo de f é 3 13 . d) máximo de f é 9 49 . e) mínimo de f é 6 49 . T27. (CESGRANRIO) O ponto de maior ordenada, pertencente ao gráfico da função real definida por f(x) = (2x – 1)(3 – x), é o par ordenado (a, b). Então a - b é igual a: a) 8 39 b) 8 11 c) 8 3 d) 8 11 e) 8 39 T28. (UEL) Seja x um número real estritamente positivo. Sejam as funções f e g tais que f associa a cada x o comprimento da circunferência de raio x centímetros e g associa a cada x a área do círculo de raio x centímetros. Nessas condições, é verdade que: a) f(x) > g(x) para 0 < x < 2. b) f(x) = g(x) para x = 4. c) g(x) > f(x) para 0 < x < 1. d) f(x) > g(x) para x > 10. e) f(x) > g(x) para qualquer valor de x. T29. (PUCCAMP) A soma e o produto das raízes de uma função do 2 grau são, respectivamente, 6 e 5. Se o valor mínimo dessa função é -4, então seu vértice é o ponto: a) (3, -4) b) 4, 2 11 c) (0, -4) d) (-4, 3) e) (-4, 6) T30. (PUCRIO) O número de pontos de intersecção das duas parábolas y = x² e y = 2x² – 1 é: a) 0 b) 1 c) 2 d) 3 e) 4 T31. (UFV) O gráfico da função real f definida por f(x) = ax² + bx + c, com a < 0, passa pelos pontos (-1, 10) e (0, 5). Logo o conjunto de todos os valores possíveis de b é: a) {b IR | b -4} b) {b IR | b < -5} c) {b IR | b -3} d) {b IR | b -2} e) {b IR | b -1} - 167 - T32. (UFMG) Nessa figura, estão representados os gráficos das funções 2 x )x(f 2 e 5x3)x(g . Considere os segmentos paralelos ao eixo y, com uma das extremidades sobre o gráfico da função f e a outra extremidade sobre o gráfico da função g. Entre esses segmentos, seja S o que tem o menor comprimento. Assim sendo, o comprimento do segmento S é: a) 2 1 b) 4 3 c) 1 d) 4 5 e) 8 7 T33. (UNIFESP) O gráfico da função f(x) = ax² + bx + c (a, b, c números reais) contém os pontos (-1, -1), (0, -3) e (1, -1). O valor de b é: a) -2 b) -1 c) 0 d) 1 e) 2 T34. (PUCCAMP) Considere a função dada por y = 3t² – 6t + 24, na qual y representa a altura, em metros, de um móvel, no instante t, em segundos. O valor mínimo dessa função ocorre para t igual a: a) -2 b) -1 c) 0 d) 1 e) 2 T35. (PUCCAMP) Considere a função dada por y = 3t² – 6t + 24, na qual y representa a altura, em metros, de um móvel, no instante t, em segundos. O ponto de mínimo da função corresponde ao instante em que: a) a velocidade do móvel é nula. b) a velocidade assume valor máximo. c) a aceleração é nula. d) a aceleração assume valor máximo. e) o móvel se encontra no ponto mais distante da origem. T36. (PUCPR) O gráfico da função definida por f(x) = x² + bx + 7 8 cos , x R: a) intercepta o eixo das abscissas em exatamente 2 pontos positivos. b) intercepta o eixo das abscissas em exatamente 2 pontos negativos. c) intercepta o eixo das abscissas em 2 pontos de sinais diferentes.d) intercepta o eixo das abscissas na origem. e) não intercepta o eixo das abscissas. - 168 - T37. (UFAL) O gráfico da função quadrática definida por f(x) = 4x² + 5x + 1 é uma parábola de vértice V e intercepta o eixo das abscissas nos pontos A e B. A área do triângulo AVB é: a) 8 27 b) 16 27 c) 32 27 d) 64 27 e) 128 27 T38. (UFES) O gráfico da função y = x2 – 1 é transladado de 3 unidades na direção e sentido do eixo x e de 1 unidade na direção e sentido do eixo y. Em seguida, é refletido em torno do eixo x. A figura resultante é o gráfico da função: a) y = – (x + 3)² b) y = –(x – 3)² c) y = –(x + 3)² – 2 d) y = (x – 3)² – 2 e) y = (x + 3)² T39. (PUCPR) O gráfico de uma função do segundo grau tem seu eixo de simetria na reta x = 3, tem uma raiz igual a 1 e corta o eixo dos y em y = 25, então seu conjunto imagem é: a) [-20, [ b) [20, [ c) ]- , -20] d) ]- , 20] e) ]- , 25] T40. (UFMG) O intervalo no qual a função f(x) = x2 – 6x + 5 é crescente é: a) x < 5 b) 1 < x < 5 c) x > 1 d) x > 3 e) x < 3 T41. (UFSM) A parábola P representada na figura é o gráfico de uma função quadrática f. Se y = g(x) for outra função quadrática cujas raízes sejam as mesmas de f e se o vértice do gráfico dessa g for simétrico ao vértice de P com relação ao eixo 0x, então g(-1) vale: a) -8 b) -6 c) 0 d) 6 e) 8 T42. (MACK) Se a figura mostra o esboço do gráfico de f(x)= ax² + 2bx + c, então os números a, b e c sempre são: a) nessa ordem, termos de uma PA; b) nessa ordem, termos de uma PG; c) números inteiros; d) tais que a < b < c; e) tais que a > b > c. - 169 - Resposta dos Testes: T01. A T15. C T29. A T02. E T16. C T30. C T03. C T17. A T31. B T04. D T18. A T32. A T05. A T19. C T33. C T06. B T20. E T34. D T07. A T21. D T35. A T08. E T22. D T36. C T09. D T23. A T37. E T10. C T24. A T38. B T11. A T25. C T39. A T12. D T26. E T40. D T13. C T27. B T41. A T14. D T28. A T42. B - 170 - REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS BARROSO, Juliane Matsubara et al. Matemática: construção e significado. São Paulo: Moderna, 2008. BIANCHINI, Edwaldo; PACCOLA, Herval. Curso de Matemática. Vol. Único. 3ª Ed. São Paulo: Moderna, 2003. ___________________________________. Matemática. Vol. 1. São Paulo: Moderna, 2004. DANTE, Luiz Roberto. Matemática. Vol. 1, São Paulo: Ática, 1999. __________________. Matemática. Vol. 1, São Paulo: Ática, 2005. GOLDSTEIN, Larry J.; LAY, David C.; SCHNEIDER, David I. Matemática Aplicada: Economia, Administração e Contabilidade. 8ª Ed. Porto Alegre: Bookman, 2000. GRAPES 6.71 pt. GRAph Presentation & Experiment System. Desenvolvedor: KATSUHISA, Tomoda com apoio de ISODA, Masami; BALDIN, Yuriko Yamamoto; YAHARA, Hiroki. (Software Freeware) Disponível para download em: <http://www.baixaki.com.br/download/grapes.htm>. Acesso em 01.08.2016. HOFFMANN, Laurence D.; BRADLEY, Gerald L. Cálculo: um curso moderno e suas aplicações. 7ª Ed. Rio de Janeiro: LTC, 2002. LEITHOLD, Louis. Matemática aplicada à economia e administração. São Paulo: Harbra, 1988. Tradução Cyro de Carvalho Patarra. MORETTIN, Pedro A.; HAZZAN, Samuel; BUSSAB, Wilton de O. Cálculo: funções de uma e várias variáveis. São Paulo: Saraiva, 2003. PAIVA, Manoel. Matemática. Vol. 1. São Paulo: Moderna, 2000. _____________. Matemática. São Paulo: Moderna, 2002.