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EXERCÍCIOS DE APOIO Exercício 1 A potencia instantânea de uma força F que puxa um objeto com velocidade constante v, é expressa por Pot = F. 𝑣𝑣 . Qual a formula dimensional de “potência” e como ela é expressa em unidades de base do Sistema Internacional de Unidades? Exercício 2 No referencial cartesiano plano (figura abaixo) desenha-se uma poligonal (aberta) ABCD. No referencial cartesiano a coordenada x também é denominada “abscissa” e a coordenada y é conhecida como “ordenada”. A forma sintética de escrever um ponto no plano é P(x;y). Assim, a expressão C(80 cm; 20 cm) está a indicar que a abscissa de C é x=80 cm e a respectiva ordenada é y = 20 cm. a) Escreva, na forma sintética, as coordenadas dos pontos A, B e D? b) Agora, qual o comprimento dos segmentos BC e DC ? c) Agora, qual o comprimento do segmento AB? Sugestão: considere o triangulo retângulo ABH esquematizado e aplique o Teorema de Pitágoras. d) Qual o comprimento da poligonal ABCD? Exercício 3 A superfície de um campo de futebol é um retângulo de 110x70 m. As marcações das linhas internas são simétricas e os eixos Ox e Oy coincidem com os eixos de simetria que dividem a área em 4 partes iguais. Num determinado momento de um jogo, um massagista realiza uma corrida em linha reta; ele parte do ponto E para atingir o ponto i. São fornecidas as coordenadas dos pontos A, H e D e o referencial cartesiano adotado com origem no centro do campo. Qual a distância percorrida pelo massagista? Exercício 4 A estrutura prismática retangular tem altura h = GC = 30 cm; a espessura FE = 20 cm e o comprimento BC = 40 cm. Considere o referencial cartesiano tridimensional adotado com origem no vértice H. a) Quais as coordenadas 𝑥𝑥𝐵𝐵, 𝑦𝑦𝐵𝐵 e 𝑧𝑧𝐵𝐵 do vértice B? b) Qual o comprimento da diagonal BH? Exercício 5 O gráfico representa os espaços “y” (alturas) que um projétil ocupa no decorrer do tempo “t” cuja equação horária é y(t) = 600t – 5t² (s; m). a. O movimento é progressivo? Retrógrado? b. Determine a equação horária da velocidade. c. Calcule a aceleração do projétil d. Qual a velocidade do projétil no instante em que ele atinge a altura máxima Exercício 6 Considere os pontos em evidência no plano cartesiano/polar. Representar os pontos A, B, C, D, E G em coordenadas cartesianas e em coordenadas polares. Exercício 7 A “velocidade escalar instantânea” (símbolo: �̅�𝑣) é definido como �̅�𝑣 = lim ∆𝑡𝑡→0 ∆𝑠𝑠 ∆𝑡𝑡⁄ = 𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑑𝑑𝑡𝑡 . As coordenadas espaços que descrevem o movimento de uma partícula são expressas pela função polinomial horária s(t) = 20 – 40t + 4t² (SI). A expressão (SI) – Sistema Internacional de Unidades – indica que as coordenadas espaço são mensuradas em “metro” (m) e os instantes de tempo em “segundos” (s). a) Qual a função que descreve a velocidade escalar instantânea da partícula? b) Qual a velocidade escalar instantânea da partícula para t = 2 s ? c) Em que instante a velocidade escalar instantânea da partícula é nula? Exercício 8 As funções horárias das coordenadas espaço que descrevem os movimentos simultâneos de dois ciclistas A e B (considerados como pontos materiais) que “correm” ao longo de um trecho de uma ciclovia são: sA (t) = - 20 + 4.t (SI) e sB (t) = 10- 2t (SI). a) Determinar as coordenadas de cada ciclista no instante t = 0. b) Determinar as velocidades acelerações escalares instantâneas de cada ciclista. c) Em certo momento um A passa por B em sentidos opostos. Onde este fato ocorre e em que instante de tempo? d) Esboçar num mesmo diagrama cartesiano “coordenada espaço x tempo” os gráficos das respectivas coordenadas espaços. Exercício 9 A equação horária das coordenadas espaço, s(t) = 2t²+10.t + 20 (SI), descreve o movimento de uma partícula ao longo de trajetória curvilínea. Determinar as equações horárias da velocidade e da aceleração (escalares instantâneas). Exercício 10 O velocímetro digital de um carro registra 108 km/h (30 m/s) quando, a 126 m de um posto policial, o motorista aciona os freios que introduz uma aceleração escalar constante 𝑎𝑎� = - 3 m/s². Adotar a origem das coordenadas espaços na posição em que os freios foram acionados. a) Escrever a equação horária da velocidade escalar instantânea do veículo. b) Escrever a equação horária das coordenadas espaços do movimento. c) Calcular a velocidade escalar do carro ao passar pelo posto policial. Exercício 11 O gráfico representa a variação da velocidade escalar de uma partícula. a) Em quais intervalos de tempo a aceleração escalar é nula? E em quais ela é diferente de zero? b) Em quais intervalos de tempo a velocidade da partícula é nula? C) Em qual intervalo de tempo o movimento da partícula é progressivo? Exercício 12 Dois motociclistas seguem em trajetórias paralelas por uma rodovia. As funções horárias da posição de cada moto são: 𝑠𝑠𝐴𝐴 = 92 + 15t + 2t² (s; m) e 𝑠𝑠𝐵𝐵 = 60 + 35.t (s; m);. a) Em que instante t a distância entre eles é de 32 metros? Qual das motos está na frente? b) Em que instante e em qual posição a moto B ultrapassa A? Exercício 13 Um carro trafega em uma rodovia plana. No instante em que o velocímetro digital registra 72 km/h, o motorista pisa no acelerador imprimindo no carro uma aceleração constante a = 0,6 m/s² até que o velocímetro registre 144 km/h, o dobro da velocidade inicial. a) Durante quanto tempo o carro se manteve acelerado? b) Qual o percurso durante o intervalo de tempo em que o carro foi acelerado? Exercício 14 Na posição indicada no referencial, o motorista de um automóvel pisa violentamente nos freios quando o velocímetro acusa 90 km/h. Por defeito mecânico a desaceleração a qual o carro ficou submetido até parar foi de apenas |�⃗�𝑎| = 0,5 m/s² .. a) Escreva a função horária da velocidade e do espaço em função do tempo. b) Qual o espaço percorrido pelo automóvel, desde o instante em que os freios foram acionados até parar? GABARITO Exercício 1 27) [𝜏𝜏] = [𝑀𝑀𝐿𝐿2𝑇𝑇−2]; Unid(𝜏𝜏)SI = kg.m².𝑠𝑠−2 = N.m 28) [𝑃𝑃𝑃𝑃𝑡𝑡] = dimensão de força x dimensão de velocidade = [𝑀𝑀𝐿𝐿𝑇𝑇−2] x [𝐿𝐿𝑇𝑇−1] = [𝑀𝑀𝐿𝐿2𝑇𝑇−3]; Unid(𝑃𝑃𝑃𝑃𝑡𝑡)SI = kg.m².𝑠𝑠−3 = watt, símbolo W. Exercício 2 a) A(-30 cm;-40 cm); B(50cm;20cm); D(80cm;-20cm). b) BC = ∆x =(xC-xB) = 30cm; DC = ∆y = (yC-yD) = 40 cm. c) A expressão geral para a distância entre dois pontos A(𝑥𝑥𝐴𝐴;𝑦𝑦𝐴𝐴) e B(𝑥𝑥𝐵𝐵;𝑦𝑦𝐵𝐵) no referencial cartesiano, é D = + �(𝑥𝑥𝐵𝐵 − 𝑥𝑥𝐴𝐴 )2 + ( 𝑦𝑦𝐵𝐵 − 𝑦𝑦𝐴𝐴 )2 = �(50 − ( −30) )2 + ( 20 − (−40) )2 = 100 cm. d) 170 cm. Exercício 3 A distância Ei pode ser determinada por 𝐷𝐷𝐸𝐸𝐸𝐸 = �( 𝑥𝑥𝐸𝐸 − 𝑥𝑥𝐸𝐸)2 + (𝑦𝑦𝐸𝐸 − 𝑦𝑦𝐸𝐸 )2. O eixo Ox divide o campo em duas partes iguais; assim, BE = ED =AF = FC = BD/2 = 55 m pois BD = 110 m. O eixo 0y divide a largura do campo em duas regiões iguais; assim, OE = OF = AB/2 = 70/2 = 35 m. A origem do sistema de coordenadas adotado coincide com o centro do campo. Assim, as coordenadas do ponto E são 𝑥𝑥𝐸𝐸 = 35 m e 𝑦𝑦𝐸𝐸 = 0, ou seja, E(35m;0). O ponto G é simétrico, em relação ao eixo 0y, ao ponto H(20m;-40m); infere-se que 𝑦𝑦𝐺𝐺= 𝑦𝑦𝐻𝐻 e 𝑥𝑥𝐺𝐺 = -𝑥𝑥𝐻𝐻. Assim, G(-20m;-40m).Sendo o ponto i simétrico, em relação ao eixo 0x, do ponto G, escreve i(-20m;+40m). Portanto, 𝐷𝐷𝐸𝐸𝐸𝐸 = �( 𝑥𝑥𝐸𝐸 − 𝑥𝑥𝐸𝐸)2 + (𝑦𝑦𝐸𝐸 − 𝑦𝑦𝐸𝐸 )2. = �[(−20) − (35)]2 + [(+40) − (0 )]2. ≅ 68 m. O massagista corre 68m em linha reta. Exercício 4 a) • O plano que contem os eixos z e y é o mesmo que contem o plano ADHF e, sendo H a origem do referencialcartesiano, TODOS os pontos da superfície do plano ADFH têm coordenadas x = 0, ou seja, 𝑥𝑥𝐴𝐴 = 𝑥𝑥𝐷𝐷 = 𝑥𝑥𝐹𝐹 = 𝑥𝑥𝐻𝐻 = 0. • O plano BCGE é paralelo ao plano ADHF, ou seja, paralelo ao plano definido pelos eixos z e y. A distância HG = FE = 20 m separa o plano BCGE do plano zy, porém situado na região onde as coordenadas x são negativas; portanto, 𝑥𝑥𝐵𝐵 = 𝑥𝑥𝐶𝐶 = 𝑥𝑥𝐺𝐺 = 𝑥𝑥𝐸𝐸 = - 20 cm. • O plano DCGH pertence ao plano xz e passa pela origem; logo, todos os pontos deste plano têm coordenadas iguais a y = 0. Assim, 𝑦𝑦𝐷𝐷 = 𝑦𝑦𝐶𝐶 = 𝑦𝑦𝐺𝐺= 𝑦𝑦𝐻𝐻 = 0 . • O plano ABFE é paralelo ao plano DCGH; a distância entre eles é FH = EG =AD =BC = 40 cm, porém, como ele situa na região onde pontos têm coordenadas y < 0. Logo, 𝑦𝑦𝐴𝐴 = 𝑦𝑦𝐵𝐵 = 𝑦𝑦𝐺𝐺 = 𝑦𝑦𝐸𝐸 = - 40 cm. • Finalmente, os pontos do plano ABCD têm coordenadas z = 30 cm, ou seja, 𝑧𝑧𝐴𝐴.= 𝑧𝑧𝐵𝐵 = 𝑧𝑧𝐶𝐶 = 𝑧𝑧𝐷𝐷 = 30 cm. As coordenadas do vértice B são 𝑥𝑥𝐵𝐵 = - 20 cm; 𝑦𝑦𝐵𝐵 = -40 cm e 𝑧𝑧𝐵𝐵 = 30 cm, logo, escreve-se B(- 20cm; - 40 cm; 30 cm). b) A diagonal BH é a hipotenusa do triângulo retângulo de catetos EH = �[(𝑥𝑥𝐻𝐻 − 𝑥𝑥𝐸𝐸)]2 + [(𝑦𝑦𝐻𝐻)−(𝑦𝑦𝐸𝐸)]2 e EB = �[(𝑧𝑧𝐻𝐻 − 𝑧𝑧𝐵𝐵)]2 . Assim, (BH)² = (EH)² + (EB)² = [(𝑥𝑥𝐻𝐻 − 𝑥𝑥𝐸𝐸)]2 + [(𝑦𝑦𝐻𝐻)−(𝑦𝑦𝐸𝐸)]2 + [(𝑧𝑧𝐻𝐻 − 𝑧𝑧𝐵𝐵)]2, ou seja, BH =+ �[(𝑥𝑥𝐻𝐻 − 𝑥𝑥𝐸𝐸)]2 + [(𝑦𝑦𝐻𝐻)−(𝑦𝑦𝐸𝐸)]2 + [(𝑧𝑧𝐻𝐻 − 𝑧𝑧𝐵𝐵)]2 que é a expressão que permite calcular a distância entre dois pontos num sistema de coordenadas cartesianos no espaço. Substituindo-se os valores das coordenadas envolvidas resulta BH = + 10√29 ≅ 53,9 cm. Exercício 5 Item a: Para 0 t 60 s, o movimento é progressivo, pois o projetil ocupa posições de y de valores crescente. No intervalo 60 s t 120 s, o movimento é retrogrado em relação ao referencial adotado, pois o projétil passa a ocupar posições de y decrescente Item b: v(t) = = = 600 – 10.t .Portanto: v(t) = 600 -10.t (s; m). Item c: a(t) = = = - 10 m/s² . Portanto: a(t) = - 10 m/s² ( constante) Item d: Conforme o gráfico, em t = 60 s o projétil atinge a altura máxima, pois neste ponto, o movimento inverte de sentido. Então: = 600 – 10(60) = 0 e = 600(60) – 5(60)² = 18.000 m Exercício 6 Ponto Coordenadas Cartesianas ( em m) Coordenadas polares = ( em m); = arctan(y/x) ( em °) A 30; 0 = 30 m ; = 0° + N.360° com N = 0,1,2,3... (*) B -20; 20 = 20 m ; = 135° + N.360 com N = 1,2,3,.. C 0; 40 =40 m ; = 90° + N.360 com N = 1,2,3,.. D 0; -10 = 10 m ; = 270° + N.360 com N = 1,2,3,.. E 30; 40 = 50 m ; = 53,13° + N.360 com N = 1,2,3,.. F 40;-30 = 50 m ; = 323,16° + N.360 com N = 1,2,3,.. A variável angular ( ou azimute polar) pode assumir infinitos valores. Vejamos: A coordenada angular ou azimute polar associado a uma coordenada radial pode assumir infinitos valores. Vejamos. Vamos concentrar no ponto B • = = = 20 m é a distância do polo 0 até o ponto B ( coordenada radial). • = arctan( ) = arctan(-1) = 135° + N.360°. Para N=0, o azimute polar será = 135° ( tan 135° = -1). Para N=1, = 135°+(1)360° = 495°, cuja tangente é tan(495°) = -1 e assim por diante. (*) tan[0°+(0)360°] = tan[0°+(1).360°] = tan[0°+(2).360°] = tan[0°+ (3).360°]......tan(0°+N.360°); assim, a coordenada angular ou azimute polar, pode assumir infinitos valores. Se o caso geral não for solicitado expressamente, a coordenada angular pode ser expressa para N = 0. Exercício 7 a) �̅�𝑣 (t) = 𝑑𝑑𝑠𝑠(𝑡𝑡) 𝑑𝑑𝑡𝑡⁄ = 𝑑𝑑( 20 − 40𝑡𝑡 + 4𝑡𝑡2) 𝑑𝑑𝑡𝑡⁄ = 𝑑𝑑(20) 𝑑𝑑𝑡𝑡⁄ + 𝑑𝑑(−40𝑡𝑡) 𝑑𝑑𝑡𝑡⁄ + 𝑑𝑑(4𝑡𝑡2) 𝑑𝑑𝑡𝑡⁄ �̅�𝑣(t) = 0 – 40 + 8t = - 40 + 8t (SI) b) Para t = 2 s → �̅�𝑣 = - 40 + 8(0) = - 40 m/s. O sinal algébrico negativo indica que o movimento é retrogrado, ou seja, ocorre no sentido de coordenadas espaços maiores para menores. Se a partícula tivesse um “velocímetro”, este marcaria + 40 m/s. c) Para �̅�𝑣 = 0 → 0 = - 40 + 8t donde t = 40 8⁄ = 5 s. Exercício 8 a) sA(t=0) = - 20 m; sB(t=0) = 10 m b) �̅�𝑣A (t) = 4 m/s e 𝑎𝑎�A (t) = 0 ; �̅�𝑣B (t) = - 2 m/s e 𝑎𝑎�B (t) = 0. Os movimentos dos ciclistas são ditos serem uniformes, pois têm acelerações escalares nulas (e consequentemente, velocidades escalares constantes). O movimento de A é progressivo e o de B é retrogrado. c) Os ciclistas movem-se em sentidos opostos em uma mesma ciclovia. Quando se cruzam eles passam por um ponto de coordenada espaço comum, ou seja, sA(t) = sB(t). Assim, igualando-se as duas equações horárias do espaço, determina-se o instante de tempo t e, conhecido t, determina-se a coordenada espaço comum. Assim, - 20 + 4.t = 10 - 2t → t = 5 s. Substituindo t = 5 s em sA (t) = - 20 + 4.t, obtém- se sA (t= 5 s) = - 20 + 4 (5) = 0 . O mesmo resultado se obtém por meio de e sB (t=5s) = 10- 2(5s) = 0. Em resumo, o ciclista A cruza com o ciclista B no instante t = 5s na origem das coordenadas espaços. d) Esboço gráfico: variação das coordenadas espaços de cada ciclista. Os movimentos sendo uniformes, os gráficos das funções horárias das coordenadas espaços são retilíneos. O ciclista A tem movimento progressivo e o ciclista B, movimento retrógrado. Eles se cruzam no instante t = 5 s quando passam (simultaneamente) na origem. IMPORTANTE. Em virtude de a aceleração escalar instantânea ser nula, a velocidade escalar instante é invariável ou constante. Como consequência, os gráficos das funções horárias das coordenadas espaço são lineares, ou seja, são equações do tipo s(t) = sO + vO.t onde vO indica velocidade constante. Exercício 9 a) �̅�𝑣 (t) = 4t² + 10 (s; m/s) e 𝑎𝑎�(t) = 4 m/s² (constante b) Esboçar os gráficos das coordenadas espaço, da velocidade e da aceleração. IMPORTANTE: Analisemos os gráficos a partir da aceleração. 1) A aceleração escalar do movimento é 𝑎𝑎�(t) = 4 m/s² ( invariável com o tempo). Neste caso, o gráfico da aceleração em função do tempo é retilíneo e paralelo ao eixo dos tempos e cruza o eixo das acelerações num determinado ponto (valor da aceleração). 2) Quando a aceleração escalar for constante (como no caso) a velocidade varia linearmente ( o seu módulo aumenta ou diminui com o tempo). No caso, o módulo da velocidade escalar instantânea está a aumentar com o tempo. O gráfico é retilíneo, porem, inclinado em relação ao eixo dos tempos. No caso da aceleração ser positiva, o ângulo de inclinação situa-se entre 0 e 90°. A equação horária da velocidade é do tipo v(t) = vO + a0.t. O coeficiente angular corresponde à aceleração escalar aO, constante e o coeficiente linear ( ponto onde o gráfico retilíneo cruza o eixo das velocidades), corresponde à velocidade escalar no instante t = 0, ou seja, vO. 3) O gráfico da equação horária das coordenadas espaço é do tipo s(t) = sO + vO.t + (1/2).aO.t² que corresponde a uma parábola ou um setor dela. Exercício 10 a) 𝒂𝒂�(t) = - 3 m/s² é a aceleração escalar invariável com o tempo que anima o movimento do carro. No instante t = 0 ( motorista pisa nos freios) a velocidade escalar é �̅�𝑣O = 30 m/s. Assim, com as informações da atividade 12, pode-se escrever: 𝒗𝒗� (t) = 30 – 3.t ( s; m/s). b) No instante t = 0 tem-se as seguintes informações: 𝑎𝑎�(t = 0) = - 3 m/s²; �̅�𝑣O = 30 m/s e sO = 0. Assim, a equação horária das coordenadas espaços é: s(t) = 0 + 30.t – (3/2).t² ( s;m). c) Para calcular a velocidade quando o carro passa pelo posto policial devemos conhecer o instante de tempo em que este evento ocorre. Para tal devemos recorrer à equação horária das coordenadas espaços, uma vez que a posição do postopolicial é previamente conhecida, ou seja, s = 126 m (informação do enunciado da situação problema). Assim, 126 = 0 +30.t – (3/2).t². Multiplicando-se todos os termos por (2/3) pode-se escrever: t² - 20.t + 84 = 0. Extraindo-se as raízes, obtém-se t’ = 6 s e t” = 14 s. Qual escolher se fisicamente só existe uma solução? No instante t = t’ = 6 s a velocidade do carro é v(t=6s) = 30 – 3(6) = 12 m/s ( ≅43 𝑘𝑘𝑘𝑘/ℎ) portanto em t = 6 s o carro passa pelo posto policial. Para t = t” = 10 s, a velocidade do carro é v(t = 10s) = 30 – 3(10) = 0 e neste instante, a coordenada espaço é s(t=10s) = 30(10) – (3/2)(10)² = 150 m. Ou seja, a aceleração negativa impressa no carro pela ação dos freios, faz com que o carro execute um MOVIMENTO UNIFORMEMENTE RETARDADO ( velocidades de modulo decrescente). A velocidade é nula em t = 14s o que implica que o carro parou. Parou na coordenada espaço s = 150 m ( 24 m além do posto policial). Considerando um movimento teórico, que dizer, que o carro parasse momentaneamente, mas retornasse sob ação da aceleração negativa de 3 m/s², ele passaria a executar um movimento retrogrado acelerado e no instante t = 14 s ele passaria pelo posto policial com velocidade 12 m/s. Exercício 11 a1) a= 0 para t : 0 0,8s; 0,8 2,0s ; 2,8 4,0s e ) 4,0 4,8s a2) a 0 para t: 2 2,8s e a = - 5 m/s² b) Nos intervalos 1) 0 0,8s; 2) 4,0 4,8s a velocidade é nula (partícula em repouso). c) Para 2,0 s Exercício 12 a) Nos instantes t = 0 e t = 10 s. Em ambos os instantes, A `frente de B. b ) No instante t = 2 s ( A ultrapassa B) e no instante t = 8 s ( B ultrapassa A) e para t > 8 s, a moto B fica na dianteira. Veja grafico abaixo. Exercício 13 a) V(t) = 20 + (0,3)t² ( SI) Quando atinge a aceleração especificada, decorreu um tempo acet∆ tal que 240 20 0,3 acet= + ∆ Logo, 200 8 3 t s∆ = ≅ b) s(t) = 20.t + (0,1).t³ (SI) ( ) ( )38 20.8 0,1 8 160 51,2s = + = + 211,2S m∆ = Exercício 14 a) v(t) = 25 – 0,25t² ( SI) ; integrando a equação acima, de 0 até t, e impondo a condição inicial, obtemos s(t) = 25t – (0,25 3 )t³ (SI) b) Ele para no instante ( ) 0pv t = 225 0,25 0 10P Pt t s− = ⇒ = 30, 2525 3p p s t t∆ = − ∆𝑠𝑠𝑎𝑎𝑡𝑡𝑎𝑎 𝑝𝑝𝑎𝑎𝑝𝑝𝑎𝑎𝑝𝑝 ≅ 167 m. EXERCÍCIOS DE APOIO Exercício 1 Exercício 2 Exercício 3 Exercício 4 Exercício 5 Exercício 6 Exercício 7 Exercício 8 Exercício 9 Exercício 10 Exercício 11 Exercício 12 Exercício 13 Exercício 14 GABARITO Exercício 1 Exercício 2 Exercício 3 Exercício 4 Exercício 5 Exercício 6 Exercício 7 Exercício 8 Exercício 9 Exercício 10 Exercício 11 Exercício 12 Exercício 13 Exercício 14