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FÍSICA MECÂNICA AULA 1 Prof. Cristiano Cruz 2 CONVERSA INICIAL A observação do movimento de objetos sempre encantou o ser humano, o voo dos pássaros, a passagem de um trem, a trajetória de um cometa ou meteorito, o movimento dos planetas, estrelas, entre diversos outros. Esse fascínio se deve, talvez, por ser a visão o principal sentido sensorial do homem. Sempre que há uma alteração no nosso campo visual experimentamos a sensação de movimento e nossos olhos são atraídos por esse movimento. Essa alteração está relacionada com o movimento físico dos objetos ou com o movimento dos nossos olhos. No primeiro caso, o movimento do objeto é entendido como uma alteração da localização física do objeto no espaço, no segundo como uma alteração da sensibilização da retina. Durante os milhões de anos da existência do homem na Terra, ele pôde observar e até mesmo registrar o movimento de diversos objetos. Observações e registros do movimento dos astros, como: os planetas, estrelas e cometas realizados pelos egípcios durante a antiguidade permitiu que eles desenvolvessem um calendário astronômico com eclipses, fases da Lua e previsão das marés. Tais registros também serviram de base para Nicolau Copérnico e, posteriormente, para Galileu Galilei desenvolverem e darem sustentação científica para a teoria heliocêntrica. Em física, diz-se que um corpo, ou um objeto está em movimento quando existe uma mudança na posição do móvel ou de um sistema em relação ao tempo, quando medido em um referencial determinado. A parte da física que estuda o movimento é chamada de mecânica, a qual se divide em duas partes: cinemática e dinâmica. A primeira procura descrever o movimento, sem ter em conta as suas causas, enquanto que a segunda pretende fundamentar um modelo que estude essas causas. Por exemplo, ao observar uma fatia de pão com manteiga caindo da mesa você pode se questionar: quanto tempo levará para essa fatia tocar o solo? Ou também, com qual velocidade essa fatia irá chegar ao solo? Para encontrar respostas para esse tipo de questionamento, você irá necessitar ter conhecimentos de cinemática. 3 Por outro lado, se você quiser respostas sobre qual motivo a fatia está caindo, ou se ela sofre alguma rotação durante a queda e até mesmo se o lado da fatia que contém a manteiga irá cair virada para baixo ou para cima, você com certeza não terá êxito para encontrar a resposta se não conhecer a teoria envolvida na dinâmica. Em nossas aulas iniciais iremos estudar a cinemática, ou seja, o movimento de objetos sem se preocupar com a causa do movimento, mais precisamente iremos estudar o tipo mais simples de movimento, o movimento que acontece em uma linha reta. Para total compreensão da teoria envolvida são imprescindíveis o conhecimento e as definições de alguns conceitos básicos envolvidos e também sua representação física. TEMA 1 - REFERENCIAL, TRAJETÓRIA E DESLOCAMENTO Referencial Por muito tempo as leis da mecânica foram baseadas na teoria aristotélica. Aristóteles defendia em sua teoria que o movimento seria absoluto, ou seja, deveria ser um só independente de como se observasse esse movimento. No entanto, Galileu, ao desenvolver sua teoria, provou o contrário, que o movimento não seria absoluto, e sim relativo e consequentemente dependeria de um ponto de referência. Referencial é, portanto, o ponto que se toma como base para se observar e realizar uma medida do movimento que se estuda. Ou seja, é a referência adotada que nos permite medir uma grandeza física. Normalmente o referencial é tomado como um sistema de coordenadas utilizado para se medir e registrar as grandezas físicas. Por exemplo: grandezas de posição, velocidade, aceleração, campos eletromagnéticos ou gravitacionais etc. Um exemplo simples, que pode retratar a teoria de Galileu, é você imaginar que está em um estádio acompanhando uma partida de futebol. Você está posicionado atrás do gol e observa o goleiro arremeter um chute na bola 4 fazendo um lançamento em direção ao campo do adversário, nessa posição, ao observar a trajetória da bola, você a ver fazendo o movimento em linha reta de subida e descida, ao passo que, se você se posicionar na arquibancada na lateral do campo e observar o lançamento, você verá a bola se movimentar em uma trajetória parabólica. Entenda, portanto, que ao modificar a posição em que se observa a trajetória da bola, está alterando também o referencial dessa observação. O efeito dessa mudança acaba por observar trajetórias diferentes para o mesmo movimento, um em linha reta e outro parabólico. Trajetória A trajetória descrita por um objeto em movimento corresponde ao lugar geométrico de todas as posições ocupadas pelo objeto em movimento no decorrer do tempo. Este é, portanto, o nome dado ao percurso realizado por um determinado objeto no espaço com base em um sistema de coordenadas predefinido. Dependendo do referencial considerado, a trajetória pode ser retilínea, quando o objeto se move em linha reta em relação ao referencial; ou curvilínea, quando se move em forma de curva em relação ao referencial adotado, ou também outra forma geométrica possível. Posição Para determinar a posição em que se encontra o objeto que se move em certa trajetória, vamos traçar paralelamente a ela uma linha. Por exemplo, se a trajetória é, em uma única dimensão, retilínea, iremos traçar paralela a trajetória uma linha reta. Em seguida faremos segmentos nessa reta e vamos orientá-la, formando um eixo que chamaremos de “x”. O primeiro segmento feito será a origem e corresponderá a posição quando x = 0. Os outros segmentos serão marcados a cada unidade a partir da origem, de metro a metro, ou de quilômetro a quilômetro, entre outras unidades de comprimento possíveis, sendo que segmentos à direita da origem serão positivos e à esquerda serão negativas. A posição do objeto na trajetória será representada apenas por uma coordenada, segmento do eixo “x” será a medida algébrica positiva ou negativa, que vai da origem (x = 0) até o ponto, segmento considerado. Esta medida é chamada de posição e é representada pela letra x. 5 No Sistema Internacional de Unidades (SI), a posição é medida em metro (m). Nas rodovias brasileiras, a unidade usada para medir a distância é o quilômetro (km); nas rodovias americanas, é a milha (mi). Figura 1 – Posição Na figura 1, o carro está se deslocando da esquerda para a direita e encontra-se na posição x = + 1m. Deslocamento Toda vez que o objeto em estudo do movimento se move de uma posição para outra, este realiza um deslocamento na trajetória. O deslocamento será representado por x, o qual pode ser uma grandeza algébrica positiva, negativa ou zero. O deslocamento é obtido pela diferença entre a posição final “x” e a inicial “xo”, ou seja, o deslocamento é a variação da posição “x”, sendo matematicamente representado por: Observe este exemplo: A princípio o carro estava na posição inicial xo = +1m. Depois de algum tempo de movimento o carro encontra-se na posição x = +6m. Figura 2 – Deslocamento x = x – xo 6 O deslocamento realizado pelo carro ( x = x – xo) será: Note que nesse exemplo o deslocamento foi um valor positivo, isso significa que o móvel realizou seu movimento no eixo “x” crescente, ou seja, conforme ele se desloca os valores das posições em “x” são cada vez maiores. Se o movimento ocorrer em sentido contrário, onde os valores de “x”são cada vez menores, o deslocamento será negativo. Deve-se ter muito cuidado ao se relacionar deslocamento com distância percorrida pois estes são conceitos diferentes. A distância percorrida mede o comprimento da trajetória descrita pelo móvel e nunca será negativo, e o deslocamento é o vetor que une o ponto inicial ao ponto final do movimento do móvel, pode ser negativo, positivo ou zero. Por exemplo: após determinado movimento em que o móvel sai de determinado ponto, posição, desloca-se por 10m, faz a volta e retorna para a mesma posição o deslocamento realizado, nesse caso, foi zero. No entanto, a distância percorrida é o somatório de todo percurso percorrido, ou seja, 20m. TEMA 2 - INSTANTE DE TEMPO E INTERVALO DE TEMPO Ao acompanharmos o movimento do móvel com um relógio, relacionando a cada posição “x” da trajetória alcançada por este, durante o movimento, com o tempo marcado no relógio, teremos o instante de tempo para cada posição. Por exemplo: quando o carro estava na posição xo = +1m o relógio marcava to = 2s. x = 6 – 1 = +5m 7 Figura 3 – Deslocamento Depois do deslocamento, o carro encontra-se na posição x = +6m e o relógio passou a marcar t = 4s. O valor de tempo no início do estudo do movimento to = 2s denota-se de instante de tempo inicial, ao passo que o tempo marcado ao fim do movimento t = 4s chama-se instante de tempo final. Já o tempo total de movimento será chamado de intervalo de tempo ( t) e poderá ser obtido pela diferença entre o instante de tempo final e o instante de tempo inicial, determinado pela relação: Que no exemplo será: Velocidade Média A velocidade média ( ) de determinado objeto em movimento será dada pela razão entre o deslocamento ( x) realizado pelo objeto e o intervalo de tempo ( t) gasto para realizar esse deslocamento. Matematicamente: Para o exemplo, sendo o deslocamento x = 6 – 1 = +5m e o intervalo de tempo t = 4 – 2 = 2s, a velocidade média será dada por: t = t – to t = 4 – 2 = 2s 8 Quando o valor da velocidade média for um valor positivo, significa que o móvel se desloca para valores crescentes de “x” e, quando a velocidade média obtida for negativa, significa que o móvel percorre a trajetória para valores decrescente de “x”. No Sistema Internacional de Unidades, a unidade da velocidade média é representada por m/s.. Porém, na prática, é muito frequente referir-se à velocidade em km/h. Para transformar as unidades de velocidade de m/s para km/h e vice- versa, utiliza-se a seguinte regra prática. Clique no botão abaixo e veja o exemplo: Se um automóvel percorrer a distância de 108 km em uma hora, diz que sua velocidade média é 108 km/h. Veja que a unidade Km/h não está no Sistema Internacional de Unidades. Para transformá-la basta dividir o valor da velocidade por 3,6 e o resultado obtido estará em m/s. Então, 108 km/h ÷ 3,6 correspondem a 30 m/s. O inverso também é verdadeiro, para transformar de m/s para km/h, basta multiplicar por 3,6. TEMA 3 - ACELERAÇÃO MÉDIA E ACELERAÇÃO INSTANTÂNEA Velocidade Instantânea Em uma competição de atletismo, como a prova de corrida dos 200 m, o atleta com maior velocidade média será o vencedor da competição, porém 9 sabemos que durante a prova os competidores não percorreram os 200 m com a mesma velocidade, ou seja, em alguns pontos da corrida suas velocidades aumentam e em outros pontos suas velocidades diminuem. A velocidade média apesar de fornecer algumas informações importantes sobre o movimento, não é capaz de nos informar qual a velocidade do móvel em cada posição, em cada instante, durante o movimento. A grandeza física capaz de fornecer esta informação é chamada de velocidade instantânea ( ). Ela mostra como foi o comportamento da velocidade em cada instante do movimento. Para isso, a velocidade instantânea é definida como o limite da velocidade média quando o intervalo de tempo tende a zero, denominado de derivada da posição “x” em função ao tempo “t”, escrito por . Matematicamente escrita como: Apesar de na linguagem cotidiana os termos velocidade, velocidade escalar, ou vetor velocidade serem utilizados como sinônimos, na física esses termos têm definições diferentes. A velocidade instantânea, bem como a velocidade média, são grandezas vetoriais e, contudo, possuem módulo, direção e sentido. Já a chamada velocidade escalar média, ou a velocidade instantânea escalar média não informam nem direção nem sentido do movimento, logo essas grandezas não são vetoriais, e sim grandezas escalares. Para o cálculo da velocidade escalar média, tomaremos a razão entre a distância percorrida e o tempo gasto para descrever essa distância. Assista à terceira parte do vídeo desta aula com o professor Cristiano Cruz e tire suas dúvidas. 10 TEMA 4 - GRÁFICO DA POSIÇÃO (X) EM FUNÇÃO DO TEMPO (T) Por meio de gráficos, fica mais fácil visualizar o movimento de objetos. A velocidade do movimento pode ser determinada a partir de um gráfico da posição do móvel em função do tempo. Suponha que o movimento de um móvel seja representado pelo gráfico abaixo. Figura 4 – Gráfico da posição (x) em função do tempo (t) Iremos calcular a velocidade média do móvel entre os pontos P1 e P2. Analisando o triângulo-retângulo formado ao unir os pontos com uma reta (hipotenusa) e considerando o deslocamento x e o intervalo de tempo t (catetos), o cálculo da velocidade média será obtido pela tangente do ângulo , sendo: Agora, se desejamos encontrar a velocidade instantânea em um determinado ponto da trajetória, por exemplo no ponto P1, a velocidade 11 instantânea também será igual à tangente do ângulo de inclinação da reta que passa pelo ponto P1 tangente a linha do gráfico. Observe a figura: Figura 5 – Gráfico da posição (x) em função do tempo (t) Determinação da velocidade instantânea no ponto P1. No caso, a velocidade instantânea no ponto P1 será dada por: Portanto, em um gráfico da posição do móvel em função do tempo no movimento em linha reta, a velocidade instantânea em um determinado ponto do gráfico é igual à tangente do ângulo de inclinação da reta que passa tangente à linha do gráfico no ponto. Quando a tangente é inclinada para cima e para a direita, como no gráfico x(t) (figura 5), sua inclinação e velocidade são positivas e o movimento ocorre no sentido positivo do eixo x. Já quando a tangente é inclinada para baixo e para a direita, sua inclinação e velocidade são negativas e o movimento ocorre no sentido negativo do eixo x. E quando a tangente é horizontal, a inclinação é igual a zero e a velocidade é nula. A figura 6 mostra essas três possibilidades. 12 Figura 6 – Gráfico x(t) indicando a velocidade instantânea em relação à inclinação da reta tangente Aceleração Média A aceleração média é a taxa de variação da velocidade de um móvel ao longo do tempo. Assim como a velocidade, a aceleração também é uma grandeza vetorial. Apesar de na linguagem cotidiana a aceleração ser relacionada com o aumento da velocidade, fisicamente ela pode referir-se tanto ao aumento como a redução da velocidade. Para o cálculo da aceleração média, suponha que em determinado instante de tempo inicial to = 2s o móvel esteja na posição xo = +1m e sua velocidade instantânea, nesse ponto, seja igual a e em outro instante de tempo t = 4s o móvel esteja na posição x = +6m com velocidade instantânea igual a , conforme figura. 13 Figura 7 –Aceleração Média Define-se aceleração média como a razão (divisão) entre a variação da velocidade (velocidade instante final do movimento menos a velocidade no início do movimento ), pelo intervalo de tempo ( t). Matematicamente, temos: Para os dados referidos no exemplo, teremos: A aceleração média calculada foi de +3m/s2, como a aceleração deu um valor positivo, e as velocidades instantâneas também são positivas, isso significa que a velocidade está aumentando 3 m/s a cada segundo do movimento em sentido de x crescente. Caso o sinal das velocidades instantâneas fossem negativas, concluiríamos que a velocidade estaria diminuindo 3 m/s a cada segundo do movimento no sentido negativo do eixo x. Vale, portanto, esta regra: Ao comparar os sinais da velocidade e aceleração, se ambos têm sinal positivo, significa que o móvel está no sentido positivo com velocidade crescente. Por outro lado, quando os sinais da velocidade e aceleração forem ambos negativos, significa que a velocidade está aumentando em sentido negativo do eixo x. Agora, quando os sinais da aceleração e velocidade forem diferentes, o movimento é retardado, ou seja, a velocidade está diminuindo. Se a velocidade é positiva e a aceleração é negativa, o móvel está no sentido positivo do eixo x e a velocidade está diminuindo e, se a velocidade é negativa e a aceleração é positiva, o móvel está no sentido negativo do eixo x e a velocidade está diminuindo. Aceleração Instantânea Para definirmos aceleração instantânea, iremos seguir o mesmo procedimento utilizado para definição de velocidade instantânea. Para tanto, iremos tomar o limite da aceleração média quando o intervalo de tempo tende a 14 zero. Na linguagem de cálculo diferencial, a aceleração instantânea é igual a taxa de variação da velocidade com o tempo. Definida por: Podemos também determinar a aceleração instantânea pela derivada de segunda ordem da equação de posição (x) em relação ao tempo (t). TEMA 5 - GRÁFICO DA VELOCIDADE (V) EM FUNÇÃO DO TEMPO (T) Analogamente ao que fizemos no gráfico da posição em função do tempo para determinar a velocidade média e velocidade instantânea, no gráfico da velocidade em função do tempo iremos determinar a aceleração média e a aceleração instantânea. Levando em consideração que em determinado instante de tempo inicial to = 2s, o móvel encontra-se com velocidade instantânea e, em outro instante de tempo t = 4s, o móvel esteja com velocidade instantânea igual a , ao construir o gráfico da velocidade em função do tempo do movimento, teremos: 15 Figura 8 – Gráfico da velocidade em função do tempo Iremos calcular a aceleração média entre os pontos P1 e P2, analisando o triângulo-retângulo formado ao unir os pontos com uma reta (hipotenusa) e considerando a variação da velocidade e o intervalo de tempo t (catetos), o cálculo da aceleração média será obtido pela tangente do ângulo , sendo: A aceleração instantânea em um determinado ponto do gráfico da velocidade em função do tempo é igual à tangente do ângulo de inclinação da reta que passa tangente a linha do gráfico no ponto. Observe a figura 9. 16 Figura 9 – Gráfico da velocidade em função do tempo, cálculo da aceleração instantânea no ponto P1 Movimento Retilíneo com Aceleração Constante O movimento acelerado mais simples de ser estudado é o movimento retilíneo com aceleração constante. Nesse tipo de movimento, a velocidade sofre a mesma variação em intervalos de tempo iguais. Em um gráfico que represente a aceleração constante em função do tempo, temos: Figura 10 – Gráfico da aceleração constante em função do tempo. Como a aceleração é constante o gráfico a(t) é uma linha horizontal e a área geométrica abaixo do gráfico limitada por to e t e pelo eixo do tempo representa a variação da velocidade ( ) sofrida pelo móvel durante o movimento. 17 Outro fator relacionado ao movimento com aceleração constante é a igualdade entre a aceleração média e a aceleração instantânea, para obtermos uma equação matemática que represente o comportamento da velocidade em função do tempo, iremos partir da equação de aceleração média. Considerando a aceleração e o instante de tempo inicial igual a zero to = 0, temos: Rearranjando a equação, obteremos: Utilizando o mesmo raciocínio, agora para obter a equação de posição (x) em função do tempo (t) para o movimento a aceleração constante. Partindo da equação, a velocidade média: Considerando o instante de tempo inicial to = 0 e rearranjando a equação, temos: Deduzindo uma segunda equação, somente válida quando a aceleração for constante, podemos determinar a velocidade média como a média aritmética da velocidade inicial ( ) e a velocidade final ( ) entre os instantes de tempo final e inicial. Sabendo que: Substituindo ( ) na equação anterior, temos: Como: Igualando as duas equações obtemos: Rearranjando a equação, chegamos na equação de posição (x) em função do tempo (t) válida somente para aceleração constante: Figura 11 – Gráfico da velocidade em função do tempo Em um gráfico da velocidade em função do tempo , a área sob a linha do gráfico entre os limites de tempo inicial (to = 0) e tempo final (t) é numericamente igual ao deslocamento realizado pelo móvel nesse intervalo de tempo. 19 Aplica ndo no trapézi o formad o no gráfico Como: Como a Área é igual ao deslocamento x, então: Quando o movimento ocorre a uma velocidade constante e diferente de zero (se a velocidade for nula, há repouso), dizemos ser um movimento Lembrete: a área de um trapézio será dada por: 20 uniforme. O movimento retilíneo uniforme é um caso especial de movimento onde não há variação de velocidade, portanto a aceleração é nula. Nesse caso especial, as equações do movimento se reduzem a uma única equação. A equação da posição do móvel (x) em função do tempo (t). Sendo o movimento retilíneo e uniforme, aceleração nula, a velocidade coincide com a velocidade média e a equação horária é uma equação do primeiro grau. Siga o raciocínio. Como: E considerando to = 0: Rearranjando a equação, obtemos: Queda Livre O movimento que mais intrigou os cientistas no decorrer da história da ciência foi o movimento em queda livre. Quando um objeto cai ele está sendo atraído pela força gravitacional exercida sobre o objeto pelo planeta Terra. Durante o século IV a.C., o filosofo Aristóteles, ao observar o movimento de objetos em queda livre, chegou à conclusão que objetos mais pesados (maior massa) caem mais rápido que objetos mais leves (menor massa) e também que as velocidades desses objetos seriam proporcionais às suas massas, maior massa maior velocidade e respectivamente. Em 1589 d.C., 19 séculos depois de Aristóteles, Galileu Galilei, considerado um dos fundadores do método experimental e da ciência moderna, afirmou que todos os objetos (corpos) caem com a mesma aceleração independente de seus pesos. Segundo o historiador Alexandre Koyré, Galileu, com aparatos experimentais adequados, provas experimentais e raciocínios exatos, demonstrou em repetidas experiências, feitas no alto do campanário de Pisa, na presença de todos os outros professores e filósofos da universidade, a21 falsidade de numerosas conclusões de Aristóteles sobre a natureza do movimento. Conta a história também que, para provar que o peso não deveria ter qualquer influência na velocidade de queda, Galileu jogou do alto da torre de Pisa corpos com diferentes pesos e mediu o tempo de queda de cada um. Apesar de Alexandre Koyré afirmar que esse fato seja uma lenda, há relatos na literatura de que bolas de 10 gramas e de 1 grama teriam sido lançadas, todas chegando ao solo ao mesmo tempo. Isso poderia ser facilmente observado se não houvesse a resistência do ar e outros fatores, como a forma e o material dos corpos lançados. Na verdade, a afirmação de Galileu ao dizer que todas as bolas quando lançadas simultaneamente chegam ao solo ao mesmo tempo só seria rigorosamente verdadeira se a experiência fosse realizada no vácuo. Atualmente, experiências modernas confirmam, quando os efeitos do ar são desprezados, que as ideias de Galileu estão corretas, ou seja, todos os corpos independentes de suas massas e forma caem com a mesma aceleração e essa aceleração, na superfície da Terra ou próximo a ela é constante. Portanto, ao movimento de atração gravitacional sofrido por um objeto em queda com ausência da resistência do ar e com aceleração constante, chama-se queda livre. Vale lembrar que apesar do nome dado ao movimento ser queda livre, a mesma teoria se aplica quando o objeto é lançado verticalmente para cima, ou seja, está em ascensão. A aceleração constante envolvida no movimento de queda livre de um corpo denomina-se aceleração da gravidade. Uma grandeza vetorial com direção vertical, sentido de cima para baixo e módulo designado por g, onde o valor aproximado na superfície terrestre ou próximo a ela é: Analogamente ao formalismo utilizado na descrição das equações do movimento para o movimento retilíneo, mas, nesse caso, como o movimento de queda livre ocorre na vertical, consideraremos as posições do movimento no eixo y. 22 As mesmas equações utilizadas são válidas, porém trocaremos a coordenada “x” por “y” e a aceleração por “g”. Obtendo: Assista, a seguir, ao vídeo real sobre a queda de uma pena e um martelo caindo ao mesmo tempo, com a mesma variação de velocidade, na superfície lunar que não possui atmosfera (portanto, sem a ação da resistência do ar). Ele confirma as ideias de Galileu sobre a queda dos corpos sob ação da aceleração da gravidade. O vídeo mostra o astronauta Dave Scott, na missão APOLO XV, na LUA em 1971 realizando tal experimento. http://www.youtube.com/watch?v=HqcCpwIeiu4 Como você deve ter percebido, o movimento com trajetória retilínea e aceleração constante é um caso especial de movimento e de certa forma um movimento simples de ser estudado.
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