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U N IV E R S ID A D E F E D E R A L D O R IO D E J A N E IR O IN S T IT U T O D E F I´S IC A F I´S IC A I – 2 0 1 2 / 2 P R IM E IR A P R O V A (P 1 ) – 0 7 / 1 2 / 2 0 1 2 V E R S A˜ O : A N a s q u e st o˜ e s e m q u e fo r n e ce ss a´ ri o , co n si d e re q u e g e´ o m o´ d u lo d a a ce le ra c¸a˜ o d e g ra v id a d e . S e c¸a˜ o 1 . M u´ lt ip la e sc o lh a (1 0 × 0 ,5 = 5 ,0 p o n to s) 1. A ti ra -s e d u as ve ze s u m a b ol a, ve rt ic al m en te , d e u m a m es m a al tu ra em re la c¸a˜ o ao so lo ; d es - p re ze o ef ei to d o ar . N a p ri m ei ra ve z (s it u ac¸ a˜o A ) a ve lo ci d ad e in ic ia l te m se n ti d o p ar a ci m a e n o se gu n d o ca so (s it u ac¸ a˜o B ) o se n ti d o e´ p ar a b ai x o. N os d oi s ca so s as ve lo ci d ad e in ic ia is te m o m es m o m o´d u lo . N a si tu ac¸ a˜o A , a b ol a ch eg a ao so lo co m ve lo ci d ad e �v A e n a si tu ac¸ a˜o B , co m ve lo ci d ad e �v B . E´ co rr et o afi rm ar q u e: (a ) |�v A | > |�v B | (b ) |�v A | < |�v B | (c ) |�v A | = |�v B | (d ) N a˜o e´ p os s´ı ve l d et er m in ar a re la c¸a˜ o en tr e |�v A | e |�v B |, p oi s a al tu ra d e la n c¸a m en to n a˜o e´ co n h ec id a. (e ) N a˜o e´ p os s´ı ve l d et er m in ar a re la c¸a˜ o en - tr e |�v A | e |�v B |, p oi s am b as d ep en d em d as ve lo ci d ad es in ic ia is . 2. U m p eq u en o b lo co d e m as sa m d es li za so b re u m p la n o d e in cl in ac¸ a˜o 0 < θ < π /2 co m a h o- ri zo n ta l, se m at ri to . S ob re el e at u am : a fo rc¸ a n or m al � N ex er ci d a p el o p la n o e o p es o � P . A op c¸a˜ o co rr et a ab ai x o e´: (a ) � N = � P co sθ . (b ) O m o´d u lo d a ac el er ac¸ a˜o d o b lo co e´ ig u al a g. (c ) O m o´d u lo d a fo rc¸ a re su lt an te so b re o b lo co e´: P se n θ (d ) O m o´d u lo d a fo rc¸ a n or m al e´: P se n θ (e ) A ac el er ac¸ a˜o d o b lo co te m se m p re o m es m o se n ti d o d a ve lo ci d ad e, in d ep en - d en te d e q u al se ja a su a ve lo ci d ad e in i- ci al . 3. U m a p ar t´ı cu la d es lo ca -s e ao lo n go d o ei x o x so b a ac¸ a˜o d e u m a fo rc¸ a co n se rv at iv a � F , co r- re sp on d en te a u m p ot en ci al U (x ), d ad o p el a fi gu ra ab ai x o. P ar a es te p ot en ci al en tr e as op c¸o˜ es ab ai x o a u´ n ic a in co rr et a e´: (a ) n a p os ic¸ a˜o x B a fo rc¸ a so b re a p ar t´ı cu la e´ n u la ; (b ) n a p os ic¸ a˜o x D , te m -s e a co n d ic¸ a˜o d e eq u il´ ıb ri o es ta´ ve l; (c ) n o d es lo ca m en to d o co rp o d e x A p ar a x C o tr ab al h o re al iz ad o p el a fo rc¸ a � F e´ p os it iv o; (d ) o se n ti d o d a fo rc¸ a � F n a p os ic¸ a˜o x E e´ n eg at iv o; (e ) n a p os ic¸ a˜o x C a fo rc¸ a � F e´ n u la . 1 4. U m a p ar t´ı cu la m ov e- se so b a ac¸ a˜o d e u m a u´ n ic a fo rc¸ a co n se rv at iv a � F , n o p er cu rs o fe - ch ad o A → B → C → A , co m o in d ic a a fi gu ra ab ai x o. A fi rm a- se q u e p ar a o tr ab al h o d es ta fo rc¸ a n os tr ec h os A B , B C e C A : I) W A → B + W B → C + W C → A = 0, II ) W A → C = − W C → A , II I) W A → C = W A → B + W B → C , IV ) co m o a fo rc¸ a � F e´ co n se rv at iv a o tr ab al h o d es ta fo rc¸ a e´ se m p re p os it iv o em q u al q u er tr ec h o e se n ti d o d o p er cu rs o. A op c¸a˜ o ab ai x o co rr et a p ar a as afi rm at iv as I) , II ) II I) e IV ) e´: (a ) so m en te I) e II ) es ta˜ o co rr et as ; (b ) so m en te II ) e IV ) es ta˜ o co rr et as ; (c ) so m en te I) e II I) es ta˜ o co rr et as ; (d ) so m en te I) , II ) e II I) es ta˜ o co rr et as ; (e ) to d as es ta˜ o co rr et as . 5. U m p eq u en o b lo co d e m as sa m es ta´ so b re u m a su p er f´ı ci e h or iz on ta l se m at ri to li ga d o a u m a m ol a d e co n st an te el a´s ti ca k cu ja ou tr a ex tr e- m id ad e e´ fi x a em u m a p ar ed e, co m o m os tr a a fi gu ra . O b lo co e´ d es lo ca d o p ar a x = A , a p ar - ti r d a p os ic¸ a˜o d e eq u il´ ıb ri o, x e q = 0 e li b er ad o a p ar ti r d o re p ou so . P ar a q u al q u er in st an te p os te ri or , o m o´d u lo d a su a ve lo ci d ad e e´ d ad o p or : (a ) v = √ k /m (A 2 − x 2 ) (b ) v = √ k /m (A 2 + x 2 ), (c ) v = √ 2k x /m (A − x ) (d ) v = √ k /m x (e ) v = √ k /m A 6. D u as p ar t´ı cu la s A e B m ov em -s e n o p la n o h or i- zo n ta l X O Y , re sp ec ti va m en te co m ve lo ci d ad es �v A = v A ıˆ e �v B = − v B jˆ co n st an te s. A d ir ec¸ a˜o d o m ov im en to d e A e´ p er p en d ic u la r ao ei x o O Y ea d ir ec¸ a˜o d o m ov im en to d e B e´ p er p en - d ic u la r ao ei x o O X ; v id e a fi gu ra ab ai x o. S ej a �v A B a ve lo ci d ad e d e A co m re la c¸a˜ o a B a op c¸a˜ o co rr et a e´: (a ) �v A B = � 0 . (b ) |�v A B | = √ v 2 A + v 2 B . (c ) �v A B = v A ıˆ − v B jˆ. (d ) |�v A B | = |�v A |, p oi s �v A e´ p er p en d ic u la r a �v B . (e ) to d as as op c¸o˜ es ac im a es ta˜ o er ra d as . 7. U m d is co h or iz on ta l gi ra em to rn o d e u m ei x o ve rt ic al q u e p as sa p el o se u ce n tr o, co m ve lo ci d ad e an gu la r co n st an te . C ol o ca -s e u m co rp o d e p eq u en as d im en so˜ es e m as sa m so - b re o d is co a u m a d is taˆ n ci a D d o se u ce n tr o. V er ifi ca -s e q u e o at ri to en tr e o co rp o e a su - p er f´ı ci e d o d is co e´ su fi ci en te p ar a q u e el e p er - m an ec¸ a n a m es m a p os ic¸ a˜o d o d is co em q u e fo i co lo ca d o. O u se ja el e n a˜o d es li za so b re o d is co . O d is co d a´ u m a vo lt a co m p le ta n o in te rv al o d e te m p o T . S ab en d o- se q u e o co efi ci en te d e at ri to es ta´ ti co en tr e o co rp o e a m es a e´ μ , o tr ab al h o re al iz ad o p el a fo rc¸ a d e at ri to n u m a vo lt a co m p le ta e´ ig u al a: (a ) ze ro (b ) − 2π μ m g D (c ) − 4π 2 μ m D /T 2 (d ) 4π 2 μ m D /T 2 (e ) − μ m D /T 2 2 8. C on sid ere as segu in tes afi rm ac¸o˜es sob re os ve- tores velo cid ad e e acelerac¸a˜o d e u m corp o em m ov im en to: I) A velo cid ad e p o d e ser zero e a acelerac¸a˜o ser d iferen te d e zero. II) O m o´d u lo d o vetor velo cid ad e p o d e ser con stan te, com o vetor velo cid ad e m u d an d o com o tem p o. III) O vetor velo cid ad e p o d e ser con stan te m as seu m o´d u lo variar com o tem p o. IV ) O vetor ve- lo cid ad e p o d e m u d ar d e sen tid o com o tem p o m esm o q u e o vetor acelerac¸a˜o p erm an ec¸a con s- tan te. S a˜o verd ad eiras as afi rm ac¸o˜es: (a) T o d as as afi rm ac¸o˜es (b ) I, II e III (c) II e III (d ) I, II e IV (e) N en h u m a d as afi rm ac¸o˜es an teriores. 9. U m a p art´ıcu la d e m assa m p en d u rad a p or u m fi o id eal d e com p rim en to � e´ ab an d on ad a d e u m aˆn gu lo θ 0 a p artir d o rep ou so com o fi o totalm en te esten d id o, com o m ostra a fi gu ra ab aix o. S ejam a trac¸a˜o n o fi o �T e o p eso �P as forc¸as q u e atu am n a p art´ıcu la e d esp reze a resisteˆn cia d o ar. Q u al d as afi rm ac¸o˜es esta´ correta? (a) | �P | varia com o aˆn gu lo θ. (b ) 0 m o´d u lo d a acelerac¸a˜o d a p art´ıcu la |�a | e´ con stan te (c) n o p on to m ais b aix o d a tra jete´ria, | �T | = m v 2/� on d e v e´ o m o´d u lo d a ve- lo cid ad e n este p on to (d ) p ara θ = ± θ 0 , acelerac¸a˜o e´ n u la (e) N o p on to m ais b aix o d a tra jeto´ria | �T | > | �P |. 10. N as fi gu ras ab aix o, a p ara´b ola rep resen ta a tra jeto´ria d e u m lan c¸am en to ob l´ıq u o p ara θ 0 �= 0, d e u m p ro je´til n as p rox im id ad es d a su - p erf´ıcie d a T erra. N o p on to m ais alto d a tra- jeto´ria d o p ro je´til, o d iagram a q u e m elh or re- p resen ta os vetores velo cid ad e �v e acelerac¸a˜o, �a , n este p on to e´: (d esp reze o efeito d a re- sisteˆn cia d o ar) (a) (II) (b ) (I) (c) (III) (d ) (IV ) (e) n en h u m d os d iagram as 3 S e c¸a˜ o 2 . Q u e sto˜ e s d iscu rsiv a s (2 × 2 ,5 = 5 ,0 p o n to s) 1. U m con h ecid o b rin q u ed o con siste em u m a p ista con ten d o u m “lo op ” circu lar d e raio R e u m trech o h orizon tal O A . N o p on to O , lo caliza-se u m lan c¸ad or, con stitu id o d e u m a m ola id eal relax ad a, d e con stan te ela´stica k . U m carrin h o (rep resen tad o p or u m p eq u en o b lo co n a fi gu ra ab aix o) d e m assa m e´ colo cad o in icialm en te em O . E m p u rra-se o carrin h o, com p rim in d o-se a m ola d e Δ x ate´ o p on to C . N este p on to o carrin h o e´ lib erad o a p artir d o rep ou so p erfazen d o o p ercu rso C − O − A − B − A − D , p erd en d o con tato com a m ola n o p on to O e p ercorren d o to d o o ”‘lo op ”sem p erd er con tato com a su a su p erf´ıcie. D esp rezan d o-se o atrito em to d o o p ercu rso e con sid eran d o com o d ad os d o p rob lem a: R , k , Δ x , m e g , calcu le: a) o m o´d u lo d a velo cid ad e d o carrin h o ao p assar p or A ; b ) o m o´d u lo d a velo cid ad e d o carrin h o ao p assar p or B ; c) rep resen te em u m d iagram a as forc¸as q u e atu am sob re o carrin h o ao p assar p or B e d eterm in e o m o´d u lo d a forc¸a d e con tato, | �N |, n este p on to; d ) a com p ressa˜o m ı´n im a d a m ola Δ X m in p ara q u e, ao p assar p or B , o carrin h o esteja n a im in eˆn cia d e p erd er con tato com o “lo op ”. 2. U m p ro je´til e´ lan c¸ad o com velo cid ad e �v 0 form an d o u m aˆn gu lo α com a h orizontal. O p on to d e lan c¸am en to esta´ lo calizad o a u m a altu ra h acim a d o solo. A fi gu ra m ostra o sistem a d e refereˆn cia X O Y fi x o, q u e esta´ lo calizad o n o solo e tem o eix o vertical O Y alin h ad o verticalm en te com o p on to d e lan c¸am en to. D e acord o com este referen cial, p ressu p on d o q u e a resisteˆn cia d o ar e´ d esp rez´ıvel e q u e a T erra e´ u m referen cial in ercial: a) escreva os vetores p osic¸a˜o �r(t) e velo cid ad e �v (t), com o fu n c¸o˜es d o tem p o t, u san d o os u n ita´rios ıˆ e jˆ d os eix os O X e O Y , resp ectivam en te, in d icad os n a fi gu ra; b ) calcu le o tem p o q u e o p ro je´til leva p ara atin gir a altu ra m a´x im a; c) calcu le o tem p o d e vo o d o p ro je´til. d ) d eterm in e, q u an d o o p ro je´til to ca o solo, o m o´d u lo d a su a velo cid ad e v S . 4 Universidade Federal do Rio de Janeiro Centro de Cieˆncias Matema´ticas e da Natureza Instituto de F´ısica Primeira Prova de F´ısica IA - 7/12/2012 Respostas para provas h´ıbridas Gabarito das Questo˜es objetivas (valor=5.0 pontos) Versa˜o A Questa˜o (a) (b) (c) (d) (e) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Versa˜o B Questa˜o (a) (b) (c) (d) (e) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Versa˜o C Questa˜o (a) (b) (c) (d) (e) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Versa˜o D Questa˜o (a) (b) (c) (d) (e) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 Questa˜o discursiva 1 (valor=2.5 pontos) a) valor=0.5 ponto Escolhendo o zero do potencial gravitacional no solo, a energia mecaˆnica do ponto C sera´: EC = KC + UgC + UelC = k (∆x)2 2 . (1) Ja´ a energia mecaˆnica no ponto A sera´: EA = KA + UgA = mv2A 2 . (2) A energia mecaˆnica conserva-se, pois na˜o ha´ forc¸as dissipativas atuando no sistema, enta˜o: EA = EC =⇒ mv2A 2 = k (∆x)2 2 ⇒ vA = √ k m ∆x. (3) b) valor=0.5 ponto A energia mecaˆnica no ponto B sera´: EB = KB + UgB = mv2B 2 + 2mgR. (4) A energia mecaˆnica conserva-se, enta˜o: EB = EC =⇒ mv2B 2 + 2mgR = k (∆x) 2 2 =⇒ vB = √ k m (∆x)2 − 4gR. (5) c) valor=1.0 ponto O diagrama de forc¸as no ponto B e´ dado pela figura abaixo onde uˆr = rˆ. As forc¸as presentes no ponto B, sa˜o a normal, ~N = −| ~N|rˆ e o peso, ~P = −mgrˆ. Na direc¸a˜o radial, a forc¸a resultante e´ a forc¸a radial dirigida para o centro (forc¸a “centr´ıpeta”), ~Fc = − (mv 2 B/R) rˆ. 2 Assim na direc¸a˜o radial: | ~N |+mg = mv2B R =⇒ | ~N | = mv2B R −mg. (6) O resultado final de | ~N | em func¸a˜o dos dados do problema e´ obtido, substituindo a Eq. (5) na Eq. (6), encontra-se assim: | ~N | = k R (∆x)2 − 5mg. (7) d) valor=0,5 ponto O carrinho completa o “loop” quando na˜o perde o contato com o mesmo (| ~N | 6= 0). O caso limite ocorre quando o carrinho esta´ na imineˆncia de perder o contato no ponto B, ou seja, | ~NB| = 0. Maneira 1: Nesta situac¸a˜o a vB e´ mı´nima (pois acima do valor mı´nimo de vb, o carrinho consegue completar o “loop”) e o lanc¸ador deve ser comprimido de ∆Xmin. Usando que no ponto B, | ~N | = 0 na Eq. (7), temos 0 = k R (∆Xmin) 2 − 5mg =⇒ ∆Xmin = √ 5mgR k . (8) Maneira 2: Nesta situac¸a˜o a vB e´ mı´nima (pois acima disto, o carrinho consegue completar o “loop”), cujo valor pode ser encontrado atrave´s da Eq. (6), na condic¸a˜o cr´ıtica, | ~N | = 0: 0 = mv2B min R −mg =⇒ vB min = √ gR. (9) Substituindo a Eq. (9) na Eq. (5), onde a compressa˜o ∆x e´ mı´nima: √ gR = √ k m (∆Xmin) 2 − 4gR =⇒ ∆Xmin = √ 5mgR k . (10) 3 Questa˜o discursiva 2 (valor=2.5 pontos) a) valor=1,0 ponto O proje´til executa um movimento com acelerac¸a˜o constante, pois ~a = ~g. Assim a posic¸a˜o e a velocidade do proje´til apo´s o lanamento sa˜o dadas pelas expresso˜es: ~r(t) = ~r0 + ~v0t+ ~at2 2 , (11) ~v(t) = ~v0 + ~at. (12) Usando o sistema de coordenadas indicado na figura: ~r0 = hˆ (13) ~v0 = |~v0| cosαıˆ + |~v0|sen αˆ = v0 cosαıˆ + v0sen αˆ (14) ~a = ~g = −gˆ (15) O vetor posic¸a˜o do proje´til, ~r, e´ obtido substituindo-se as Eqs. (13), (14) e (15) na Eq. (11): ~r(t) = ~r0 + ~v0t+ ~at2 2 hˆ+ (v0 cos αˆı + v0sen αˆ)t− gt2 2 ˆ (16) ~r(t) = v0 cosαtıˆ+ ( h+ v0sen αt− gt2 2 ) ˆ (17) O vetor velocidade do proje´til, ~v, e´ obtido substituindo-se as Eqs. (14) e (15) na Eq. (12): ~v(t) = ~v0 + ~at = v0 cosαıˆ + v0sen αˆ− gtˆ = v0 cosαıˆ + (v0sen α − gt) ˆ (18) b) valor=0,5 ponto Na altura ma´xima, a componente vertical da velocidade do proje´til anula-se. Seja tH, o tempo necessa´rio para que o proje´til atinja o ponto mais alto da trajeto´ria. Fazendo vy(tH) = 0 na Eq. (18), temos que: v0sen α − gtH = 0 =⇒ tH = v0sen α g . (19) c) valor=0,5 ponto O tempo de voo, tS, e´ o tempo que o proje´til leva ate´ atingir o solo. Isto ocorre, no sistema de coordenadas da figura, quando ry(tS) = 0. Usando esta condic¸a˜o na Eq. (17), encontramos: h+ v0sen αtS − gt2S 2 = 0 =⇒ tS = 1 g [ v0sen α + √ v2 0 sen2α + 2gh ] , (20) onde desprezamos a soluc¸a˜o tS < 0. 4 d) valor=0,5 ponto O mo´dulo da velocidade ao atingir o solo, vS = |~v(tS)|, pode ser obtido de va´rias maneiras: Maneira 1: Como a acelerac¸a˜o e´ constante podemos utilizar a equac¸a˜o de Torricelli: v2(tS) = v 2 0 + 2~a ·∆~r =⇒ v2S = v 2 0 + 2(−gˆ) · (∆xıˆ− hˆ) (21) ∴ v2S = v 2 0 + 2gh =⇒ vS = √ v2 0 + 2gh. (22) Maneira 2: Pela definic¸a˜o, temos que o mo´dulo de vS e´ vS = |~v(tS)| = √ v2x(tS) + v 2 y(tS), usando as Eqs. (18) e (20): vS = √ v2 0 cos2 α+ (v0sen α− gtS) 2 = √ v2 0 cos2 α+ ( v0sen α− v0sen α+ √ v2 0 sen2α+ 2gh ) 2 = √ v2 0 cos2 α+ (√ v2 0 sen2α + 2gh )2 = √ v2 0 cos2 α+ v2 0 sen2α+ 2gh = √ v2 0 + 2gh (23) Maneira 3: Por considerac¸o˜es de conservac¸a˜o de energia mecaˆnica temos: E0 = mgh+ 1 2 mv2 0 e Esolo = 1 2 mv2S Como ∆E = 0, E0 = Esolo ⇒ |~vS| = vS = √ v2 0 + 2gh Maneira 4: Aplicando o Teorema-Trabalho Energia, ∆K = W TOTAL, logo: 1 2 mv2S − 1 2 mv2 0 = WPeso = −∆U = mgh ∴ |~vS| = vS = √ v2 0 + 2gh 5
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