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1 Introdução ao estudo de vetores+ 1.1 - Introdução Uma grandeza que fica plenamente caracterizada por um número seguido de uma unidade apropriada é denominada grandeza escalar. Temperatura e massa constituem exemplos de grandezas escalares. Quando se diz que a temperatura média do corpo humano é de 36,50C ou que a massa de um corpo é de 3 kg, estas quantidades ficam bem determinadas. Comprimento, área, volume e tempo são outros exemplos de grandezas escalares. Na física, contudo, há muitas grandezas para as quais a simples quantificação não é suficiente para sua completa especificação. Além do valor numérico devem, necessariamente, se fazer presentes duas outras informações igualmente relevantes: direção e sentido. Grandezas físicas com esse perfil são chamadas grandezas vetoriais. Força é um exemplo. Ao dizer-se que um caixote foi empurrado com uma força de 50 newtons (admita que newton é uma unidade de força), não se estará sendo de todo claro. Afinal, para onde foi empurrado o caixote (isto é, em que direção?)? Se ao longo de um plano inclinado, para cima ou para baixo (em que sentido?)? Como se observa, juntamente com o número e a respectiva unidade é necessário explicitar a direção e o sentido da força aplicada para que esta fique bem definida. Deslocamento, velocidade, aceleração e quantidade de movimento são, também, grandezas vetoriais. Este capítulo apresenta conceitos básicos da álgebra vetorial, cuja compreensão, pelo aluno, é fundamental para o estudo da mecânica. 1.2 - Representação e características de um vetor Para a representação gráfica de um vetor, considere, inicialmente, o segmento de reta AB sobre a reta r da Fig. 1. Orientando-se este segmento por meio de uma seta colocada no ponto B (ou no ponto A), obtém-se a representação gráfica de um vetor (Fig. 2). Simboliza-se um vetor por uma letra maiúscula ou minúscula com uma pequena flecha sobre dela. Na Fig. 2, o ponto A é a origem do vetor v e o ponto B a sua extremidade. A reta r é a reta suporte do vetor v . Normalmente, quando se representa um vetor se omite a sua reta suporte. Fig. 1 Fig. 2 Um vetor fica especificado por suas três características: módulo, direção e sentido. O módulo de um vetor, dado por um número seguido de uma unidade, especifica a intensidade da grandeza por ele representada (50 newtons, 20 m/s etc.). Simbolicamente, o módulo de um vetor v é escrito como v ou, simplesmente, v . + Texto elaborado pelos professores Luiz O. Q. Peduzzi e Sônia S. Peduzzi (Depto de Física UFSC). 2 A direção de um vetor é a da sua reta suporte. Já o seu sentido coincide com o da orientação do segmento de reta orientado. Os vetores a , b e c , da Fig. 3, têm como característica comum o mesmo módulo (admitindo como unidade de medida o comprimento ). Os vetores d e f , da Fig. 4, têm as três características iguais: mesmo módulo, mesma direção (as retas suportes são paralelas) e mesmo sentido. Neste caso, diz-se que os vetores são iguais, isto é, d f . Já o vetor e tem o mesmo módulo e a mesma direção que d e f , porém sentido contrário a eles. Pode-se relacioná-los escrevendo que f d e (onde o sinal negativo significa que o vetor e tem o sentido contrário ao dos outros dois. a b c a b c f d e f d e = = = 3 unidades = = = = Fig. 3 Fig. 4 1.3 - Adição e subtração de vetores pelo método geométrico Considere os vetores v1 e v2 da Fig. 5. A soma de v1 com v2 pode ser efetuada da seguinte maneira: fixa-se v1 e desloca-se v2 (mantendo-se inalteradas as suas características, isto é, seu módulo, direção e sentido), de modo que a origem de v2 coincida com a extremidade de v1 (Fig. 6). O vetor que tem por origem a origem de v1 e por extremidade a extremidade de v2 é o vetor soma de v1 com v2, v v1 2+ , como é visto na Fig. 7. Pode-se observar, através de uma simples inspeção visual, que a soma dos comprimentos de v1 e v2 é diferente do comprimento do vetor v v1 2+ . Fig. 5 Fig. 6 Fig. 7 A soma de v1 com v2 pode também ser feita desenhando-se os vetores com a mesma origem. O vetor resultante, v v1 2+ , é o vetor correspondente à diagonal do paralelogramo que tem por lados os vetores v1 e v2 (Fig. 8). 3 Fig. 8 Os procedimentos acima descritos possibilitam a soma geométrica de um número qualquer de vetores. Considere, por exemplo, a soma dos vetores A, B , C , D e E da Fig. 9. O vetor A B C D E+ + + + pode ser obtido da seguinte maneira: fixa-se o vetor A; desloca-se parale- lamente o vetor B de modo que a sua origem coincida com a extremidade de A; desloca-se, da mesma maneira, o vetor C tal que a sua origem coincida com a extremidade de B e assim su- cessivamente. O vetor soma tem por origem a origem do primeiro ( A) e por extremidade a ex- tremidade do último (E ) (Fig. 10). Fig. 9 Fig. 10 Considere, agora, os vetores A e B da Fig. 11. Para se obter geometricamente o vetor A B- , transforma-se a diferença em uma soma, já que A B A B- = + (- ). O vetor B tem mesmo módulo, mesma direção, mas sentido oposto ao do vetor B (Fig. 12). Desta forma, recai-se na soma dos vetores A e B , como pode ser visto na Fig. 13. Fig. 11 Fig. 12 Fig. 13 Para efetuar simultaneamente a adição e subtração de um número qualquer de vetores transformam-se as diferenças em somas e adota-se o procedimento já descrito para a soma de vários vetores. Por exemplo, L M N P L M N P - + - = + (- ) + + (- ) 4 1.4 - Adição e subtração de vetores de mesma direção pelo método analítico É conveniente, antes de se efetuar a soma e subtração analítica de vetores de mesma direção, definir o que se entende por vetor unitário. Um vetor é dito unitário quando o seu módulo é igual à unidade. O vetor unitário que tem a direção do eixo x e o sentido de x' para x (Fig. 14) é o vetor i . Fig. 14 Considere a soma geométrica de dois vetores unitários i (Fig. 15). Vê-se, por esta figura, que o vetor resultante i i+ tem mesma direção e sentido que o vetor i e módulo duas vezes maior. Este vetor é o vetor 2i . Fig. 15 O resultado acima permite interpretar uma igualdade como, por exemplo, A i= 7 da seguinte maneira: A é um vetor que tem mesma direção e sentido que o vetor i e módulo sete vezes maior. Já o vetor B i= -4 tem a mesma direção do vetor i , sentido oposto e módulo quatro vezes maior. Pode-se estender o procedimento utilizado na Fig. 15 para se somar e subtrair analiticamente vetores na direção x . a) Soma de vetores de mesma direção e sentido: Seja C i = 2 , D i = 6 e R o vetor resultante da soma dos vetores C e D . Soma analítica: Soma geométrica: , + = DCR , 6 + 2= iiR , ) 6 + 2 ( = iR . 8 = iR b) Soma de vetores de mesma direção e sentidos opostos: Seja iE 3 = , iF 5- = e R o vetor resultante da soma dos vetores E e F . 5 Soma analítica: Soma geométrica: , + = FER , 5 - 3 = iiR , ) 5 - 3 ( = iR . 2 - = iR A subtração de dois vetores quaisquer A e B , A B- , é feita transformando-se a diferença em uma soma, isto é, A B A B- = + (- ). Para vetores na direção y, pode-se realizar operações de adição e subtração de vetores utilizando-se um procedimento inteiramente análogo ao que se adotou para a direção x . Para isto é necessário que se defina um vetor unitário na direção y . O vetor unitário que tem a direção do eixo y e o sentido de y' para y (Fig. 16) é o vetor j . Fig. 16 Assim, o vetor resultante da subtração dos vetores A j = 12 e B j = 5 , R A B = - , tem mesma direção e sentido que o vetor j e módulo sete vezes maior (R j = 7 ). 1.5 - Componentes de um vetor Considere o sistema de eixos cartesianos xy . Seja ax um vetor na direção x e ay um vetor na direção y (Fig. 17). Da soma geométrica destes dois vetores resulta o vetor a (Fig. 18), Fig. 17 Fig. 18 . + = yaaa x ( 1 ) Os vetores ax e ay são denominados, respectivamente, vetores componentes do vetor a nas direções x e y . Estes vetores podem ser escritos em termos dos vetores unitários i e j . Assim, 6 a a ix x = ( 2 ) e . = jaa yy ( 3 ) Substituindo-se as relações (2) e (3) em (1), obtém-se . + = jaiaa yx ( 4 ) O escalar ax é a componente de a na direção x . Da mesma forma, ay é a componente de a na direção y. As componentes ax e ay podem ser escritas em termos do módulo do vetor a e do ângulo que a faz, por exemplo, como o semi-eixo positivo OX . Sendo este ângulo e representando-se por a o módulo do vetor a , obtém-se, através do triângulo retângulo que tem por lados a , ax e ay (Fig. 19), que: cos cos = = a a a ax x ( 5 ) e . = = sen aa a a y ysen ( 6 ) Fig. 19 Substituindo-se na eq. (4) os valores encontrados para ax e a y, respectivamente, nas eq. (5) e (6), obtém-se: . + = sen cos jaiaa ( 7 ) Exemplo 1: O vetor a , mostrado na Fig. 20, tem módulo igual a 5 cm e faz um ângulo de 1200 com o semi-eixo positivo OX . Determine as suas componentes nas direções x e y . 7 Fig. 20 Solução: Projetando-se o vetor a nos eixos x e y, pode-se obervar (Fig. 21) que a ix é um vetor com sentido oposto ao do vetor i ; portanto, a componente ax é negativa. Já o vetor a jy tem sentido igual ao do vetor j e ay é positivo. Usando-se a eq. (7), tem-se que: cm 50,2 -= 012 cos 5= 0xa e . = cm 4,33 = 120sen 5 0ya A partir do triângulo retângulo com lados 5 cm, ax e ay (Fig. 22) e observando o sentido dos vetores ax e ay , pode-se igualmente obter as componentes de a : cm 50,2 - = 60 cos 5 - = 0xa e . = cm 4,33 = 60sen 5 0ya Fig. 21 Fig. 22 1.6 - Adição e subtração analítica de vetores A adição/subtração de vetores no plano xy é feita somando-se/subtraindo-se as componentes destes vetores em cada uma das duas direções. Sendo a a i a jx y = + e b b i b jx y = + , obtém-se o vetor c a b = + da seguinte maneira: , + = bac 8 , + + + = jbibjaiac yxyx . ) + ( + ) + ( = jbaibac yyxx xbax + e ybay + são, respectivamente, as componentes de c nas direções x e y . Exemplo 2: Sendo A i = 3 , B j = 5 e C i j = + 4 6 , obtenha, analítica e geometricamente, os vetores R A B = + , S A B = - e = + V A C . Solução: , + = BAR . 5 + 3 = jiR , - = BAS . 5 - 3 = jiS , + = CAV , 6 + 4 + 3= jiiV . 6 + 7 jiV Exemplo 3: Os vetores d1 e d2 , mostrados na Fig. 23, têm módulos respectivamente iguais a 3 cm e 7 cm. Obtenha: a) o vetor d d d + 1 2 ; b) a direção do vetor d . Fig. 23 9 Solução: a) O vetor d é o vetor soma dos vetores d1 e d2 , . + = 21 ddd Escrevendo o vetor d1 em termos de suas componentes (expressas em cm) e dos vetores unitários i e j , obtém-se: , = 60sen 3 + 60 cos 3 - 0o1 jid . = 2,6 + 1,5 -1 jd i Analogamente para d2 : , + = 002 30sen 730 cos 7 jid . + = 3,5 6,12 jid Somando-se d1 e d2 , resulta: . + = 6,14,6 jid b) A direção de d é obtida calculando-se o ângulo que o vetor faz com o semi-eixo OX, por exemplo. tg = 6,1/4,6 1,33 = arc tg 1,33 530. O vetor d faz um ângulo de aproximadamente 530 o semi-eixo OX positivo. 1.7 - Vetores em três dimensões Até agora, trabalhou-se com vetores em uma e em duas dimensões. A situação que envolve vetores no espaço tridimensional é, no entanto, mais geral. Considere o sistema de eixos cartesianos xyz . Para se obter a expressão analítica de um vetor neste sistema de eixos, é necessário introduzir um vetor unitário na direção z , que vai desempenhar, nesta direção, papel análogo ao dos vetores i e j nas direções e x y. O vetor unitário que tem a direção do eixo z e o sentido de z' para z é o vetor k (Fig. 24). 10 Fig. 24 Seja ax um vetor na direção x , ay um vetor na direção y e az um vetor na direção z . Da soma geométrica destes três vetores (Fig. 25), resulta o vetor: . + + = zyx aaaa ( 8 ) Fig. 25 Os vetores ax , ay e az são denominados, respectivamente, vetores componentes do vetor a nas direções x , y e z . Estes vetores podem ser escritos como: , = iaa xx ( 9 ) a a jy y = ( 10 ) e . = kaa zz ( 11 ) Substituindo as relações (9), (10) e (11) na relação (8), obtém-se: . + + = kajaiaa zyx ( 12 ) O escalar ax é a componente de a na direção x ; ay é a componente de a na direção y e az a componente de a na direção z . A relação (12) é a expressão geral de um vetor no espaço tridimensional,escrita em termos de suas componentes e dos respectivos vetores unitários. 11 Exemplo 4: Represente, num diagrama xyz , os seguintes vetores: E i j k = + + 3 2 5 e F i j k = + - 2 4 5 . Solução: A Fig. 26 mostra o vetor E construído como a soma dos seus vetores componentes. Já o vetor F foi desenhado utilizando-se um paralelepípedo para melhor visualizá-lo no espaço. Fig. 26 Exemplo 5: Sendo A i j k= + -2 5 e B i k= +4 2 , determine os vetores R A B= +2 e S A B= - . Solução: , + 2 = BAR , 2 + 4 + ) 5 - + 2 ( 2 = kikjiR , 2 + 4 + 10 - 2 + 4 = kikjiR ,) 2 + 10 - ( + 2 + ) 4 + 4 ( = kjiR . 8 - 2 + 8 = kjiR - = BAS ,) 2 + 4 ( - 5 - + 2 = kikjiS , 2 - 4 - 5 - + 2 = kikjiS , ) 2 - 5- ( + + ) 4 - 2 ( = kjiS .7 - + 2- = kjiS 12 1.8 - Produto de vetores Além de somar e subtrair vetores pode-se, também, multiplicá-los, efetuando o produto escalar e o produto vetorial entre dois vetores. Estas operações serão estudadas a seguir, já que muitas grandezas físicas são expressas em termos destes dois produtos. 1.9 - Produto escalar O produto escalar de dois vetores a e b , representado por a b . (lê-se a escalar b), é definido como o produto do módulo de a pelo módulo de b pelo cosseno do ângulo formado entre a e b , ou seja, , cos = . baba ( 13 ) onde é o ângulo entre a e b (Fig. 27). Fig. 27 Pode-se também dizer que o produto escalar de dois vetores a e b é igual ao produto do módulo do vetor a pela componente do vetor b na direção de a (Fig. 28). ) ) ( = de direção na de componente ( cos . a b baba A eq. (13) indica que o produto escalar de dois vetores dá como resultado uma grandeza escalar. Para melhor compreensão desta equação, considere as seguintes situações: a) O produto escalar de dois vetores perpendiculares é zero, porque 900 e 090cos =0 . , = 0 ++ 09 cos 0 . baba = .0 . ba Da mesma forma, Fig. 28 13 . , , , etc000 = . = . = . ikkjji ( 14 ) b) O produto escalar de dois vetores que formam entre si um ângulo tal que 0 900, é positivo. + ++ cos , = . baba . 0 . ba c) O produto escalar de dois vetores que formam entre si um ângulo tal que 90 1800 0 , é negativo. ++ cos , = . baba .0 . ba d) O produto escalar de um vetor por ele mesmo é igual ao módulo do vetor ao quadrado, pois o ângulo entre vetores de mesma direção e sentido é 00 e cos .0 10 , 00 cos = . aaaa . 2 = . aaa ( 15 ) De forma análoga, . , , 1 =1 =1 = . . . kkjjii ( 16 ) A definição do produto escalar de dois vetores envolve o módulo dos vetores e o ângulo entre eles. Uma outra maneira de expressar o produto escalar de dois vetores é através das componentes destes vetores. Seja kajaiaa zyx + + = e kbjbibb zyx + + = . Efetuando-se o produto ba . , tem-se: ) + + ( . ) + + ( = . kbjbibkajaiaba zyxzyx , . + . + . + + . + . + . + + . + . + . = . kbkajbkaibka kbjajbjaibja kbiajbiaibiaba zzyzxz zyyyxy zxyxxx 14 , . + . + . + + . + . + . + + . + . + . = . kkbajkbaikba kjbajjbaijba kibajibaiibaba zzyzxz zyyyxy zxyxxx . + + = . zzyyxx babababa ( 17 ) Exemplo 6: Seja k - + 34 = 1 jixv e kjiv - - = 632 . Determine o valor de x para que os vetores v1 e v2 sejam perpendiculares. Solução: O produto escalar de dois vetores perpendiculares é nulo, logo, 0= . 21 vv . Assim, usando a eq. (17), resulta: ,0 = ) 1- ( ) 3- ( +) 6- ( ) 4 ( + 3 x ,21 = 3 x 7. = x As relações (15) e (17) permitem calcular o módulo de um vetor. Fazendo o produto escalar de um vetor a , qualquer, por ele próprio, primeiro usando a relação (15) e depois a (17), obtém-se: 2 = . aaa e , + + = . zzyyxx aaaaaaaa . + + = 222 . zyx aaaaa Da igualdade destas duas equações, resulta: , + + = 2222 zyx aaaa . + + = 222 zyx aaaa ( 18 ) Exemplo 7: Sendo = + + 10 3 kjiA e kjiB - + - = 27 , determine o módulo do vetor BAC + = . Solução: , + BAC , 2 - + 7 - + 10 + 3 = kjikjiC . - 11 + 4- kjiC 15 Utilizando-se a eq. (18), calcula-se o módulo do vetor C . unidades 75,11) 1- () 11 () 4- ( = + + = 222C Exemplo 8: Calcule o ângulo entre os vetores j - i = 43a e . 6 - 8 = jib Solução: Da relação (13), obtém-se: , + + + = = 2222 ) 6- () 8 () 4- () 3 ( ) 6- ( ) 4- () 8 ( ) 3 ( cos . ba ba ,0,96= cos . 016,26 = O produto escalar pode também ser utilizado para a obtenção do módulo do vetor resultante da soma de dois vetores. Sejam a e b dois vetores, de módulos respectivamente iguais a a e b, que formam entre si um ângulo . Seja r o vetor resultante da soma destes dois vetores (Fig. 29). Fig. 29 Fazendo-se o produto escalar de + = bar por ele próprio, obtém-se: ), + ( . ) + ( = . babarr , . + . + . + . = . bbabbaaarr , 222 + cos + cos + = babbaar . + + = cos2 22 babar ( 19 ) Casos particulares desta equação: 16 a ) Quando os vetores são perpendiculares )( 090= , o módulo do vetor r é igual à raiz quadrada da soma dos quadrados dos módulos dos vetores a e b , , + + = 022 09 cos2 babar . + = 22 bar b) Se os vetores tiverem a mesma direção e o mesmo sentido (( ) = 00 , o módulo do vetor soma é a soma dos módulos dos vetores, , + + = 02 0 cos2 2 babar , + + = 222 babar . = )( = + + 2 babar c) Para vetores de mesma direção e sentidos opostos )0180 = ( , o módulo do vetor r é a diferença dos módulos dos vetores a e b , , + + = 022 801 cos2 babar , - + = 222 babar , ) ( = 2 - bar , - = babar ou , . - = ababr 1.10 - Produto vetorial Sejam a e b dois vetores que formam entre si um ângulo . O produto vetorial de a e b , representado po a x b ( lê-se a vetorial b), dá como resultado um vetor c (a x b c = ) que tem asseguintes características: Módulo: O módulo do vetor c é igual ao produto do módulo de a pelo módulo de b pelo seno do ângulo formado por a e b , .. . = = sen babxac ( 20 ) 17 Direção: O vetor c é perpendicular ao plano determinado pelos vetores a e b , ou seja, c é perpendicular, simultaneamente, a a e a b . Sentido: O sentido do vetor c é dado pela regra da mão direita. Para determinar o sentido do vetor c , considere os dedos polegar, indicador e médio da mão direita, como está indicado na Fig. 30. Fig. 30 Se o polegar apontar no sentido do vetor a e o indicador no sentido do vetor b , o dedo médio indicará o sentido do vetor c (Fig. 31). Fig. 31 Para exemplificar o uso da regra da mão direita, considere os vetores E , F e G da Fig. 32 e os seguintes produtos: Fig. 32 a) E x F : este produto dá como resultado um vetor de direção e sentido iguais ao do vetor G ; b) G x E : deste produto resulta um vetor de direção e sentido iguais ao do vetor F ; c) G x F : o vetor resultante deste produto tem a mesma direção que o vetor E e sentido oposto ao mesmo. Usando a regra da mão direita e a eq. (21), pode-se mostrar que, para dois vetores quaisquer A e B , vale a relação: 18 . = AxBBxA ( 21 ) Considere, agora, os vetores unitários i , j e k . Do produto i x j resulta um vetor de: módulo: ; 1 =90sen . 1 . 1 0 = jxi direção: coincidente com a do eixo z ; sentido: de z' para z . O vetor com estas características é o vetor .k Portanto, . = kjxi ( 22 ) De acordo com a eq. (21), . -= kixj ( 23 ) Do mesmo modo, , - = , = ijxkikxj ( 24 ) . - = , = jkxijixk ( 25 ) O produto i x i dá como resultado um vetor de módulo nulo, isto é, . = 00sen . 1 . 1 ixi O vetor de módulo igual a zero é o vetor nulo. Deste modo, . 0 = ixi ( 26 ) Analogamente, ; = 0 jxj ( 27 ) . = 0 kxk ( 28 ) Exemplo 9: Suponha que o módulo dos vetores da Fig. 32 sejam ,3 = E 2= F e .2 = G Determine os produtos vetoriais E x F , E x G e GxF . Solução: ; = = 62 3 kji xFxE ; 6 - = 2 3 = jxGxE ki 19 . 4= 2 2 = ikj xGxF O produto vetorial de dois vetores pode ser expresso em função das componentes destes vetores. Assim, seja k + + = zyx ajaiaa e k + + = zyx bjbibb . Efetuando-se o produto vetorial entre a e b , a x b , segue que: ), + + ( ) + + ( = kbjbibxkajaiabxa zyxzyx , + + + + + + + + + + = kbxkajbxkaibxka kbxjajbxjaibxja kbxiajbxiaibxiabxa zzyzxz zyyyxy zxyxxx ,0 + )( + )( + + )( + 0 + )( + + )( + + 0 = zzyzxz zyyyxy zxyxxx baibajba ibabakba jbakbababxa . ) ( + + ) ( + ) ( = kbaba jbabaibababxa xyyx zxxzyzzy ( 29 ) A eq. (29) pode ser obtida de forma mais simples, utilizando-se um determinante. Esse determinante é construído da seguinte maneira: na sua primeira linha são colocados os vetores unitários i , j e k ; na segunda linha aparecem as componentes do primeiro vetor ( )a , nas direções x y z, e ; a última linha do determinante é formada pelas componentes do segundo vetor ( )b nas direções . e , zyx a x b i j k a a a b b b x y z x y z = ( 30 ) Exemplo 10: Encontre um vetor perpendicular aos vetores - = 3 kiA e .75 + -= kjB Solução: Do produto A x B resulta um vetor perpendicular aos vetores A e B . Utilizando-se o determinante da eq. (30) para calcular este vetor, obtém-se: = 7 5 0 1 0 3 kji BxA 20 . = 15 - 21 - 5 - kjiBxA Exemplo 11: Determine o módulo do vetor ,= pxrL se 3 + - 4 = kjir e . + = 26 jip Solução: Calcula-se, primeiro, o determinante da eq. (30) para obter o vetor .= pxrL Depois disso, obtém-se o módulo do vetor L usando a eq. (19). = = 0 2 6 3 1- 4 kji pxrL , 6 - 6 + 18 + 8 = ikjkL , 14 + 18 + 6 - = kjiL . = + + = unidades 23,58(14) (18)6) (- 222L
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