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1 Universidade Federal do Ceará Centro de Tecnologia – Depto de Integração Acadêmica e Tecnológica (DIATEC) Disciplina: Física Fundamental – Professora: Talita – Data: ____/____/2018 Nome: __________________________________________ – Matrícula: _____________ Aula 9 Rotação O camarão-de-estalo atordoa a presa (pequenos crustáceos) fechando uma garra desproporcionalmente grande para o seu tamanho, mas não chega a tocar a presa. Na verdade, a presa é atingida por uma forte onda sonora produzida pela parte móvel da garra ao se aproximar da parte fixa. Esse som (um estalo parecido com o de um milho de pipoca estourando) é tão alto que pode ser ouvido pelos mergulhadores e, no caso de muitos camarões, pode ser suficiente para impedir que um submarino seja detectado pelo sonar. A onda sonora também pode produzir clarões luminosos, um fenômeno conhecido como sonoluminescência. Alguns cientistas apelidaram a luz produzida por camarões de camaroluminescência. Como o pequeno camarão-de-estalo produz com a garra um som tão alto que atordoa a presa? A resposta está nesta aula. 1. A Rotação Você sabe que um dos focos da física é a movimento. No entanto, até aqui examinamos apenas o movimento de translação, no qual um objeto se move apenas em linha reta. Vamos agora considerar o movimento de rotação, no qual um objeto gira em torno de um eixo. No dia a dia, nos deparamos com a rotação inúmeras vezes. Você a vê em quase todas as máquinas, você a usa sempre que abre uma lata de bebida com lingüeta de puxa e você paga para experimentá-la sempre que vai a um parque de diversões. A rotação é a chave para muitas atividades, como acertar uma longa tacada no golfe (a bola precisa girar para se manter em vôo durante um intervalo de tempo mais longo) ou arremessar uma bola de beisebol com efeito de curva (a bola precisa girar para que o ar a empurre para a esquerda ou para a direita). A rotação também é a chave para assuntos mais sérios, como a fadiga de metais em aviões antigos, por exemplo. 2 (a) (b) (c) Figura 1 – (a) Patinadora em um movimento de translação pura em uma direção fixa, (b) em rotação em torno de um eixo vertical e (c) em um movimento mal executado. 2. As variáveis da Rotação Desejamos examinar a rotação de um corpo rígido em torno de um eixo fixo. Um corpo rígido é um corpo que pode girar com todas as suas partes travadas conjuntamente sem qualquer mudança de forma. Um eixo fixo significa que a rotação ocorre em torno de um eixo que não se move. A figura seguinte mostra um corpo rígido de forma arbitrária em rotação em torno de um eixo fixo, chamado eixo de rotação. Em uma rotação pura (movimento angular) todos os pontos do corpo se movem em um circulo cujo centro está sobre o eixo de rotação e todos os pontos descrevem o mesmo ângulo em um mesmo intervalo de tempo. Na translação pura (movimento linear), todos os pontos se movem ao longo de uma linha reta e todos os pontos sofrem o mesmo deslocamento linear em um mesmo intervalo de tempo. Vamos agora trabalhar com os equivalentes das grandezas lineares como posição, deslocamento, velocidade e aceleração. Posição Angular A figura anterior mostra uma linha de referência, fixa no corpo, perpendicular ao eixo de rotação girando com o corpo. A posição angular desta linha é o ângulo da linha em relação a um sentido fixo, 3 r s que tomamos como a posição angular igual a zero. Na figura seguinte, a posição angular é medida em relação ao sentido positivo do eixo x. Pela geometria, sabemos que Aqui, s é o comprimento de um arco de círculo que se estende do eixo x (a posição angular igual a zero) até a linha de referência, e r é o raio do círculo. Um ângulo definido dessa forma é medido em radianos (rad) e não em revoluções (rev) ou graus. Deslocamento Angular Se o corpo da figura anterior gira em torno de um eixo de rotação como mostrado na figura seguinte, variando a posição angular da linha de referência de 1 para 2, corpo sofre um deslocamento angular dado por Esta definição do deslocamento angular vale não apenas para um corpo rígido com um todo, mas também para todas as suas partículas, uma vez que suas posições relativas estão fixas. Se um corpo está em movimento de translação ao longo de um eixo x, seu deslocamento x pode ser positivo ou negativo, dependendo se o movimento ocorre no sentido positivo ou negativo do eixo. Da mesma forma, o deslocamento angular de um corpo em rotação pode ser positivo ou negativo, de acordo com a seguinte regra: Um deslocamento angular no sentido anti-horário é positivo e um deslocamento angular no sentido horário é negativo. Velocidade Angular Suponha que o corpo em rotação está em uma posição angular 1 no instante t1 e na posição 2 no instante t2, como na figura anterior. Definimos a velocidade angular média do corpo no intervalo de tempo t de t1 a t2 por 12 tttméd 12 12 4 dt d tt 0lim na qual é o deslocamento angular que ocorre no intervalo t. A velocidade angular instantânea é o limite da razão da equação anterior quando t tende a zero. As equações acima valem não apenas para o corpo rígido como um todo, mas também para todas as suas partículas, uma vez que suas distâncias relativas estão fixas. A unidade de velocidade angular mais comum é o radiano por segundo (rad/s). Aceleração Angular Se a velocidade angular de um corpo em rotação não é constante, então o corpo tem uma aceleração angular. Sejam 1 e 2 suas velocidades angulares nos instantes t1 e t2, respectivamente. A aceleração angular média do corpo em rotação no intervalo de t1 para t2 é definida por na qual é a variação na velocidade angular que ocorre no intervalo t. A aceleração angular instantânea é o limite desta grandeza quando t tende a zero. As equações acima também são válidas para todas as partículas do corpo. Em geral, a unidade de aceleração angular é o radiano por segundo ao quadrado (rad/s2). 2. As Grandezas Angulares São Vetores? Posição, velocidade e aceleração de uma partícula são normalmente expressas através de vetores. Quando uma partícula se move em linha reta, porém, não é necessário usar a notação vetorial. Nessas condições a partícula pode se mover apenas em dois sentidos, que podemos indicar usando os sinais negativo e positivo. Da mesma forma, um corpo rígido em rotação em torno de um eixo fixo só pode girar nos sentidos horário e anti-horário, e podemos esses sentidos usando os sinais negativo e positivo. A questão tttméd 12 12 dt d tt 0lim 5 que se levanta é a seguinte: “No caso mais geral, podemos expressar o deslocamento, a velocidade e a aceleração angular de um corpo rígido em rotação através de vetores?” A resposta é um “sim” cauteloso. Considere a velocidade angular. A figura seguinte mostra um disco de vinil girando em um toca- discos. O disco tem uma velocidade angular constante ( = 33 1/3 rev/min) no sentido horário. Podemos representar a velocidade angular do disco como um vetor apontando ao longo do eixo de rotação, como na figura (b) abaixo. A regra é a seguinte: escolhemos o comprimento do vetor de acordo com uma escala conveniente, por exemplo, 1 cm para cada 10 rev/min. Em seguida, determinamos o sentido do vetor usando a regra da mão direita, como mostra a figura (c) abaixo. Envolva o disco com a mão direita, com os dedos apontando no sentido da rotação; o polegar estendido mostra o sentido do vetorvelocidade angular. Se o disco estivesse girando no sentido oposto, a regra da mão direita indicaria o sentido oposto para o vetor velocidade angular. A representação de grandezas angulares por vetores não é tão fácil de compreender como a representação de grandezas lineares. Instintivamente, esperamos que algo se mova na direção do vetor. Não é o que acontece. Em vez disso, temos algo (o corpo rígido) que gira em torno da direção do vetor. No mundo das rotações puras, um vetor define um eixo de rotação, mas não uma direção do movimento. Entretanto, o vetor também define movimento. 3. Relacionando as Variáveis Lineares e Angulares Freqüentemente precisamos relacionar as variáveis lineares (s, v, a) de um ponto particular em um corpo em rotação com as variáveis angulares (, e ) para o corpo. Os dois conjuntos de variáveis estão relacionados por r, a distância perpendicular do ponto em relação ao eixo de rotação. Esta distância perpendicular é a distância do ponto ao eixo de rotação, medida ao longo de uma perpendicular ao eixo. Ela é também o raio r da circunferência descrita pelo ponto em torno do eixo de rotação. A Posição 6 Se uma linha de referência em um corpo rígido gira de um ângulo , um ponto no corpo em uma posição r em relação ao eixo de rotação descreve um arco de circulo de comprimento s, onde s é dado por Esta é a primeira das relações linear-angular que trataremos aqui. Não esqueça que o ângulo deve ser medido em radiano. A Velocidade Derivando a equação anterior em relação ao tempo – lembrando que r é constante, temos: Contudo, ds/dt é a velocidade linear (velocidade escalar) do ponto em questão e d/dt é a velocidade angular do corpo em rotação. Logo Se a velocidade angular do corpo rígido for constante, enquanto a equação acima informa que a velocidade linear também é constante. Assim, cada ponto no corpo descreve um movimento circular uniforme. O período de revolução T para o movimento de cada ponto e para o próprio corpo rígido é dado por Esta equação nos diz que o tempo para uma revolução é a distância 2r percorrida em uma volta completa dividida pelo módulo da velocidade com a qual a distância é percorrida. Assim: A Aceleração dt drr dt d dt ds )( rv v rT 2 2T rs 7 Derivando a equação v = r em relação ao tempo – lembrando que r é constante, temos: Aqui, temos uma complicação. Na equação acima, dv/dt representa apenas uma parte da aceleração linear responsável por variações no módulo de v. Assim como v, esta parte da aceleração linear é tangente à trajetória do ponto em questão. Chamamos, então, at de componente tangencial da aceleração linear e: onde = d/dt. Além disso, lembramos também que a partícula que se move em uma trajetória circular tem uma componente radial da aceleração linear, que é dada por que é dirigida sempre para o centro da trajetória e é responsável por variações na direção da velocidade linear. Assim, temos: 4. Energia Cinética de Rotação A lâmina de uma serra elétrica de mesa em rápida rotação certamente possui energia cinética associada à esta rotação. Como podemos expressar esta energia? Não podemos aplicar a fórmula familiar K = mv2/2 para a serra como um todo, pois isto nos informaria apenas a energia cinética do centro de massa da serra, que é zero. Em vez disso, trataremos a serra de mesa (e qualquer outro corpo rígido em rotação) como uma coleção de partículas com diferentes velocidades. Podemos, então, adicionar as energias cinéticas de todas as partículas para encontrar a energia cinética do corpo como um todo. Dessa forma obtemos, para a energia cinética de um corpo em rotação: dt drr dt d dt dv )( rat r var 2 r r var 2 2 2 2 33 2 22 2 11 2 1 ... 2 1 2 1 2 1 iivmK vmvmvmK 8 na qual mi é a massa da i-ésima partícula e vi é a sua velocidade. A soma é realizada sobre todas as partículas no corpo. O problema com a equação acima é que vi não é a mesma para todas as partículas. Resolvemos este problema substituindo o valor de v (v = r), de modo que na qual é a mesma para todas as partículas. A quantidade entre parênteses no lado direito da equação anterior nos diz como a massa do corpo em rotação está distribuída em torno do eixo de rotação. Chamamos esta quantidade de momento de inércia (ou inércia rotacional) I do corpo em relação ao eixo de rotação. Ela é uma constante para um corpo rígido particular e para um eixo de rotação particular. Podemos agora escrever e assim obtemos Como usamos v = r na dedução da equação anterior, precisa ser expresso em radianos por unidade de tempo. Logo, no SI, a unidade para I é o quilograma-metro ao quadrado (kgm2) Notamos anteriormente que o momento de inércia de um corpo em rotação envolve não apenas sua massa, mas também a forma como esta massa está distribuída. Aqui está um exemplo que você pode, literalmente sentir. Gire uma haste longa e razoavelmente pesada (um cabo de vassoura, por exemplo), primeiro em torno do seu eixo central (longitudinal) – que corresponde à figura (a) e em seguida em torno de um eixo perpendicular à haste que passa através do seu centro – que corresponde à figura (b). As duas rotações envolvem a mesma massa, mas a primeira rotação é muito mais fácil do que a segunda. A razão é que a massa está 222 2 1)( 2 1 iiii rmrmK 2ii rmI 2 2 1 IK 9 dmrI 2 distribuída mais proximamente do eixo na primeira rotação. Como resultado, o momento de inércia da haste é muito menor na situação da figura (a) do que na figura (b). Em geral, um momento de inércia menor significa uma rotação mais fácil. 5. Cálculo do Momento de Inércia Se um corpo rígido compõe-se de poucas partículas, podemos calcular sei momento de inércia em torno de um dado eixo de rotação com a equação anterior, ou seja, podemos encontrar o produto mr2 para cada partícula e então somar os produtos. Se um corpo rígido consiste em um número muito grande de partículas adjacentes (ele é contínuo), usar a equação anterior iria requerer um computador, por exemplo. Portanto, trocamos a soma da equação anterior por uma integral e definimos o momento de inércia de um corpo como A tabela seguinte nos fornece os resultados de tal integração para nove corpos comuns e para os eixos de rotação indicados. 10 6. Teorema dos Eixos Paralelos Suponha que estamos interessados em determinar o momento de inércia I de um corpo de massa M em relação a um eixo dado.Em princípio, podemos sempre calcular o valor de I usando a integral anterior. Contudo, o problema fica mais fácil se conhecemos o momento de inércia ICM do corpo em relação a um eixo paralelo ao eixo desejado, passando pelo centro de massa. Seja h a distância perpendicular entre o eixo dado e o eixo que passa pelo centro de massa (lembre-se de que esses dois eixos devem estar paralelos). Neste caso, o momento de inércia I em relação ao eixo dado é 2MhII CM Esta equação é conhecida como teorema dos eixos paralelos. Vamos demonstrar o teorema acima. Seja O o centro de massa de um corpo de forma arbitrária cuja secção reta é mostrada ao lado. Posicione a origem de um sistema de coordenadas em O. Considere um eixo passando por O e perpendicular ao plano do papel e outro eixo passando pelo ponto P e paralelo ao primeiro eixo. Suponha que as coordenadas x e y do ponto P sejam a e b, respectivamente. Seja dm um elemento de massainfinitesimal de coordenadas genéricas x e y. De acordo com a integral vista anteriormente, o momento de inércia do corpo em relação ao eixo que passa por P é dado por dmbyaxdmrI 222 que pode ser reescrita na forma dmbaydmbxdmadmyxI 2222 22 De acordo com a definição de centro de massa, as duas integrais do meio da equação acima são as coordenadas do centro de massa (multiplicadas por constantes) e, portanto, devem ser nulas. Como 222 Ryx , onde R é a distância de O a dm, a primeira integral é simplesmente ICM, o momento de inércia do corpo em relação a um eixo passando pelo centro de massa. Observando a figura anterior, 11 vemos que o último termo da equação anterior é 2Mh , onde M é a massa total do corpo. Assim, demonstramos o teorema dos eixos paralelos. 7. Torque Pense bem, você já viu uma porta com a maçaneta no meio desta porta? Acho que não. Uma maçaneta fica sempre localizada em um ponto o mais afastado possível do eixo das dobradiças por uma boa razão. Para abrir uma porta pesada, você certamente deve aplicar uma força; apenas isso, contudo, não é suficiente. O ponto onde você aplica a força e o sentido em que você empurra também são importantes. Se você aplicar sua força mais perto do eixo das dobradiças do que da maçaneta ou em qualquer ângulo diferente de 90° em relação ao plano da porta, você precisa usar uma força mais intensa para mover a porta do que se aplicar a força na maçaneta perpendicularmente ao plano da porta. A figura ao lado mostra uma seção transversal de um corpo que está livre para girar em torno de um eixo passando por O e perpendicular à seção transversal. A força F é aplicada no ponto P, cuja posição em relação ao ponto O é definida pelo vetor posição r . Os sentidos os vetores F e r fazem um ângulo um com o outro. Para determinar como F provoca uma rotação do corpo em torno do eixo de rotação, nós a decompomos em duas componentes. Uma componente, chamada de componente radial Fr aponta ao longo do sentido de r . Esta componente não prova rotação porque ela atua ao longo de uma linha que passa através de O. A outra componente, chamada de componente tangencial Ft é perpendicular a r e tem módulo Ft = Fsen. Esta é a componente que provoca a rotação. A habilidade de F de girar um corpo não depende apenas da intensidade de sua componente tangencial Ft mas também do quão distante em relação a O a força é aplicada. Para incluir esses dois fatores, vamos definir um torque como sendo A unidade de torque é o Newton-metro (Nm). rFsen 12 8. A Segunda Lei de Newton para a Rotação Um torque pode causar a rotação de um corpo rígido, como, por exemplo, quando você abre ou fecha uma porta. Queremos aqui relacionar o torque resultante res sobre um corpo rígido com a aceleração angular que o torque produz em torno do eixo de rotação. Fazemos isso por analogia com a segunda lei de Newton para a aceleração a de um corpo de massa m produzida por uma força resultante de intensidade Fres ao longo de um eixo de coordenadas. Trocamos a força Fres pelo torque res, a massa m pelo momento de inércia I e a aceleração linear a pela aceleração angular , logo: onde tem que ser medido em radiano. Para encontrar esta equação acima, vamos observar a figura ao lado. Observe que o corpo rígido é constituído por uma partícula de massa m na extremidade de uma barra de massa desprezível de comprimento r. A barra pode se mover apenas girando em torno de um eixo, perpendicular ao plano do papel, que passa pela outra extremidade da barra. Assim, a partícula pode se mover apenas em uma trajetória circular com o centro no eixo de rotação. Uma força F age sobre a partícula. Como, porém, a partícula só pode se mover ao longo de uma trajetória circular, apenas a componente tangencial da força tF (a componente que é tangente à trajetória circular) pode acelerar a partícula ao longo da trajetória. Podemos relacionar Dêem-me uma alavanca e um ponto de apoio e eu moverei o mundo. Ires 13 tF à aceleração tangencial ta da partícula ao longo da trajetória através da segunda lei de Newton, escrevendo: tt maF Mas, sabemos que o torque é dado por rmarF tt Mas, lembrando da relação entre as grandezas angulares e escalares, temos: rat Logo: 22 mrrmrmat A grandeza entre parênteses do lado direito da igualdade anterior é o momento de inércia da partícula em torno do eixo de rotação, logo: I Na situação em que várias forças agem sobre a partícula, podemos generalizar a equação anterior: IR Podemos estender esta equação a qualquer corpo rígido girando em torno de um eixo fixo, uma vez que o corpo sempre pode ser considerado como um conjunto de partículas. 9. Trabalho e Energia Cinética de Rotação Como vimos anteriormente, quando uma força F acelera um corpo rígido de massa m ao longo de um eixo de coordenadas, a força realiza um trabalho W sobre o corpo. Isso significa que a energia cinética do corpo 2 2 1 mvK pode mudar. Suponha que esta seja é única energia do corpo que varia. Neste caso, podemos relacionar a variação K da energia cinética ao trabalho W através do teorema do trabalho e energia cinética, escrevendo: 14 WmvmvKKK ifif 22 2 1 2 1 Para um movimento restrito ao eixo x, podemos calcular o trabalho usando f i x x FdxW Esta equação se reduz a W = Fd quando F é constante e o deslocamento do corpo é d. A taxa com a qual o trabalho é realizado é a potência, que pode ser calculada como Fv dt dWPot Vamos considerar uma situação análoga para rotações. Quando um torque acelera um corpo rígido em torno de um eixo fixo, o torque realiza trabalho W sobre o corpo. Isso significa que a energia cinética rotacional do corpo 2 2 1 IK pode mudar. Suponha que esta seja a única energia do corpo que varia. Nesse caso, ainda podemos relacionar a variação K da energia cinética ao trabalho W através do teorema do trabalho e energia cinética, mas agora a energia cinética é uma energia cinética rotacional: WIIKKK ifif 22 2 1 2 1 onde I é o momento de inércia do corpo em relação ao eixo fixo e i e f são, respectivamente, as velocidades angulares do corpo antes e depois que o trabalho é realizado. Podemos também calcular o trabalho executado em uma rotação usando uma equação análoga à f i x x FdxW , onde é o torque responsável pelo trabalho W e i e f são, respectivamente, as posições angulares do corpo antes e depois da rotação. Quando é constante, a equação anterior se reduz a ifW A taxa com a qual o trabalho é realizado é a potência, que pode ser calculada usando uma equação equivalente à Fv dt dWPot , f i dW 15 dt dWPot Esta equação expressa a potência desenvolvida durante a rotação em torno de um eixo fixo. A tabela a seguir mostra as equações que descrevem a rotação de um corpo rígido em torno de um eixo fixo e as equações correspondentes para movimentos de translação. Translação pura (Direção Fixa) Rotação Pura (Eixo Fixo) Posição x Posição angular Velocidade dt dxv Velocidade angular dtd Aceleração dt dva Aceleração angular dtd Massa m Momento de inérciaI Segunda lei de Newton maFR Segunda lei de Newton IR Trabalho FdxW Trabalho dW Energia cinética 2 2 1 mvK Energia cinética 2 2 1 IK Potência (força constante) FvPot Potência (torque constante) Pot Teorema do trabalho e energia cinética KW Teorema do trabalho e energia cinética KW Para demonstrar algumas equações anteriores, vamos considerar a figura ao lado, onde uma força F faz girar um corpo rígido composto por uma partícula de massa m presa na extremidade de uma barra de massa desprezível. Durante a rotação, a força F realiza trabalho sobre o corpo. Vamos supor que a única energia do corpo que varia é a energia cinética. Nesse caso, podemos aplicar o teorema do trabalho e energia cinética: WKKK if Lembrando que 2 2 1 mvK e rv , temos O momento de inércia do corpo é 2mrI , logo: WrmrmK if 22 2121 WIIK if 22 2 1 2 1 16 que é a equação que deduzimos para um corpo rígido particular, mas que é válida para qualquer corpo rígido em rotação em torno de um eixo fixo. Vamos agora relacionar o trabalho W realizado sobre o corpo da figura anterior ao torque exercido sobre o corpo pela força F . Quando a partícula se desloca de uma distância ds ao longo da trajetória circular, apenas a componente tangencial da força Ft acelera a partícula ao longo da trajetória. Assim, apenas Ft realiza trabalho sobre a partícula. Esse trabalho dW pode ser escrito como Ftds. Entretanto, podemos substituir ds por rd, onde d é o ângulo descrito pela partícula. Temos, então: rdFdW t Mas sabemos que o produto Ftr é igual ao torque , de modo que podemos reescrever a equação acima como ddW O trabalho realizado ao longo de um deslocamento angular finito, de i até f será: f i dW Esta equação vale para qualquer corpo rígido em rotação em torno de um eixo de rotação fixo. Podemos, ainda, calcular a potência Pot desenvolvida por um corpo em movimento de rotação, como: dt d dt dWPot O estranho camarão-de-estalo O camarão-de-estalo, ou camarão-pistola de como é chamado, tem uma peculiaridade dentre os camarões, suas garras são uma grande arma de defesa, mas não do modo tradicional de pegar as presas e estraçalhá-las. Primeiro, ele as abre, depois as fecha com uma velocidade incrível, e quando ele fecha, cria-se uma bolha de ar, e em uma velocidade sônica, atinge a presa. E quando essa bolha estoura, gera um barulho ensurdecedor de aproximadamente 200 decibéis, e isso atordoa qualquer animal que for atingido. Com câmeras especias, os cientistas descobriram que quando as garras se fecham em questão 17 de microsegundos, a bolha gera uma luz, e essa luz chega a aproximadamente 9900°C, quase a temperatura do Sol! Na garra desproporcionalmente grande de um camarão-de-estalo, o dáctilo (parte móvel da garra) é puxado para longe do propódio (parte estacionaria da garra) por um músculo que é gradualmente colocado sob tensão. A energia armazenada no músculo aumenta à medida que a tensão aumenta. A brusca liberação do dáctilo permite que ele gire em torno de um eixo e se choque com o propódio após um intervalo de tempo t de apenas 290s. Em particular, a cerda do dáctilo penetra em uma cavidade do propódio, fazendo com que a água seja expulsa tão depressa da cavidade que sofre cavitação. Em outras palavras, formam-se bolhas de vapor d’água. Essas bolhas crescem rapidamente e depois murcham, emitindo ondas sonoras de grande intensidade. A combinação de ondas sonoras emitidas por muitas bolhas pode atordoar as presas do camarão.
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