Baixe o app para aproveitar ainda mais
Prévia do material em texto
FÍSICA I E II 1 Física I e II Equipe de Elaboração Instituto Mineiro de Formação Continuada Coordenação Geral Ana Lúcia Moreira de Jesus Gerência Administrativa Marco Antônio Gonçalves Professor-autor M.ª Thaís de Sousa e Souza Coordenação de Design Instrucional do Material Didático Eliana Antonia de Marques Diagramação e Projeto Gráfico Cláudio Henrique Gonçalves Revisão Ana Lúcia Moreira de Jesus Mateus Esteves de Oliveira ZAYN –Instituto Mineiro de Formação Continuada Praça Nossa Senhora do Carmo, 228, Centro, Carmópolis de Minas – MG CEP: 35.534-000 TEL: (37) 3333-2233 contato@institutozayn.com.br 2 Física I e II Apresentação Boas-vindas! É com grande satisfação que o ZAYN – Instituto Mineiro de Formação Continuada agradece por escolhê-lo para realizar e/ou dar continuidade aos seus estudos. Estamos empenhados em oferecer todas as condições para que você alcance seus objetivos, rumo a uma formação sólida e completa, ao longo do processo de aprendizagem por meio de uma fecunda relação entre instituição e aluno. Desse modo, prezamos por um elenco de valores que colocam o aluno no centro de nossas atividades profissionais. Temos a convicção de que o educando é o principal agente de sua formação e que, devido a isso, merece um material didático atual e completo, que seja capaz de contribuir singularmente em sua formação profissional e cidadã. Some-se a isso também, o devido respeito e agilidade de nossa parte para atender à sua necessidade. Cuidamos para que nosso aluno tenha condições de investir no processo de formação continuada de modo independente e eficaz, honrando pela assiduidade e compromisso discente. Com isso, disponibilizamos uma plataforma moderna capaz de oferecer a você total assistência e agilidade na condução das tarefas acadêmicas e, em consonância, a interação com nossa equipe de trabalho. De acordo com a modalidade de cursos on- line, você terá autonomia para formular seu próprio horário de estudo, respeitando os prazos de entrega e observando as informações institucionais presentes no seu espaço de aprendizagem virtual. Por fim, ao concluir um de nossos cursos de Doutorado, Mestrado, pós- graduação, segunda licenciatura, complementação pedagógica e capacitação profissional, esperamos que amplie seus horizontes de oportunidades e que tenha aprimorado seu conhecimento crítico a cerca de temas relevantes ao exercício no trabalho e na sociedade que atua. Ademais, agradecemos por seu ingresso ao ZAYN e desejamos que possa colher bons frutos de todo o esforço empregado na atualização profissional, além de pleno sucesso em cada etapa da sua formação ao longo da vida. 3 Física I e II “Física é uma palavra que vem do termo grego physis, usado pelos primeiros filósofos gregos a partir do século VI a.C. e cuja tradução nos idiomas modernos é natureza”. Domiciano Correa Marques da Silva 4 Física I e II Organização do conteúdo: Prof.ª M.ª Thaís de Sousa e Souza FÍSICA I E II ZAYN EMENTA: A disciplina estuda os conceitos básicos da física, a partir da compreensão da mecânica clássica. CONTEÚDO PROGRAMÁTICO - Introdução: Física; 1. Unidades de Medida; 2. Grandezas Físicas e Vetores; 3. Equilíbrio de Uma Partícula; 4. Movimento Retilíneo; 5. Segunda Lei de Newton e Gravitação; 6. Trabalho e Energia; 7. Impulso e Momento Linear; 8. Equilíbrio – Torque; 9. Rotação; 10. Termodinâmica; 11. Ondas e Espelhos; 12. Hidrostática e Hidrodinâmica; 13. Teoria Cinética dos Gases e Elasticidade; 14. Leis de Kepler; 15. Terceira Lei de Newton; - Leitura Complementar; - Referências. 5 Física I e II CARACTERIZAÇÃO DA DISCIPLINA Disciplina: FÍSICA I E II EMENTA A disciplina estuda os conceitos básicos da física, a partir da compreensão da mecânica clássica. OBJETIVOS Familiarizar os estudantes com as principais concepções da mecânica que lhes servirão de base para sua formação profissional. CONTEÚDO PROGRAMÁTICO - Introdução: Física 1. Unidades de Medida 2. Grandezas Físicas e Vetores 3. Equilíbrio de Uma Partícula 4. Movimento Retilíneo 5. Segunda Lei de Newton e Gravitação 6. Trabalho e Energia 7. Impulso e Momento Linear 8. Equilíbrio – Torque 9. Rotação 10. Termodinâmica 11. Ondas e Espelhos 12. Hidrostática e Hidrodinâmica 13. Teoria Cinética dos Gases e Elasticidade 14. Leis de Kepler 15. Terceira Lei de Newton - Leitura Complementar - Referências 6 Física I e II SUMÁRIO Introdução: Física 07 1. Unidades de Medida 07 2. Grandezas Físicas e Vetores 09 3. Equilíbrio de Uma Partícula 10 4. Movimento Retilíneo 11 5. Segunda Lei de Newton e Gravitação 14 6. Trabalho e Energia 15 7. Impulso e Momento Linear 16 8. Equilíbrio – Torque 18 9. Rotação 20 10. Termodinâmica 21 11. Ondas e Espelhos 23 12. Hidrostática e Hidrodinâmica 27 13. Teoria Cinética dos Gases e Elasticidade 29 14. Leis de Kepler 31 15. Terceira Lei de Newton 33 Leitura Complementar 36 Referências 36 7 Física I e II FÍSICA I E II Introdução: Física A Física é a ciência das propriedades da matéria e das forças naturais. Ela estuda a matéria nos níveis molecular, atômico, nuclear e subnuclear. Estuda os níveis de organização, ou seja, os estados sólido, líquido, gasoso e plasmático da matéria. Pesquisa também as quatro forças fundamentais: a gravidade (força de atração exercida por todas as moléculas do Universo), a eletromagnética (que liga os elétrons aos núcleos), a interação forte (que mantém a coesão do núcleo) e a interação fraca (responsável pela desintegração de certas partículas). Sabemos que hoje o Universo é formado de matéria e energia. Como exemplo de energia podemos citar a luz, que, de acordo com a Mecânica Quântica, é formada por pequenos “pacotes” de energia, que denominamos fótons. Como exemplo de matéria podemos citar o próton, o nêutron e o elétron. Mas além dessas três partículas existem outras, como pósitron, neutrino, kaons, etc. Essas partículas surgem em reações nucleares e têm, em geral, curta duração, mal aparecem e imediatamente transformam-se numa das três partículas básicas (prótons, elétron e nêutron) ou em fótons. Uma das descobertas mais fascinantes da Física no século XX é a possibilidade da transformação de matéria em energia e de energia em matéria. Uma outra descoberta interessante é que o próton e o nêutron não são indivisíveis como se pensava. Eles são formados por partículas ainda menores, denominadas quarks. Percebe-se, assim, que a Física preocupa-se com o estudo dos fenômenos que ocorrem no Universo, desde aqueles no nível atômico até os que ocorrem numa escala de distância maior (como estrelas e galáxias) e, finalmente, do Universo como um todo. 1. Unidades de Medida As unidades de medida são modelos estabelecidos para medir diferentes grandezas, tais como comprimento, capacidade, massa, tempo e volume. O Sistema Internacional de Unidades (SI) define a unidade padrão de cada grandeza. Baseado no sistema métrico decimal, o SI surgiu da necessidade de uniformizar as unidades que são utilizadas na maior parte dos países. 8 Física I e II 1.1 –Medidas de Comprimento Existem várias medidas de comprimento, como por exemplo a jarda, a polegada e o pé. No SI a unidade padrão de comprimento é o metro (m). Atualmente ele é definido como o comprimento da distância percorrida pela luz no vácuo durante um intervalo de tempo de 1/299.792.458 de um segundo. Os múltiplos e submúltiplos do metro são: quilômetro (km), hectômetro (hm), decâmetro (dam), decímetro (dm), centímetro (cm) e milímetro (mm). 1.2 – Medidas de Capacidade A unidade de medida de capacidade mais utilizada é o litro (l). São ainda usadas o galão, o barril, o quarto, entre outras. Os múltiplos e submúltiplos do litro são: quilolitro (kl), hectolitro (hl), decalitro (dal), decilitro (dl), centilitro (cl), mililitro (ml). 1.3 – Medidas de Massa No Sistema Internacional de unidades a medida de massa é o quilograma (kg). Um cilindro de platina e irídio é usado como o padrão universal do quilograma. As unidades de massa são: quilograma (kg), hectograma (hg), decagrama (dag), grama (g), decigrama (dg), centigrama (cg) e miligrama (mg). São ainda exemplos de medidas de massa a arroba, a libra, a onça e a tonelada. Sendo 1 tonelada equivalente a 1000 kg. 1.4 – Medidas de Volume No SI a unidade de volume é o metro cúbico (m3). Os múltiplos e submúltiplos do m3 são: quilômetro cúbico (km3), hectômetro cúbico (hm3), decâmetro cúbico (dam3), decímetro cúbico (dm3), centímetro cúbico (cm3) e milímetro cúbico (mm3). Podemos transformar uma medida de capacidade em volume, pois os líquidos assumem a forma do recipiente que os contém. Para isso usamos a seguinte relação: 1 l = 1 dm3 9 Física I e II 2. Grandezas Físicas e Vetores Grandezas físicas são aquelas grandezas que podem ser medidas, ou seja, que descrevem qualitativamente e quantitativamente as relações entre as propriedades observadas no estudo dos fenômenos físicos. Em Física, elas podem ser vetoriais ou escalares, como, por exemplo, o tempo, a massa de um corpo, comprimento, velocidade, aceleração, força, e muitas outras. Grandeza escalar é aquela que precisa somente de um valor numérico e uma unidade para determinar uma grandeza física, um exemplo é a nossa massa corporal. Grandezas como massa, comprimento e tempo são exemplos de grandeza escalar. Já as grandezas vetoriais necessitam, para sua perfeita caracterização, de uma representação mais precisa. Assim sendo, elas necessitam, além do valor numérico, que mostra a intensidade, de uma representação espacial que determine a direção e o sentido. Aceleração, velocidade e força são exemplos de grandezas vetoriais. Grandeza física é diferente de unidade física. Por exemplo: o Porche 911 pode alcançar uma velocidade de 300 km/h. Nesse exemplo em questão, a velocidade é a grandeza física e km/h (quilômetros por hora) é a unidade física. As grandezas vetoriais possuem uma representação especial. Elas são representadas por um símbolo matemático denominado vetor. Nele se encontram três características sobre um corpo ou móvel, veja: Módulo: representa o valor numérico ou a intensidade da grandeza; Direção e Sentido: determinam a orientação da grandeza. Abaixo temos a representação de uma grandeza vetorial qualquer e as suas características, veja: Fonte: http://mundoeducacao.bol.uol.com.br/fisica/grandezas-fisicas.htm Para representar um vetor pegamos uma letra qualquer e sobre ela colocamos uma seta, assim como mostra a figura abaixo: 10 Física I e II Fonte: http://mundoeducacao.bol.uol.com.br/fisica/grandezas-fisicas.htm Existem duas maneiras de representação do módulo de um vetor. Uma delas consiste em ter apenas a letra que representa o vetor, sem a seta em cima dele. A outra forma consiste na letra que representa o vetor, juntamente com a seta sobre ele, e entre os sinais matemáticos que representam o módulo. Fonte: http://mundoeducacao.bol.uol.com.br/fisica/grandezas-fisicas.htm 3. Equilíbrio de Uma Partícula A primeira Lei de Newton é um dos conceitos cobrados nos principais vestibulares do país e na prova do Enem. A Introdução às Leis de Newton apresenta alguns termos e explicações importantes para entender a teoria elaborada por Issac Newton. Confira o conteúdo e boas provas. Uma partícula está em equilíbrio quando o seu vetor velocidade é constante. Não esqueça que, para que um vetor seja constante, ele deve ter sempre a mesma direção, o mesmo sentido e o mesmo módulo. Na natureza você vai encontrar um número muito grande de situações nas quais podemos analisar o vetor velocidade, porém em apenas duas o vetor velocidade será constante: quando a partícula estiver em repouso ou em movimento retilíneo uniforme. 3.1 – Conceito de Equilíbrio Estático O EQUILÍBRIO ESTÁTICO ocorre quando a partícula está em repouso. Neste caso, o vetor velocidade é zero (v→=0→v→=0→) e o vetor aceleração também é zero ( a→=0→a→=0→). Pense na seguinte situação: uma partícula é lançada verticalmente para cima. No ponto mais alto da trajetória a partícula está em equilíbrio estático? Não. Embora o vetor velocidade naquele ponto seja zero (a partícula parou), o vetor aceleração naquele ponto não é zero (é igual ao vetor aceleração da gravidade local). 11 Física I e II Cuidado! Uma partícula parada não está necessariamente em equilíbrio. Para que uma partícula parada esteja em equilíbrio, ela deverá estar parada ( v→=0→v→=0→) e permanecer parada (a→=0→a→=0→ ). 3.2 – Conceito de Equilíbrio Dinâmico O EQUILÍBRIO DINÂMICO ocorre quando a partícula está em movimento retilíneo uniforme, isto é, o vetor velocidade é constante e diferente de zero ( v→v→≠ 0→0→ e constante) e o vetor aceleração é zero (a→=0→a→=0→). 4. Movimento Retilíneo Movimento retilíneo pode ser conceituado como um movimento de um móvel em relação a um referencial, descrito ao longo de uma trajetória retilínea (reta). Sendo assim consideramos o movimento retilíneo tanto como um descolamento horizontal (movimento de um carro) ou também na vertical, como o lançamento de um moeda. 4.1 – Posição de um móvel (espaço) S Para definirmos a posição ou localização de um móvel devemos arbitrar um ponto O em uma reta ou curva, ao qual definimos como origem dos espaços, e orientá-la em um dado sentido: Fonte: https://www.infoescola.com/fisica/movimento-retilineo/ Porém, devemos saber que quando um móvel (por exemplo um carro) se movimenta (desloca-se) sua posição varia em relação ao tempo. Suponhamos que 12 Física I e II para uma localização s=-2m temos t=0s, para s=0m temos t=1s , e s=2m temos t=2s, percebemos que a posição ou espaço de um móvel é uma função do tempo. S=f(t) s(m) t(s) -2 0 0 1 2 2 4.2 - Variação do espaço ou Deslocamento Δs Considerando o deslocamento de um móvel seguindo uma trajetória retilínea conforme demonstrado na figura abaixo. Fonte: https://www.infoescola.com/fisica/movimento-retilineo/ Arbitrando a origem dos espaços s=0 exatamente na posição do semáforo segundo a figura, e definindo Si como sua posição inicial ( suponhamos Si=100m) ,posteriormente para um dado intervalo de tempo qualquer definimos sua posição final por Sf, ao qual indicaremos como Sf=250m. Logo o deslocamento ou variação do espaço percorrido por este móvel é definido pela diferença de sua posição final em relação a sua posição inicial, ao qual denotamos matematicamente por: Δs= Sf – Si Portanto de acordo com o exemplo descrito acima podemos calcular o deslocamento deste móvel. 13 Física I e II Sendo Si= 100m , eSf=250m , seu deslocamento é representado por; Δs= 250m-100m=150m , logo o móvel percorreu 150m em relação a sua posição inicial. 4.3 – Variação do tempo Δt Se considerarmos o exemplo acima, e denotarmos para cada posição “s” um intervalo de tempo, podemos facilmente calcular a variação do tempo ou tempo gasto. Vamos supor que quando o móvel havia deslocado 100m em relação ao semáforo (Si) o móvel encontrava-se a 2s, posteriormente quando o mesmo estava posicionado a 250m do semáforo o móvel encontrava-a 7s. Logo ,o tempo gasto do percurso é expresso por Δt= Tf-Ti = 7s-2s= 5s, ou seja o móvel deslocou-se 150m em 5s 4.4 – Velocidade Média MV Talvez um dos conceitos mais pronunciados na cinemática no ensino médio, a velocidade média pode ser simplesmente entendida, se relacionarmos o deslocamento (Δs) de um corpo com a sua respectiva variação de tempo. Também podemos considerar o exemplo mencionado acima; “O móvel deslocou-se 150m em 5s”, Logo sua velocidade média é dada por V=Δs/Δt Vm=150m/5s=30m/s ou 108km/h Para passarmos de m/s para km/h basta multiplicarmos o módulo(valor) por 3,6. 4.5 – Aceleração Média (αm) Um carro é obrigado a parar, devido uma colisão entre dois veículos que ficaram no meio da pista impossibilitando o tráfego. Após liberados os veículos, o motorista acelera o carro, e após passados 14s o velocímetro marca uma velocidade de aproximadamente 100km/h.O simples fato de acelerar o carro implica em uma mudança de sua velocidade, ou melhor, implica em uma variação de sua velocidade. 14 Física I e II Portanto a aceleração média de um móvel é definida pela razão da variação de sua velocidade em relação ao intervalo Δt considerado. αm=Δv/Δt Calculando, temos; Como a unidade de velocidade no SI é m/s é conveniente fazermos então a transformação das unidades. 100km/h / 3,6 =27,8m/s.( Para passarmos de km/h para m/s divide-se o valor por 3,6) αm=27,8/14=2m/s2 Unidade SI aceleração = m/s2 5. Segunda Lei de Newton e Gravitação A fim de entender o movimento planetário, Isaac Newton, renomado físico inglês, se fundamentou no modelo heliocêntrico de Nicolau Copérnico para basear seus estudos. Analisando então o movimento dos planetas, Newton apresentou uma explicação, na qual mostrava que esse movimento era baseado em uma atração entre os corpos, nesse caso, entre os planetas. Segundo Newton: • O Sol atrai os planetas; • A Terra atrai a Lua; • A Terra atrai todos os corpos que estão perto dela. Depois de analisar esses fatos, Newton, numa tentativa de resumir esses conceitos, os chamou de força gravitacional. Ou seja, existe uma força que atrai todos os corpos, estejam eles no espaço ou na Terra. Tais forças são grandezas vetoriais, porque possuem módulo, direção e sentido. A representação matemática da lei da gravitação universal é: Fonte: http://brasilescola.uol.com.br/fisica/lei-gravitacao-universal.htm Onde: F = intensidade da força gravitacional 15 Física I e II G = constante de gravitação universal, cujo valor é 6,67.10-11 Nm²/kg² M e m = massa dos corpos analisados d = distância Através da equação apresentada por Isaac Newton, a fim de analisar as forças que atuam na Terra e em suas proximidades, devemos lembrar que em sua Terceira Lei, Newton fala sobre a ação e a reação. Baseados então nessa questão, vemos que a atração entre os corpos deve ser mútua para que haja equilíbrio entre eles, ou seja, a Terra atrai a Lua, mas, em contrapartida, a Lua também atrai a Terra, com mesma intensidade, mesma direção, porém com sentido contrário. O mesmo acontece com os demais corpos já citados. Em resumo, pode-se definir que a força gravitacional é o resultado diretamente proporcional entre o produto de massas e inversamente proporcional ao quadrado da distância entre os centros de massa. Tal análise, é claro, deve ser feita para corpos que se atraiam gravitacionalmente. 6. Trabalho e Energia Seja um corpo de massa m, com dimensões desprezíveis, movimentando-se com velocidade v1, e que, a partir de um determinado instante, fica sujeito a uma força resultante F de mesma direção que a velocidade e que atua durante certo tempo. Durante a aplicação dessa força, o corpo sofre um deslocamento d, e sua velocidade passa a ser v2. A ação da força F imprime ao corpo uma determinada aceleração e isso provoca uma variação em sua velocidade. Em outras palavras, a energia cinética do corpo varia. Pode-se demonstrar que a quantidade de energia transferida pela força F, ou seja, o trabalho realizado pela forca F durante o deslocamento d é igual à variação da energia cinética do corpo. Logo: Fonte: http://mundoeducacao.bol.uol.com.br/fisica/relacao-entre-trabalho-energia-cinetica.htm 16 Física I e II Tal resultado é conhecido como teorema da energia cinética, e pode ser aplicado mesmo quando a intensidade da força resultante não é constante. Teorema: O Trabalho da resultante das forças agentes em um corpo, em determinado deslocamento, mede a variação de energia cinética ocorrida nesse deslocamento. - Se a resultante realiza um trabalho motor (τ > 0), a energia cinética aumenta. - Se a resultante realiza um trabalho resistente (τ < 0), a energia cinética diminui. - Caso a energia cinética não tenha variado entre duas posições, significa que a resultante das forças agentes sobre o corpo realizou um trabalho nulo. 7. Impulso e Momento Linear 7.1 – Momento Linear O momento linear de um corpo é o produto da massa pela velocidade. Para entender o momento linear de um corpo é uma grandeza vetorial. Assim, o vetor velocidade e o vetor momento linear têm sempre a mesma direção e sentido. p→=m⋅v→p→=m⋅v→ p→p→ = momento linear mm = massa v→v→ = velocidade O momento linear de um corpo é uma grandeza vetorial. Assim, o vetor velocidade e o vetor momento linear têm sempre a mesma direção e sentido, conforme a figura abaixo. 17 Física I e II Fonte: http://educacao.globo.com/fisica/assunto/mecanica/momento-linear-e-impulso-de-uma- forca.html 7.2 – Impulso de uma Força O impulso de uma força constante é igual ao produto da força pelo intervalo de tempo durante o qual ela atua. I→=F→⋅ΔtI→=F→⋅Δt I→I→ = impulso da força F→F→ ΔtΔt = intervalo de tempo durante o qual a força F→F→ atua. ATENÇÃO: a expressão acima só é válida se o módulo da força permanecer constante O impulso que atua sobre uma partícula é uma grandeza vetorial. O impulso (I→I→) de uma força e a força (F→F→) são dois vetores que têm sempre mesma direção e o mesmo sentido. Fonte: http://educacao.globo.com/fisica/assunto/mecanica/momento-linear-e-impulso-de-uma- forca.html 18 Física I e II A unidade de impulso de uma força é no sistema internacional de unidades é N⋅sN⋅s. OBSERVAÇÃO: quando o módulo da força for variável o impulso pode ser calculado pela área no gráfico |F→|−t|F→|−t . A área sombreada no gráfico |F→|−t|F→|−tpermite calcular o impulso produzido pela força entre os instantes t_1_1 e t_2_2. 8. Equilíbrio – Torque Um sistema estará em equilíbrio se a soma das forças e a soma dos torques forem nulas Fonte: http://mundoeducacao.bol.uol.com.br/fisica/condicoes-equilibrio.htm A Estática é o ramo da Mecânica que se dedica ao estudo das condições de equilíbrio, indicando os fatores necessários para que uma estrutura ou corpo qualquer esteja equilibrado. 1ª condição de equilíbrio: a soma das forças 19 Física I e IIA primeira condição necessária para que um determinado corpo esteja em equilíbrio é que a soma de todas as forças que atuam sobre ele deve ser nula. Dessa definição surgem as ideias de equilíbrio estático e dinâmico. O equilíbrio é estático quando a força resultante sobre o corpo é nula e este está em repouso, ou seja, não possui velocidade. Quando um objeto executa movimento retilíneo uniforme, não há aceleração, portanto, de acordo com a segunda lei de Newton, não existe força resultante. Como a força é nula e o objeto possui velocidade constante, diz-se que o corpo está em equilíbrio dinâmico. 2ª condição de equilíbrio: a soma dos torques O torque, também chamado de momento de uma força, é a grandeza vetorial relacionada com a rotação de um sistema. Essa grandeza é definida pelo produto da força aplicada perpendicularmente em determinado ponto do sistema pelo braço de alavanca, que corresponde à distância entre o ponto de aplicação da força e o eixo de rotação. Fonte: http://mundoeducacao.bol.uol.com.br/fisica/condicoes-equilibrio.htm Na imagem acima, o eixo de rotação está no parafuso que será girado pela chave. O produto do braço de alavanca (x) pela força (F) determina o torque (T). T = F.x Para que um sistema esteja em equilíbrio, é necessário que não haja rotação, portanto, a soma dos torques que atuam sobre o sistema deve ser nula. Aplicação: O melhor exemplo de aplicação desses conceitos é a construção civil, em que infinitas possibilidades de montagem de estruturas devem obedecer às condições de 20 Física I e II equilíbrio. Outro exemplo de aplicação são as gruas utilizadas para filmagens. Esses equipamentos devem conter no extremo oposto ao cinegrafista um contrapeso para garantir o equilíbrio e a movimentação do profissional. 9. Rotação Movimento de Rotação é o movimento que acontece em torno de um eixo imaginário e está diretamente relacionada a força centrípeta e ao torque (tendência de giro). Quando uma força é submetida a um objeto com formato de círculo, este gira e assim permanece girando devido ao torque (calculado por M = F . d). Para um mesmo momento FORÇA e DESLOCAMENTO são inversamente proporcionais. Quanto maior o DESLOCAMENTO (podendo ser chamado de RAIO), menor será a FORÇA aplicada sobre o objeto. Ao realizar o torque, o objeto atinge seu momento de inércia que é basicamente a dificuldade que existe para se colocar um corpo em movimento ou para fazê-lo parar, ou seja, quando um corpo não está submetido à ação de forças externas, não sofre variação de velocidade. Falando em velocidade, você sabia que a velocidade do giro não é a mesma que nós estamos acostumados a ouvir? A velocidade do giro é a VELOCIDADE ANGULAR. Enquanto a velocidade angular é o valor que representa o quão veloz o corpo está girando, o momento de inércia de um corpo depende da massa do corpo e de como ela se distribui em torno do eixo de rotação. Quanto mais próxima do eixo é essa distribuição, menor é o momento de inércia. Logo, quanto mais DISTANTE estiver a MASSA do EIXO DE ROTAÇÃO mais DIFÍCIL será para girá-la. Outros exemplos de movimentos de rotação: - Ao girar uma moeda 21 Física I e II Fonte: http://diadafisicacp2.blogspot.com.br/2010/10/movimento-de-rotacao.html - Ao andar de bicicleta, as rodas possuem o mesmo formato de uma circunferência e quando estão em movimento realizam a tendência de giro. Fonte: http://diadafisicacp2.blogspot.com.br/2010/10/movimento-de-rotacao.html 10. Termodinâmica A termodinâmica é o ramo da física que estuda as relações de troca entre o calor e o trabalho realizado na transformação de um sistema físico, quando esse interage com o meio externo. Ou seja, ela estuda como a variação da temperatura, da pressão e do volume interfere nos sistemas físicos. O estudo e o desenvolvimento da termodinâmica surgiram da necessidade de criar máquinas e de aumentar a eficiência das máquinas existentes naquela época, as máquinas a vapor. O estudo desse ramo parte das Leis da Termodinâmica, leis essas que postulam que a energia pode ser transferida de um sistema para outro na forma de calor ou trabalho. E ainda postulam a existência de uma quantidade denominada de entropia, a qual pode ser determinada para todos os sistemas. A termodinâmica teve início em 1650, com Otto Von Guericke. Ele foi o responsável pela criação da primeira bomba a vácuo do mundo, além de criar o primeiro vácuo artificial através das esferas de Magduberg. Anos mais tarde Robert Boyle ficou sabendo dos experimentos de Otto, e em parceria com Robert Hooke, construiu uma bomba de ar. Através dessa bomba, Boyle e Hooke perceberam a relação entre pressão, volume e temperatura, e através dessa descoberta Boyle formulou uma lei que estabelece que a pressão e o volume são inversamente proporcionais. Essa lei ficou conhecida como Lei de Boyle. 22 Física I e II Estudos posteriores, baseados nos conceitos de pressão, temperatura e volume, fizeram por surgir a primeira máquina a vapor, com Thomas Savery. As máquinas daquela época eram muito grandes e robustas, mas atraíam a atenção de muitos cientistas, como foi o caso de Sadi Carnot. Denominado de o “pai da termodinâmica” em 1824 fez a publicação de “Reflexões sobre a Potência Motriz do Fogo”, nessa sua publicação ele fazia um discurso sobre o calor, a eficiência e a potência das máquinas a vapor. Esse fato marcou o início da Termodinâmica como ciência moderna. 10.1 – Leis da Termodinâmica O estudo da termodinâmica se baseia em leis que foram estabelecidas experimentalmente, veja: Lei zero da Termodinâmica: diz que quando dois corpos possuem temperaturas iguais em relação a um terceiro, diz-se que eles têm igualdade de temperatura entre si. Primeira Lei da Termodinâmica: ela fornece um aspecto quantitativo da conservação da energia. Lembrando que a conservação da energia diz que “na natureza nada se perde nada se cria, tudo se transforma”. Segunda Lei da Termodinâmica: fornece aspectos qualitativos de processos em sistemas físicos, ou seja, ela diz que um processo pode ocorrer tanto em uma direção como em outra. Terceira Lei da Termodinâmica: diz respeito a um ponto de referência para fazer a determinação da entropia do sistema. 23 Física I e II 11. Ondas e Espelhos As ondas marítimas são ondas mecânicas. Fonte: http://brasilescola.uol.com.br/fisica/ondas.htm As ondas são perturbações que se propagam no espaço ou em meios materiais transportando energia. De acordo com a sua natureza, as ondas podem ser classificadas em dois tipos: Ondas mecânicas: são as ondas que se propagam em meios materiais. Por exemplo: as ondas marítimas, ondas sonoras, ondas sísmicas etc. A descrição do comportamento desse tipo de onda é feita pelas Leis de Newton. Ondas eletromagnéticas: são resultado da combinação de campo elétrico com campo magnético. A sua principal característica é que não precisam de um meio material para propagar-se. São exemplos desse tipo de onda a luz, raio X, micro-ondas, ondas de transmissão de sinais, entre outras. Elas são descritas pelas equações de Maxwell. 24 Física I e II Campos magnético (B) e elétrico (E) combinados na formação das ondas eletromagnéticas Fonte: http://brasilescola.uol.com.br/fisica/ondas.htm Outra classificação das ondas é feita considerando-se a direção de vibração. De acordo com essa característica, uma onda pode ser definida como: Transversal: quando as partículasdo meio de propagação vibram perpendicularmente à direção de propagação da onda. Um exemplo desse tipo de onda é a luz. Longitudinais: quando as partículas do meio de propagação vibram na mesma direção em que a onda se propaga, como é o caso das ondas sonoras. Por fim, quanto à direção de propagação, as ondas podem ser classificadas em: → unidimensionais: quando se propagam em apenas uma direção, como a onda em uma corda; → bidimensionais: se a propagação ocorre em duas direções, que é o caso da onda gerada por uma perturbação na água; → ondas tridimensionais: que se propagam em três dimensões, como as ondas sonoras. 11.1 – Propriedades das Ondas Para estudar uma onda, precisamos conhecer algumas de suas propriedades, tais como: a velocidade de propagação, a amplitude, o período e a frequência. Para uma melhor compreensão dessas propriedades, veja a seguir a representação gráfica de uma onda: 25 Física I e II Representação gráfica de uma onda Fonte: http://brasilescola.uol.com.br/fisica/ondas.htm O comprimento de onda, que pode ser representado pela letra λ, é a distância entre valores repetidos em uma forma de onda. É calculado com a equação: Sendo: Fonte: http://brasilescola.uol.com.br/fisica/ondas.htm λ – o comprimento de onda; c – velocidade da luz no vácuo (possui valor igual a 3.108m/s); f – frequência da luz. A partir de λ, podemos calcular a velocidade de uma onda com a seguinte fórmula: Sendo: Fonte: http://brasilescola.uol.com.br/fisica/ondas.htm v – velocidade da onda; λ – comprimento da onda; T – período. O período é definido como o espaço de tempo necessário para uma onda caminhar um comprimento de onda. A frequência é o inverso do período: Fonte: http://brasilescola.uol.com.br/fisica/ondas.htm 26 Física I e II A velocidade de propagação da onda pode ser dada por: Fonte: http://brasilescola.uol.com.br/fisica/ondas.htm 11.2 – Espelhos Espelho esférico é toda e qualquer superfície espelhada (refletora), na forma de uma calota esférica. O espelho esférico pode ser côncavo ou convexo, dependendo da face onde se encontra a superfície refletora. Se a parte espelhada for interna, o espelho chama-se côncavo. Fonte: http://mundoeducacao.bol.uol.com.br/fisica/espelhos-concavos-convexos.htm Se a parte espelhada for externa, então o espelho é convexo. 27 Física I e II Fonte: http://mundoeducacao.bol.uol.com.br/fisica/espelhos-concavos-convexos.htm Espelho Côncavo Para a formação de imagens no espelho côncavo existe uma dependência da posição do objeto sobre o eixo principal. Essas observações são feitas a partir das definições: • Se a imagem pertencer ao mesmo semiplano do eixo principal, essa imagem é direita em relação ao objeto. Se isso não acontecer, a imagem é invertida em relação ao objeto. • A imagem será real se for formada pelos raios refletidos e será virtual se for formada pelo prolongamento desses raios refletidos. Com isso, observa-se que as características da imagem formada pelo espelho côncavo é real, menor e invertida. Espelho Convexo A imagem do espelho convexo é sempre formada por um objeto colocado na frente do espelho. A imagem formada será sempre virtual, menor e direita. Os espelhos convexos são utilizados nos espelhos retrovisores de carros e também em outras situações nas quais se deseje ter um campo maior de visibilidade do que nos espelhos planos. 12. Hidrostática e Hidrodinâmica O segmento da física que estuda o efeito das forças em fluídos é conhecido como a mecânica dos fluídos. Esse estudo é dividido em hidrostática – quando os fluídos estão em equilíbrio estático – e hidrodinâmica quando os fluídos estão sujeitos a forças externas diferentes de zero. O que são fluídos? Consideramos como fluídos todas as substâncias que estejam em estado líquido ou gasoso. Com isso, direcionamos nosso estudo às duas áreas da Mecânica dos fluídos. 28 Física I e II 12. 1 – Hidrostática Chamamos de hidrostática a área da mecânica dos fluídos responsável pela análise das substâncias fluídas em condições de repouso. Dentro dela, devemos aprender três princípios básicos que lhe dão fundamentação: Princípio de Arquimedes Ao ter que calcular se a coroa de um rei havia sido feita apenas com ouro ou se dentro possuía uma parte de prata sem estragar a peça, Arquimedes desenvolveu esse princípio. Por meio da equação E = r.V.g, ele conseguiu descobrir que os fluídos exercem o empuxo nos objetos nele imersos e que a formula traria esse resultado. (considere que r é a massa específica do fluído, V é o volume do objeto imerso no fluído e g é a aceleração da gravidade no local. Princípio de Pascal Pascal buscou, por meio de seu princípio, verificar a validade da experiência de Torricelli – ele enuncia o princípio da constância de transmissão de pressão no interior dos líquidos. Princípio de Stevin Com Stevin vieram importantes contribuições para a física mecânica. Foi ele quem explicou o paradoxo da hidrostática, conde a pressão de um líquido depende, independentemente da forma do recipiente, da altura da coluna líquida, conforme demonstrado na equação: ∆P = r.g.h. Considere que ∆P é a variação da pressão que varia de acordo com o comprimento da coluna, r é a massa específica do fluído e h é o desnível. 12.2 – Hidrodinâmica A hidrodinâmica fundamenta-se em dois princípios e é o ramo que estuda os líquidos quando em movimento. 29 Física I e II Equação da continuidade A vasão de fluído de um sistema com um determinado sistema hidráulico que seja fonte e tenha sumidouro e fluído. Equação de Bernoulli O físico á autor da equação de Bernoulli – Lei da Conservação da Energia, aplicadas aos locais com deslocamento de fluído. Nessa equação, considere que P é a pressão absoluta, r massa específica do fluído, g é a aceleração da gravidade no local, v é a velocidade em que o fluído desloca-se, e y é o desnível. 13. Teoria Cinética dos Gases e Elasticidade A teoria Cinética dos gases foi sintetizada com o intuito de explicar as propriedades e o comportamento interno dos gases. A compreensão dessa teoria é fundamental para o entendimento da pressão que os gases exercem em outros corpos e em muito mais estudos sobre os gases. A teoria Cinética dos gases diz que: - Todo gás é composto de inúmeras moléculas que se movimentam de forma desordenada e com uma alta velocidade. Essa movimentação é chamada agitação térmica. O grau dessa agitação serve para identificar a temperatura dos gases. - As moléculas dos gases têm um tamanho desprezível em relação às distâncias entre elas, o que faz com que o volume ocupado pelas moléculas de um gás seja praticamente desprezível. - O gás ocupa todo o espaço do lugar onde está contido, devido às moléculas dele se movimentarem em todas as direções. - O fato do movimento das moléculas dos gases serem perpétuo, é que, o choque delas contra si mesmas e contra as paredes do recipiente onde o gás está contido, é perfeitamente elástico, o que faz com que as moléculas não percam energia cinética nem quantidade de movimento. 30 Física I e II - As moléculas de um gás só interagem entre si quando elas colidem fora as colisões elas apresentam movimento retilíneo uniforme (MRU). Vale lembrar que a capacidade que os gases têm de se expandir facilmente e a da grande dilatação térmica, vêm do fato de suas moléculas terem tamanho praticamente desprezível (2ª item). A elasticidade define-se como sendoa propriedade que certos materiais apresentam de serem capazes de recuperar a sua forma e o seu estado inicial, depois de terem experimentado uma deformação provocada por uma força exterior. A deformação é, em geral, proporcional à força exterior aplicada e inversamente proporcional à secção do material. A constante de proporcionalidade designa-se por coeficiente de elasticidade e o seu valor inverso é denominado de módulo de elasticidade, ou módulo de Young. Geralmente, quando uma força é aplicada a um corpo, a deformação aumenta proporcionalmente até atingir um certo ponto, chamado limite de proporcionalidade. Este fenômeno está de acordo com a lei de Hooke. A partir deste ponto, os corpos já não recuperam o seu estado inicial e atinge-se o chamado limite elástico. Antes de atingir o limite a amostra é elástica, isto é, retoma o seu estado inicial. Avançando para além do limite o material deixa de ser elástico e passa a ser plástico (deformação permanente). As diferenças de elasticidade dos materiais podem ser explicadas com base no modelo molecular. As substâncias com um módulo de elasticidade elevado são difíceis de deformar uma vez que possuem forças de atração entre os átomos ou as moléculas fortes. Pelo contrário, as substâncias com um módulo de elasticidade reduzido possuem forças de atração menores. 31 Física I e II 14. Leis de Kepler As leis de Kepler explicam os movimentos de translação dos planetas ao redor do Sol Fonte: http://mundoeducacao.bol.uol.com.br/fisica/leis-kepler.htm O astrônomo alemão Johannes Kepler (1571-1630), após uma vida de estudos, deduziu três leis que explicam o movimento planetário e nos fazem compreender como o universo é estruturado. As leis de Keplerpodem ser utilizadas para o estudo do movimento dos planetas ao redor do Sol e do movimento de satélites naturais e artificiais ao redor de planetas. Kepler pôde deduzir as três leis a partir de inúmeros dados astronômicos colhidos por seu antecessor, o príncipe Tycho Brahe, e por meio de suas próprias observações. 1ª lei de Kepler – Lei das órbitas A lei das órbitas diz que a trajetória de planetas ao redor do Sol ou a trajetória de satélites ao redor de planetas possui formato elíptico (oval) e o corpo que está sendo orbitado ocupa um dos focos da elipse. A primeira lei de Kepler não exclui a possibilidade de trajetórias circulares, já que a circunferência é um caso particular de elipse. No caso da trajetória dos planetas ao redor do Sol, o ponto em que eles estão mais próximos da estrela é chamado de periélio, e o ponto de maior afastamento é denominado de afélio. 32 Física I e II Veja que o movimento de translação da Terra ao redor do Sol forma uma elipse, e o Sol está em um dos focos (borda) da elipse Fonte: http://mundoeducacao.bol.uol.com.br/fisica/leis-kepler.htm 2ª lei de Kepler – Lei das áreas A segunda lei de Kepler diz que a linha que liga o centro do Sol ao centro dos planetas “varre” áreas iguais em intervalos de tempo iguais, portanto, podemos entender que a taxa de variação da área em função do tempo é constante para todos os planetas. Isso só pode ser possível se as velocidades de translação dos planetas forem variáveis, devendo ser maiores na região de periélio e menores na região de afélio. 3ª lei de Kepler – Lei dos períodos Em sua terceira lei, Kepler diz que o quadrado do período de revolução (T) dos planetas é diretamente proporcional ao cubo dos raios médios (R) de suas órbitas.Sendo assim, temos: Fonte: http://mundoeducacao.bol.uol.com.br/fisica/leis-kepler.htm A constante em questão depende da constante da gravitação universal (G = 6,7 x 10 – 11 N.m2/kg2) e da massa do corpo que está sendo orbitado. No caso do Sistema Solar, utilizando o período de revolução dos planetas em anos terrestres e o raio médio das órbitas em unidades astronômicas, o valor da constante para todos os planetas deve ser muito próximo de 1. A tabela abaixo traz a relação da terceira lei de Kepler e os planetas do Sistema Solar. 33 Física I e II *UA = Unidade astronômica – corresponde à distância média da Terra ao Sol Fonte: http://mundoeducacao.bol.uol.com.br/fisica/leis-kepler.htm 15. Terceira Lei de Newton A terceira lei de Newton diz que, para toda ação, existe uma reação de mesmo valor, mesma direção e sentido oposto. Nessa imagem, a ação é feita pelo punho no rosto, e a reação é feita pelo rosto no punho Fonte: http://brasilescola.uol.com.br/fisica/terceira-lei-newton.htm 34 Física I e II A Terceira lei de Newton descreve o resultado da interação entre duas forças. Ela pode ser enunciada da seguinte maneira: Para toda ação (força) sobre um objeto, em resposta à interação com outro objeto, existirá uma reação (força) de mesmo valor e direção, mas com sentido oposto. A partir desse enunciado, podemos entender que as forças sempre atuam em pares. Nunca existirá ação sem reação, de modo que a resultante entre essas forças não pode ser nula, pois elas atuam em corpos diferentes. Imagine a situação em que alguém leva uma bolada no rosto. A ação seria a força feita pela bola sobre o rosto da pessoa, e a reação seria a força feita pelo rosto sobre a bola. Mesmo que a aplicação da força de reação seja involuntária, ela sempre acontece. As duas forças possuem exatamente o mesmo valor, mas são aplicadas em sentidos opostos. Na imagem abaixo, FBR é a força da bola sobre o rosto, e FRB é a força do rosto sobre a bola. Fonte: http://brasilescola.uol.com.br/fisica/terceira-lei-newton.htm O caso do lançamento de foguetes Outro exemplo de aplicação da terceira lei de Newton é o caso do lançamento de foguetes. No momento em que ocorre a queima dos combustíveis na base do foguete, uma enorme quantidade de energia é liberada. Assim sendo, uma enorme força é feita contra o chão e, em reação a essa força aplicada ao chão, o foguete é impulsionado para cima. 35 Física I e II Fonte: http://brasilescola.uol.com.br/fisica/terceira-lei-newton.htm O Peso e a Normal Ao colocar um corpo sobre uma superfície, a força peso força a superfície de modo que ela responde com uma força vertical e para cima a fim de suportar o peso do objeto. O nome dessa força é Normal. Fonte: http://brasilescola.uol.com.br/fisica/terceira-lei-newton.htm A força normal não é considerada uma reação da força peso. A terceira lei de Newton diz que ação e reação atuam em corpos diferentes, e Peso e Normal atuam no mesmo corpo, contrariando a lei da ação e reação. 36 Física I e II Leitura Complementar UNIDADES DE MEDIDA: CONCEITOS, EVOLUÇÃO E DESENVOLVIMENTO EM SALA DE AULA Luiz Eduardo Carvalho Cardoso Francisco Carlos Rocha Fernandes Resumo: O tema deste trabalho são as unidades de medida. Através de uma pesquisa bibliográfica é apresentado um levantamento da evolução desde a pré- história até os dias atuais, discutindo sua importância para o desenvolvimento científico, tecnológico, social e econômico das civilizações. Motivada pela percepção da importância do entendimento e utilização correta das unidades de medida pelos alunos é proposta uma abordagem em sala de aula, através do desenvolvimento de atividades voltadas para alunos do 9º ano do ensino fundamental, envolvendo unidades de comprimento, área e volume. O trabalho traz uma discussão acerca da metodologia utilizada e apresenta os resultados esperados. Palavras-chave: unidades de medida, grandezas, área, volume, ensino. Disponívelem: <http://www.inicepg.univap.br/cd/INIC_2008/anais/arquivosINIC/INIC0777_01_O.pdf > Acesso em: 19/12/2017. Referências Condições de Equilíbrio. Disponível em: <http://mundoeducacao.bol.uol.com.br/fisica/condicoes-equilibrio.htm> Acesso em: 19/12/2017. Elasticidade (física). Disponível em: <https://www.infopedia.pt/$elasticidade-(fisica)> Acesso em: 21/12/2017. Espelhos Côncavos e Convexos. Disponível em: <http://mundoeducacao.bol.uol.com.br/fisica/espelhos-concavos-convexos.htm> Acesso em: 21/12/2017. Física. Disponível em: <http://mundoeducacao.bol.uol.com.br/fisica/> Acesso em: 18/12/2017. Grandezas Físicas. Disponível em: <http://mundoeducacao.bol.uol.com.br/fisica/grandezas-fisicas.htm> Acesso em: 19/12/2017. Lei da Gravitação Universal. Disponível em: <http://brasilescola.uol.com.br/fisica/lei- gravitacao-universal.htm> Acesso em: 19/12/2017. Leis de Kepler. Disponível em: <http://mundoeducacao.bol.uol.com.br/fisica/leis- kepler.htm> Acesso em: 21/12/2017. Mecânica dos Fluídos.Disponível em: <https://www.estudopratico.com.br/mecanica- dos-fluidos-hidrostatica-e-hidrodinamica/> Acesso em: 21/12/2017. 37 Física I e II Momento Linear e Impulso de uma Força. Disponível em: <http://educacao.globo.com/fisica/assunto/mecanica/momento-linear-e-impulso-de- uma-forca.html> Acesso em: 19/12/2017. Movimento de Rotação. Disponível em: <http://diadafisicacp2.blogspot.com.br/2010/10/movimento-de-rotacao.html> Acesso em: 19/12/2017. Ondas. Disponível em: <http://brasilescola.uol.com.br/fisica/ondas.htm> Acesso em: 21/12/2017. Primeira Lei de Newton. Disponível em: <http://educacao.globo.com/fisica/assunto/mecanica/primeira-lei-de-newton.html> Acesso em: 19/12/2017. Relação entre Trabalho e Energia Cinética. Disponível em: <http://mundoeducacao.bol.uol.com.br/fisica/relacao-entre-trabalho-energia- cinetica.htm> Acesso em: 19/12/2017. Teoria Cinética dos Gases. Disponível em: <https://www.infoescola.com/quimica/teoria-cinetica-dos-gases/> Acesso em: 21/12/2017. Terceira Lei de Newton. Disponível em: <http://brasilescola.uol.com.br/fisica/terceira- lei-newton.htm> Acesso em: 21/12/2017. Termodinâmica. Disponível em: <http://mundoeducacao.bol.uol.com.br/fisica/termodinamica.htm> Acesso em: 21/12/2017. Unidades de Medida. Disponível em: <https://www.todamateria.com.br/unidades-de- medida/> Acesso em: 19/12/2017. Universidade Federal de Campina Grande. Física Geral I. Disponível em: <http://www.df.ufcg.edu.br/ementas/Programas_novos.pdf> Acesso em: 18/12/2017. Universidade Federal de Minas Gerais. Física I. Disponível em: <https://www2.ufmg.br/engagamb/engagamb/home/O-Curso/Matriz-Curricular-e- Ementas/Ementa-Fisica-I> Acesso em: 18/12/2017. Universidade Federal do Amapá. Física Básica I. Disponível em: <http://www2.unifap.br/fisica-parfor/files/2015/06/F%C3%8DSICA-B%C3%81SICA- I.pdf> Acesso em: 18/12/2017.
Compartilhar