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Física Livre PARA BAIXAR MAIS MATERIAIS fisicalivre.com.br MOVIMENTO CIRCULAR UNIFORME AULA 4 MOVIMENTO CIRCULAR UNIFORME (MCU) Movimento cuja trajetória é circular e acontece com o módulo da velocidade constante. Além disso, a velocidade é tangente à trajetória. No MCU, existe a aceleração centrípeta que altera a direção e o sentido da velocidade. Na figura ao lado, que representa o movimento circular uniforme, a velocidade é sempre tangente à trajetória e a aceleração centrípeta modifica a direção e o sentido da velocidade. O quadro abaixo resume as características da velocidade no movimento circular uniforme. No MCU, chamamos de Período (T), o tempo que leva para que uma volta completa. Frequência é o número de voltas em um dado intervalo de tempo. Velocidade Linear é aquela que já estamos acostumados a calcular e mede distância percorrida em um determinado intervalo de tempo. Velocidade Angular mede o ângulo percorrido em um determinado intervalo de tempo. Velocidade Módulo Constante Direção Modificada pela 𝑎𝑐 Sentido Modificada pela 𝑎𝑐 Aceleração centrípeta é a aceleração no MCU e está relacionada com a variação da orientação do vetor velocidade. Equações do MCU Velocidade Linear 𝑣 = 2𝜋𝑅 𝑇 No SI: 𝑚 𝑠 Velocidade Angular 𝜔 = 2𝜋 𝑇 No SI: 𝑟𝑎𝑑 𝑠 Aceleração Centrípeta 𝑎𝑐 = 𝑣2 𝑅 No SI: 𝑚 𝑠2 Relação entre Velocidade Linear e Velocidade Angular 𝑣 = 𝜔𝑅 Frequência 𝑓 = 𝑛º 𝑑𝑒 𝑣𝑜𝑙𝑡𝑎𝑠 ∆𝑡 No SI: 1 𝑠 = Hz Relação entre Frequência e Período 𝑓 = 1 𝑇 Outras relações úteis 𝜔 = 2𝜋𝑓 e 𝑣 = 2𝜋𝑟𝑓 Transmissão do MCU Transmissão por polias ou por contato(rodas dentadas) Nas polias, o módulo da velocidade linear é o mesmo para qualquer ponto da periferia. Já a velocidade angular é menor aonde o raio for maior. Isso pode ser observado através da relação: 𝑣 = 𝜔𝑟 Esta relação pode ser reescrita da seguinte maneira, se passarmos o r dividindo. 𝜔 = 𝑣 𝑟 Escrito dessa maneira, podemos observar que pra uma dada velocidade linear, quanto maior o raio, menor a velocidade angular. Na figura abaixo, a velocidade linear da polia é a mesma em qualquer ponto, logo 𝜔𝐴 é menor que 𝜔𝐵 pois o raio 𝑅𝐴 é maior que o raio 𝑅𝐵 Transmissão por eixo comum Observe a figura a seguir. As duas rodas estão fixas em um mesmo eixo. Elas dão o mesmo número de voltas no mesmo intervalo de tempo, por estarem fixadas nesse eixo. Dessa maneira, percorrerão também ângulos iguais em intervalos de tempos iguais. Por esse motivo, as rodas terão mesma velocidade angular. Por outro lado, as velocidades lineares nas periferias das rodas irão ser diferentes. Pense num ponto da periferia da roda A e da periferia da roda B. Qual desses pontos percorre maior distância? O ponto na periferia da roda A, isso é visual. Ora, se o ponto da periferia da roda A percorre uma distância maior que um ponto da periferia da roda B no mesmo intervalo de tempo, isso só pode ocorrer se a velocidade linear de um ponto da periferia da roda A for maior que a velocidade linear de um ponto da periferia da roda B. MOVIMENTO CIRCULAR UNIFORMEMENTE VARIADO (MCUV) Movimento cuja trajetória é circular e acontece com o módulo da velocidade variando uniformemente. Além disso, a velocidade é tangente à trajetória. No MCUV, existe a aceleração centrípeta que altera a direção e o sentido da velocidade e a aceleração tangencial que altera o módulo da velocidade. Na figura abaixo, o módulo da velocidade é pequeno no ponto 1 e vai aumentando nos pontos 2, 3 e 4 em da aceleração tangencial. Na figura ao lado, que representa o movimento circular uniformemente variado, a aceleração centrípeta é responsável pela mudança na direção e no sentido da velocidade, enquanto a aceleração tangencial altera o módulo da velocidade. A aceleração total é dada pela soma dos vetores aceleração centrípeta e aceleração tangencial. �⃗� = 𝑎𝑐⃗⃗⃗⃗⃗ + 𝑎𝑡⃗⃗ ⃗⃗ O quadro a seguir resume o comportamento da velocidade no MCUV. EXERCÍCIOS 1. (Ufrgs) A figura abaixo representa um móvel m que descreve um movimento circular uniforme de raio R, no sentido horário, com velocidade de módulo V. Velocidade Módulo Modificado pela 𝑎𝑡 Direção Modificada pela 𝑎𝑐 Sentido Modificada pela 𝑎𝑐 Assinale a alternativa que melhor representa, respectivamente, os vetores velocidade V e aceleração a do móvel quando passa pelo ponto I, assinalado na figura. a) b) c) d) e) 2. (Ufpa) Durante os festejos do Círio de Nazaré, em Belém, uma das atrações é o parque de brinquedos situado ao lado da Basílica, no qual um dos brinquedos mais cobiçados é a Roda Gigante, que gira com velocidade angular ,ω constante. Considerando-se que a velocidade escalar de um ponto qualquer da periferia da Roda é V 1m s= e que o raio é de 15 m, pode-se afirmar que a frequência de rotação f, em hertz, e a velocidade angular ,ω em rad s, são respectivamente iguais a: a) 1 30π e 2 15 b) 1 15π e 2 15 c) 1 30π e 1 15 d) 1 15π e 1 15 e) 1 30π e 1 30π 3. (Uern) Dois exaustores eólicos instalados no telhado de um galpão se encontram em movimento circular uniforme com frequências iguais a 2,0Hz e 2,5Hz. A diferença entre os períodos desses dois movimentos é igual a a) 0,1s. b) 0,3s. c) 0,5s. d) 0,6s. 4. (Ufrgs) A figura apresenta esquematicamente o sistema de transmissão de uma bicicleta convencional. Na bicicleta, a coroa A conecta-se à catraca B através da correia P. Por sua vez, B é ligada à roda traseira R, girando com ela quando o ciclista está pedalando. Nesta situação, supondo que a bicicleta se move sem deslizar, as magnitudes das velocidades angulares, A B R, e ,ω ω ω são tais que a) A B R.ω ω ω = b) A B R.ω ω ω= c) A B R.ω ω ω= = d) A B R.ω ω ω e) A B R.ω ω ω = 5. (Uern) Uma roda d’água de raio 0,5 m efetua 4 voltas a cada 20 segundos. A velocidade linear dessa roda é (Considere: 3π = ) a) 0,6 m/s. b) 0,8 m/s. c) 1,0 m/s. d) 1,2 m/s. 6. (Pucrs) O acoplamento de engrenagens por correia C, como o que é encontrado nas bicicletas, pode ser esquematicamente representado por: Considerando-se que a correia em movimento não deslize em relação às rodas A e B, enquanto elas giram, é correto afirmar que a) a velocidade angular das duas rodas é a mesma. b) o módulo da aceleração centrípeta dos pontos periféricos de ambas as rodas tem o mesmo valor. c) a frequência do movimento de cada polia é inversamente proporcional ao seu raio. d) as duas rodas executam o mesmo número de voltas no mesmo intervalo de tempo. e) o módulo da velocidade dos pontos periféricos das rodas é diferente do módulo da velocidade da correia. 7. (G1 - cps) Apesar de toda a tecnologia aplicada no desenvolvimento de combustíveis não poluentes, que não liberam óxidos de carbono, a bicicleta ainda é o meio de transporte que, além de saudável, contribui com a qualidade do ar. A bicicleta, com um sistema constituído por pedal, coroa, catraca e corrente,exemplifica a transmissão de um movimento circular. Pode-se afirmar que, quando se imprime aos pedais da bicicleta um movimento circular uniforme, I. o movimento circular do pedal é transmitido à coroa com a mesma velocidade angular. II. a velocidade angular da coroa é igual à velocidade linear na extremidade da catraca. III. cada volta do pedal corresponde a duas voltas da roda traseira, quando a coroa tem diâmetro duas vezes maior que o da catraca. Está correto o contido em apenas a) I. b) II. c) III. d) I e III. e) II e III. 8. (Ufsm) Um trator tem as rodas traseiras maiores do que as dianteiras e desloca-se com velocidade constante. Pode-se afirmar que, do ponto de vista do tratorista, os módulos das velocidades lineares de qualquer ponto das bandas de rodagem das rodas da frente (vf) e de trás (vT) e os módulos das velocidades angulares das rodas da frente (wf) e de trás (wT) são a) vf > vT e wf >wT b) vf > vT e wf < wT c) vf < vT e wf = wT d) vf = vT e wf > wT e) vf = vT e wf = wT 9. (Fuvest) Em uma estrada, dois carros, A e B, entram simultaneamente em curvas paralelas, com raios RA e RB. Os velocímetros de ambos os carros indicam, ao longo de todo o trecho curvo, valores constantes VA e VB. Se os carros saem das curvas ao mesmo tempo, a relação entre VA e VB é a) VA = VB b) VA/VB = RA/RB c) VA/VB = (RA/RB)2 d) VA/VB = RB/RA e) VA/VB =(RB/RA)2 10. (Ufrgs) Foi determinado o período de cinco diferentes movimentos circulares uniformes, todos referentes a partículas de mesma massa percorrendo a mesma trajetória. A tabela apresenta uma coluna com os valores do período desses movimentos e uma coluna (incompleta) com os correspondentes valores da frequência. Qual das alternativas apresenta os valores da frequência correspondentes, respectivamente, aos movimentos I, II, IV e V? a) 1 2 , 1 2 , 2 e 2 b) 4, 2, 1 2 e 1 4 c) 1 4 , 1 2 , 2 e 4 d) 16, 4, 1 4 e 1 16 e) 1 16 , 1 4 , 4 e 16 11. (Enem) A invenção e o acoplamento entre engrenagens revolucionaram a ciência na época e propiciaram a invenção de várias tecnologias, como os relógios. Ao construir um pequeno cronômetro, um relojoeiro usa o sistema de engrenagens mostrado. De acordo com a figura, um motor é ligado ao eixo e movimenta as engrenagens fazendo o ponteiro girar. A frequência do motor é de 18 rpm, e o número de dentes das engrenagens está apresentado no quadro. Engrenagem Dentes A 24 B 72 C 36 D 108 A frequência de giro do ponteiro, em rpm, é a) 1. b) 2. c) 4. d) 81. e) 162. 12. (Unesp) Um pequeno motor a pilha é utilizado para movimentar um carrinho de brinquedo. Um sistema de engrenagens transforma a velocidade de rotação desse motor na velocidade de rotação adequada às rodas do carrinho. Esse sistema é formado por quatro engrenagens, A, B, C e D, sendo que A está presa ao eixo do motor, B e C estão presas a um segundo eixo e D a um terceiro eixo, no qual também estão presas duas das quatro rodas do carrinho. Nessas condições, quando o motor girar com frequência Mf , as duas rodas do carrinho girarão com frequência Rf . Sabendo que as engrenagens A e C possuem 8 dentes, que as engrenagens B e D possuem 24 dentes, que não há escorregamento entre elas e que Mf 13,5 Hz,= é correto afirmar que Rf , em Hz, é igual a a) 1,5. b) 3,0. c) 2,0. d) 1,0. e) 2,5. 13. (Uece) Durante uma hora o ponteiro dos minutos de um relógio de parede executa um determinado deslocamento angular. Nesse intervalo de tempo, sua velocidade angular, em graus minuto, é dada por a) 360. b) 36. c) 6. d) 1. 14. (Ufrgs) Um satélite geoestacionário está em órbita circular com raio de aproximadamente 42.000 km em relação ao centro da Terra. Sobre esta situação, são feitas as seguintes afirmações. (Considere o período de rotação da Terra em torno de seu próprio eixo igual a 24h.) Sobre esta situação, são feitas as seguintes afirmações. I. O período de revolução do satélite é de 24h. II. O trabalho realizado pela Terra sobre o satélite é nulo. III. O módulo da velocidade do satélite é constante e vale 3500ð km/h. Quais estão corretas? a) Apenas I. b) Apenas II. c) Apenas I e III. d) Apenas II e III. e) I, II e III. 15. (Ufrgs) Levando-se em conta unicamente o movimento de rotação da Terra em torno de seu eixo imaginário, qual é aproximadamente a velocidade tangencial de um ponto na superfície da Terra, localizado sobre o equador terrestre? (Considere π =3,14; raio da Terra RT = 6.000 km.) a) 440 km/h. b) 800 km/h. c) 880 km/h. d) 1.600 km/h. e) 3.200 km/h. 16. (G1 - cftsc) Na figura abaixo, temos duas polias de raios 1R e 2R , que giram no sentido horário, acopladas a uma correia que não desliza sobre as polias. Com base no enunciado acima e na ilustração, é correto afirmar que: a) a velocidade angular da polia 1 é numericamente igual à velocidade angular da polia 2. b) a frequência da polia 1 é numericamente igual à frequência da polia 2. c) o módulo da velocidade na borda da polia 1 é numericamente igual ao módulo da velocidade na borda da polia 2. d) o período da polia 1 é numericamente igual ao período da polia 2. e) a velocidade da correia é diferente da velocidade da polia 1. 17. (Uepg) A figura a seguir ilustra três polias A, B e C executando um movimento circular uniforme. A polia B está fixada à polia C e estas ligadas à polia A por meio de uma correia que faz o sistema girar sem deslizar. Sobre o assunto, assinale o que for correto. 01) A velocidade escalar do ponto 1 é maior que a do ponto 2. 02) A velocidade angular da polia B é igual a da polia C. 04) A velocidade escalar do ponto 3 é maior que a velocidade escalar do ponto 1. 08) A velocidade angular da polia C é maior do que a velocidade angular da polia A. 18. (Unesp) Admita que em um trator semelhante ao da foto a relação entre o raio dos pneus de trás ( )Tr e o raio dos pneus da frente ( )Fr é T Fr 1,5 r .= Chamando de Tv e Fv os módulos das velocidades de pontos desses pneus em contato com o solo e de Tf e Ff as suas respectivas frequências de rotação, pode-se afirmar que, quando esse trator se movimenta, sem derrapar, são válidas as relações: a) T F T Fv v e f f .= = b) T F T Fv v e 1,5 f f .= = c) T F T Fv v e f 1,5 f .= = d) T F T Fv 1,5 v e f f .= = e) T F T F1,5 v v e f f . = = 19. (Pucrj) Um satélite geoestacionário encontra-se sempre posicionado sobre o mesmo ponto em relação à Terra. Sabendo-se que o raio da órbita deste satélite é de 36 × 103 km e considerando-se р= 3, podemos dizer que sua velocidade é: a) 0,5 km/s. b) 1,5 km/s. c) 2,5 km/s. d) 3,5 km/s. e) 4,5 km/s. 20. (Pucrj) Um ciclista pedala em uma trajetória circular de raio R = 5 m, com a velocidade de translação v = 150 m/min. A velocidade angular do ciclista em rad/min é: a) 60 b) 50 c) 40 d) 30e) 20 21. (Unifesp) Pai e filho passeiam de bicicleta e andam lado a lado com a mesma velocidade. Sabe-se que o diâmetro das rodas da bicicleta do pai é o dobro do diâmetro das rodas da bicicleta do filho. Pode-se afirmar que as rodas da bicicleta do pai giram com a) a metade da frequência e da velocidade angular com que giram as rodas da bicicleta do filho. b) a mesma frequência e velocidade angular com que giram as rodas da bicicleta do filho. c) o dobro da frequência e da velocidade angular com que giram as rodas da bicicleta do filho. d) a mesma frequência das rodas da bicicleta do filho, mas com metade da velocidade angular. e) a mesma frequência das rodas da bicicleta do filho, mas com o dobro da velocidade angular. 22. (Pucrj) Um disco está girando com uma rotação constante em torno de um eixo vertical que passa pelo seu centro. Um certo ponto Q está duas vezes mais afastado deste centro do que um outro ponto P. A velocidade angular de Q, num certo instante, é: a) a mesma que a de P. b) duas vezes maior que a de P. c) metade da de P. d) quatro vezes maior que a de P. e) um quarto da de P. 23. (Pucmg) Na figura, 1, 2 e 3 são partículas de massa m. A partícula 1 está presa ao ponto O pelo fio a. As partículas 2 e 3 estão presas, respectivamente, à partícula 1 e à partícula 2, pelos fios b e c. Todos os fios são inextensíveis e de massa desprezível. Cada partícula realiza um movimento circular uniforme com centro em O. Sobre as frequências angulares ù e as velocidades lineares v para cada partícula, é CORRETO dizer que: a) ù1 < ù2 < ù3 e v1 = v2 = v3 b) ù1 > ù2 > ù3 e v1 = v2 = v3 c) ù1 < ù2 < ù3 e v1 < v2 < v3 d) ù1 = ù2 = ù3 e v1 > v2 > v3 e) ù1 = ù2 = ù3 e v1 < v2 < v3 24. (Ufmg) A figura mostra três engrenagens, E1, E2 e E3 , fixas pelos seus centros, e de raios, R1 ,R2 e R3, respectivamente. A relação entre os raios é R1 = R3 < R2. A engrenagem da esquerda (E1) gira no sentido horário com período T1. Sendo T2 e T3 os períodos de E2 e E3, respectivamente, pode-se afirmar que as engrenagens vão girar de tal maneira que a) T1 = T2 = T3, com E3 girando em sentido contrário a E1. b) T1 = T3 ≠ T2, com E3 girando em sentido contrário a E1. c) T1 = T2 = T3, com E3 girando no mesmo sentido que E1. d) T1 = T3 ≠ T2, com E3 girando no mesmo sentido que E1. 25. (Pucmg) A figura mostra uma barra que gira com movimento circular e uniforme, em torno de um eixo E. Os pontos A e B giram com velocidades lineares tais que VA>VB. Em relação às velocidades angulares wA e wB e aos períodos TA e TB, é CORRETO afirmar: a) wA > wB e TA = TB b) wA < wB e TA < TB c) wA = wB e TA = TB d) wA > wB e TA > TB e) wA = wB e TA > TB GABARITO Resposta da questão 1: [C] No movimento circular uniforme (MCU) a velocidade é representada por um vetor tangente ao círculo em cada ponto ocupado pelo móvel, com isto, apesar do módulo da velocidade permanecer constante, ao longo do movimento o vetor velocidade altera sua direção e sentido, sendo, portanto, um movimento acelerado em que a aceleração é sempre perpendicular ao vetor velocidade apontando para o centro da curva, chamada de aceleração centrípeta. Assim, a alternativa correta é a [C]. Resposta da questão 2: [C] V 1 1 V 2 R f f f Hz. 2 R 2 15 30 1 1 2 f 2 rad/s. 30 15 π π π π ω π π ω π = = = = = = = Resposta da questão 3: [A] Sabendo que o período é o inverso da frequência, podemos calcular os períodos de casa um dos exaustores e, consequentemente, a diferença entre eles. 1 1 1 2 2 2 1 1 T T 0,5 s f 2 1 1 T T 0,4 s f 2,5 = = = = = = Assim, 1 2T T T 0,5 0,4 T 0,1s Δ Δ = − = − = Resposta da questão 4: [A] Como a catraca B gira juntamente com a roda R, ou seja, ambas completam uma volta no mesmo intervalo de tempo, elas possuem a mesma velocidade angular: B Rω ω= . Como a coroa A conecta-se à catraca B através de uma correia, os pontos de suas periferias possuem a mesma velocidade escalar, ou seja: A BV V= . Lembrando que V .rω= : A B A A B BV V .r .rω ω= → = . Como: A B A Br r ω ω . Resposta da questão 5: [A] ( )4 2 rS 4 2 3 0,5 v v 0,6 m/s. t 20 20 πΔ Δ = = = = Resposta da questão 6: [C] Nesse tipo de acoplamento (tangencial) as polias e a correia têm a mesma velocidade linear (v). Lembrando que v = R e que = 2f, temos: vA = vB ARA = BRB (2fA) RA = (2fB) RB fARA = fBRB. Grandezas que apresentam produto constante são inversamente proporcionais, ou seja: quanto menor o raio da polia maior será a sua frequência de rotação. Resposta da questão 7: [D] Resposta da questão 8: [D] Resposta da questão 9: [B] Resposta da questão 10: [B] Resposta da questão 11: [B] No acoplamento coaxial as frequências são iguais. No acoplamento tangencial as frequências (f) são inversamente proporcionais aos números (N) de dentes; Assim: A motor B B A A B B C B D D C C D D f f 18 rpm. f N f N f 72 18 24 f 6 rpm. f f 6 rpm. f N f N f 108 6 36 f 2 rpm. = = = = = = = = = = A frequência do ponteiro é igual à da engrenagem D, ou seja: f 2 rpm.= Resposta da questão 12: [A] Os raios das engrenagens (R) e os números de dentes (n) são diretamente proporcionais. Assim: CA A B D B RR n 8 1 . R R n 24 3 = = = = - A e B estão acopladas tangencialmente: A B A A B B A A B B MA A M M A B B B M M B B v v 2 f R 2 f R f R f R . fR 1 Mas : f f f R f R f f f f . R 3 3 π π= = = = = = = = - B e C estão acopladas coaxialmente: M C B f f f . 3 = = - C e D estão acopladas tangencialmente: C D C C D D C C D D M MC D R C C R D R C R R D R R v v 2 f R 2 f R f R f R . f fR 1 Mas : f f f R f R f f f f R 3 3 9 13,5 F f 1,5 Hz. 9 π π= = = = = = = = = = Resposta da questão 13: [C] - Para uma volta completa, tem-se um deslocamento angular de 2π radianos ou 360 - O tempo necessário para o ponteiro dar uma volta completa é de 60 minutos. Desta forma, 360 t 60 graus 6 minuto Δθ ω Δ ω = = = Resposta da questão 14: [E] I. Correto: para ser geoestacionário tem que ter período igual ao da Terra, isto é, 24hs. II. Correto: a força de atração é perpendicular à velocidade em todo o movimento. III. Correto: 2 r 2 x42.000 V 3.500 km / h T 24 π π π= = = . Resposta da questão 15: [D] Dados: = 3,14 e raio da Terra: RT = 6.000 km. O período de rotação da Terra é T = 24 h. Assim: v = T2 R 2 (3,14) (6.000)S 1.570 t T 24 = = = km/h v 1.600 km/h. Resposta da questão 16: [C] Como não há deslizamento, as velocidades lineares ou tangenciais dos pontos periféricos das polias são iguais em módulo, iguais à velocidade linear da correia. 1 2 correiav v v .= = Resposta da questão 17: 02 + 04 + 08 = 14 As polias A e B apresentam acoplamento tangencial (por correia): v1 = v2 e B > A. As polias C e D estão acopladas coaxialmente (mesmo eixo): B = C > A e v3 > v2.= v1. Resposta da questão 18: [B] As velocidades são iguais à velocidade do própriotrator: ( )T Fv v= . Para as frequências temos: T F T T F F T F F F F Tv v 2 f r 2 f r f 1,5 r f r f 1,5 f .= = = = Resposta da questão 19: [C] Resolução v = S/t v = (2..r)/T v = (2.3.36.103)/24 v = (216.103)/24 v = 9000 km/h = 2500 m/s = 2,5 km/s Resposta da questão 20: [D] Resposta da questão 21: [A] Resposta da questão 22: [A] Resposta da questão 23: [E] Resposta da questão 24: [D] Resposta da questão 25: [C]
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