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MOVIMENTOS NA FÍSICA Na física, o movimento consiste numa mudança de posição de um corpo ou de um sistema em relação ao tempo. A ciência que estuda o movimento é a mecânica, a qual se divide em duas partes: cinemática e dinâmica. Cinemática: Procura descrever o movimento, sem ter em conta as suas causas. Dinâmica: Pretende fundamentar um modelo que estude essas causas. SIMBOLOGIA ● t = tempo : segundos/s ● s = espaço, lugar : metro/m ● v = velocidade : m/s ● a = aceleração: m/s² ● s0= espaço inicial : espaço em t = 0 (metro = m) ● v0= velocidade inicial : velocidade em t = 0 (m/s) PONTO MATERIAL O ponto material é considerado um corpo com qualquer tamanho ou forma, que tem por objetivo representar um objeto qualquer independente da sua dimensão. Corpo é uma quantidade limitada de matéria. Então, todo corpo possui dimensões, mas muitas vezes elas não são levadas em conta porque são muito pequenas em relação às distâncias envolvidas em certos problemas. Um corpo, em tais circunstâncias, é considerado um ponto material Ex: A Terra em relação ao Sol Uma canoa navegando no Rio Ipojuca A Ilha do Retiro em relação à cidade Qualquer corpo pode ser considerado um ponto material, dependendo da comparação que é feita. TRAJETÓRIA A trajetória é um conceito essencial no estudo de Cinemática, ela pode ser entendida de diversas formas, mas consiste em uma coisa intuitiva. O conjunto de posições sucessivas ocupadas por um móvel no decorrer do tempo pode ser chamado de trajetória. O caminho descrito pelo móvel também pode ser chamado de trajetória. Mas para ficar mais claro, imaginemos um automóvel fazendo uma viagem entre duas cidades e consideramos que ele em momento algum desviou ou voltou algum trecho, o caminho percorrido durante a viagem é exatamente a trajetória. A trajetória é um conceito relativo, ela, assim como a maioria dos conceitos da cinemática, depende de um referencial para ser definida. A ABSCISSA NA TRAJETÓRIA Supondo um evento, onde uma pessoa que estava dirigindo numa estrada quebra o carro e para no acostamento para ligar e pedir socorro, ela precisará informar onde se encontra, porém, descrever o local muitas vezes não é o bastante. Para isso, normalmente as estradas contam com placas de quilometragem, especificando a localização. Assim, ao ler a informação da placa, o motorista parado pode ser facilmente encontrado. Os físicos costumam chamar de a abscissa do móvel de espaço ou mesma posição. EXEMPLOS DE TRAJETÓRIA Trajetória percorrida pela bolinha num certo intervalo de tempo, na figura, nota-se a marcação de espaços em determinados intervalos de tempo. Na imagem uma bola é solta, a trajetória está tracejada pela linha que vai do segundo andar do prédio até o chão, medindo 18 metros. Na figura a menina lança a bolinha da sua mão com uma altura x e certa velocidade inicial A imagem mostra um garoto chutando uma bola que descreverá uma trajetória parabólica. REPOUSO E MOVIMENTO Repouso e Movimento : são conceitos relativos porque um corpo pode estar ao mesmo tempo em repouso a um determinado referencial e em movimento em relação a outro referencial. EX: Observe a natureza: Nela, tudo se move não só os animais, que geram seus próprios movimentos, mas também os vegetais e minerais, movidos pelo vento e águas. As folhas e os galhos das árvores As pedras que rolam nos leitos dos rios Os grãos de areia nos desertos e praias. Uma estrela imensa como o Sol tem vários tipos de movimento. O mesmo acontece com a Terra, a Lua e todos os planetas e estrelas. Até os rochedos mais pesados e as grandes cordilheiras se movem, pois se encontram na Terra, que está em movimento. Também no mundo dos seres muito pequenos nada está parado. Se usarmos um microscópio, podemos ver, por exemplo, os minúsculos seres vivos movendo-se em uma gota d’água, ou os movimentos do citoplasma das nossas células. Embora não se consiga vê-los nem com a ajuda dos melhores microscópios, de tão pequenos que são, os átomos que compõem os corpos também estão em constante movimento. Todos os gases, líquidos e sólidos são formados por átomos ou moléculas em contínuo movimento. Qualquer material, por mais duro que seja (como por exemplo o ferro) é formado por átomos que estão vibrando continuamente. Nos átomos existem partículas milhares de vezes menores que o próprio átomo, chamadas elétrons, que giram em grande velocidade ao redor de núcleos centrais. Observe atentamente o lugar onde você se encontra agora. Que coisas estão em movimento? Esses movimentos que você está observando são rápidos ou lentos? Como você sabe se alguma coisa está em movimento? Percebemos que alguma coisa está em movimento quando ela muda de lugar. E é comum observarmos alguma coisa mudando de lugar mais rapidamente do que outra. Como por exemplo, um pássaro que passa, voando na mesma direção em que você está se movimentam, você nota que ele é mais rápido. Para chegar a essa conclusão sem pensar muito, você faz uma comparação. Se quisermos pensar sobre movimentos, do ponto de vista físico, o que devemos comparar para decidir se um movimento, é mais rápido, ou mais lento do que outro? POSIÇÃO: Na figura abaixo, onde está a roda? Podemos responder tanto: Está à direita do triângulo Quanto: Está acima da flecha Para conhecer a posição de um objeto, precisamos de um ponto ou sistema de referência. Quando a posição de um objeto varia em relação ao ponto ou sistema de referência, diz-se que esse objeto está em movimento. Ao contrário, quando a posição não varia, diz-se que ele está em repouso. Para estudar o movimento de um corpo, teremos de fazê-lo necessariamente em relação a um sistema de referência. Por isso dizemos que todo movimento é relativo. TIPOS DE MOVIMENTOS: SENTIDO Movimento progressivo: Quando um determinado móvel se desloca em uma determinada trajetória, o movimento pode concordar ou não com a orientação dada a ele. Assim, se um móvel se desloca ao longo de uma trajetória no sentido crescente dos valores que estão associados às posições, sua velocidade será, então, positiva. Nesse caso, classificamos o movimento do móvel como um movimento progressivo, ou seja, é um movimento que, com o passar do tempo, progride. Movimento retrógrado : Se o móvel estiver se deslocando no sentido decrescente (ou no sentido contrário) da indicação dos marcos da trajetória, dizemos que ele está se movendo no sentido negativo da trajetória, e, consequentemente, sua velocidade é negativa. Nesse caso, o movimento descrito pelo móvel é dito movimento retrógrado Movimento acelerado: Um movimento é denominado acelerado quando o valor absoluto da velocidade instantânea aumenta com o passar do tempo. Nesse caso, a velocidade e a aceleração do móvel possuem o mesmo sinal. Movimento retardado: Um movimento é denominado retardado quando o valor absoluto da velocidade instantânea diminui com o passar do tempo. TIPOS DE MOVIMENTO: TRAJETÓRIA Movimento retilíneo : Movimento retilíneo, é aquele em que a trajetória descrita por um corpo no espaço é uma linha reta. Ex: Um automóvel que se desloca em uma estrada retilínea com velocidade constante está animado de um tipo particular de movimento retilíneo. Há váriostipos de movimento retilíneo. Se a velocidade do corpo permanece constante como no exemplo, o movimento é chamado de retilíneo uniforme (M.R.U). Uma pedra que cai verticalmente em queda livre também está em movimento retilíneo embora este, não seja um movimento uniforme, pois a aceleração da gravidade faz com que a velocidade não fique constante. Se a velocidade do corpo variar de modo uniforme, isto é, se o corpo estiver animado de uma aceleração constante, como no segundo exemplo acima, o movimento será chamado de uniformemente variado (M. R. U. V). ALGUNS CONCEITOS IMPORTANTES PARA ENTENDER ESSE MOVIMENTO Há alguns tipos de movimentos retilíneos diferentes e um desses tipos é o movimento retilíneo uniforme, conhecido como MRU. O movimento retilíneo é uniforme quando a velocidade desse corpo se mantém constante durante o deslocamento realizado. Quando há uma variação uniforme na velocidade do objeto deslocado, o movimento passa a ser chamado de movimento retilíneo uniformemente variado (MRUV). Apesar disso, a grande maioria dos movimentos de deslocamento apresenta maior complexidade e não são constantes. Há alguns conceitos da Física que são necessários para entender o movimento retilíneo e o primeiro dele é a noção de espaço, que significa a posição de um móvel e é representado pela letra S. A variação de um móvel se faz em relação a um tempo, então leve-se em conta que ela é uma variação de tempo (t). Há um elemento importante também: a variação de deslocamento ou espaço, representada por Δs. O deslocamento é definido através da diferença de sua posição final e sua posição no início da trajetória e a equação matemática é: Δs= Sf-Si. Outra variação importante é a variação do tempo: Δt. Se quando um skate se deslocou 15m com relação a um referencial ele estava a 5s e quando alcançou um deslocamento de 30m ele estava a 7s. Assim, a variação de tempo vai ser Δt = Tf –Ti = 7s-2s = o tempo total é de 5s. Um conceito importante de se entender no que diz respeito ao movimento retilíneo é o de aceleração média, que significa a razão entre o espaço percorrido e o tempo que essa trajetória levou para ser feita. Isso é calculado da seguinte forma: am=Δs/Δt, sendo a unidade de aceleração expressa por m/s². Movimento Curvilíneo: O movimento curvilíneo é identificado como o verdadeiro movimento de uma partícula, visto que as restrições unidimensionais não mais são evidenciadas. O movimento não é mais vinculado. Em geral as grandezas físicas envolvidas terão suas características plenas: velocidade, aceleração e força. Igualmente surge a possibilidade de termos o movimento curvilíneo como sendo a somatória de mais de um tipo de movimento unidimensional. Geralmente na natureza, o movimento de uma partícula será descrito por uma trajetória de parábola, como é característica do movimento curvilíneo sob ação da força gravitacional terrestre, e aqueles movimentos descrevendo trajetórias circulares estando sujeitos à ação da força centrípeta, que não é uma força externa, no sentido convencional, mas é uma característica do movimento curvilíneo. Movimento Circular Uniforme: É um tipo de movimento que ocorre com velocidade escalar constante ao longo de uma trajetória de formato circular. Apesar de receber o adjetivo uniforme, esse movimento é acelerado, uma vez que a mudança na direção do vetor velocidade implica a existência de uma aceleração centrípeta de direção radial, cujo sentido aponta para o centro da curva. Movimento Circular Uniforme é aquele em que uma partícula move-se ao longo de uma trajetória circular de raio constante. Nesse tipo de movimento, tanto a velocidade escalar quanto a velocidade angular são constantes, mas o movimento é acelerado, uma vez que nesse tipo de trajetória é necessário que haja uma aceleração, a qual aponta na direção do raio, sempre com sentido ao centro da curva, chamada de aceleração centrípeta. Uma vez que a trajetória percorrida no MCU é circular, o espaço percorrido (ΔS) pela partícula pode ser calculado a partir de um arco de circunferência, de modo que uma volta completa tenha comprimento igual a 2πR, em que R representa o módulo do raio dessa circunferência. A velocidade escalar v do movimento circular uniforme, por sua vez, é calculada pela razão entre o espaço percorrido (ΔS) e o intervalo de tempo (Δt), assim como a seguir: v – velocidade média ΔS – deslocamento Δt – intervalo de tempo R – raio da circunferência T – período Na fórmula acima, é possível separar as grandezas angulares das grandezas espaciais. Fazendo isso, obtém-se outra fórmula para a velocidade escalar. Tal fórmula mostra que o módulo da velocidade escalar em que a partícula move-se pode ser calculado a partir do produto entre a velocidade angular (ω) e o raio da trajetória (R). A velocidade angular comumente é chamada de frequência angular e também de pulsação. Sua unidade de medida é o radiano por segundo (rad/s). Entretanto, uma vez que o radiano é uma medida de ângulo, e não uma grandeza física, a unidade de medida da velocidade angular, a rigor, é o s-1, que equivale ao hertz (Hz). A velocidade angular relaciona-se ainda com outras duas importantes grandezas para os movimentos circulares: frequência (f) e período (T). A frequência, cuja unidade de medida também é o Hz, indica a quantidade de rotações que uma partícula realiza a cada segundo, enquanto o período indica o tempo necessário para essa partícula percorrer uma volta completa. Dessa maneira, frequência e período são grandezas inversamente proporcionais e relacionadas entre si. Observe: f - frequência ACELERAÇÃO CENTRÍPETA NO MCU A aceleração centrípeta é aquela que aponta sempre para o centro da curva realizada por uma partícula em movimento circular. Essa aceleração pode ser produzida por uma tração, força de atrito, força magnética, entre outras. Assim como a aceleração escalar, a aceleração centrípeta é medida em m/s². Entretanto, o significado físico da aceleração centrípeta é diferente do significado da aceleração escalar. Aceleração escalar: Indica a variação da magnitude da velocidade. Aceleração centrípeta: Indica uma variação na direção da velocidade, graças ao caráter vetorial da velocidade no movimento circular. A fórmula utilizada para calcular o módulo da aceleração centrípeta de uma partícula em MCU é a seguinte: TIPOS DE MOVIMENTO: VELOCIDADE movimento uniforme: Ocorre quando um móvel desloca-se em linha reta e com velocidade constante. No movimento uniforme, o móvel percorre espaços iguais em intervalos de tempo iguais. Imagine a seguinte situação: Um veículo que se move em movimento uniforme, com velocidade de 20 km/h, terá se deslocado de sua posição inicial em 10 km, em um intervalo de tempo de 0,5 h (30 minutos). Em 1h, esse mesmo veículo terá se distanciado de sua posição inicial em 20 km. Todos os movimentos uniformes devem ocorrer em linha reta, já que nesse tipo de movimento não há aceleração. Entenda: Para que um móvel sofra uma alteração em sua direção de deslocamento, é necessário que uma força atue sobre ele, imprimindo-lhe uma aceleração e fazendo com que o móvel ganhe uma nova componente de velocidade. FÓRMULAS DO MOVIMENTO UNIFORME Confira algumas fórmulas utilizadas para descrever o movimento uniforme e entenda o significado de cada uma de suas variáveis: S — posição final do móvel S0 — posição inicial do móvel v — velocidade do móvel t — intervalo de tempo v — velocidademédia ΔS — deslocamento Δt — intervalo de tempo REFERÊNCIAS E CLASSIFICAÇÃO DO MOVIMENTO Para definirmos corretamente o movimento de um corpo, é necessário escolher um referencial. Na Física, entendemos que referencial é a posição em que o observador se encontra. A figura abaixo mostra alguns veículos que se movem em diferentes sentidos ao longo da direção horizontal. O referencial adotado na figura (marcado pelo ponto 0) é onde o observador se encontra. Segundo esse referencial, os carros, à esquerda, encontram-se em posições negativas, enquanto os carros, à direita, encontram-se em posições positivas. É importante perceber que a escolha de outro referencial implicaria a mudança das posições iniciais de cada veículo e também a classificação dos seus movimentos. A figura abaixo mostra o que o referencial escolhido percebe: para ele, o carro laranja e o carro prata, à esquerda, afastam-se, enquanto o carro prata, à direita, aproxima-se dele. VELOCIDADE MÉDIA A velocidade média de um móvel é dada pela razão do deslocamento (ΔS) no intervalo de tempo em que o movimento ocorreu. O deslocamento (ΔS), por sua vez, é dado pela diferença entre as posições final e inicial do móvel. v — velocidade média ΔS — deslocamento Δt — intervalo de tempo Na fórmula da velocidade média, chamamos ΔS de deslocamento. O deslocamento de um móvel pode ser facilmente calculado se soubermos de onde ele saiu (S0 — posição inicial) e onde ele chegou (Sf — posição final). Ao término do movimento, que é delimitado por um intervalo de tempo (Δt), calculado pela diferença de tempo entre os instantes final e inicial (Δt = tf – t0). Confira essa fórmula, de forma mais detalhada, a seguir: GRÁFICOS DO MOVIMENTO UNIFORME Podemos relacionar a posição de um móvel em função do tempo usando os gráficos. Para o movimento uniforme, os gráficos de posição em função do tempo formam retas com inclinação para cima ou para baixo, relacionadas ao movimento progressivo e regressivo, respectivamente. Confira um exemplo de gráfico da posição em função do tempo para o movimento uniforme progressivo: Na figura abaixo, temos um gráfico que representa a posição em função do tempo para um móvel que executa um movimento uniforme e regressivo (ou retrógrado). Os gráficos de velocidade em função do tempo para o movimento uniforme, por sua vez, são retas paralelas ao eixo horizontal, de módulo negativo ou positivo, de acordo com a sua classificação (progressivo ou regressivo). Por meio do gráfico de velocidade, é possível calcular o deslocamento do móvel, para isso, basta determinarmos o módulo da área abaixo da reta: No gráfico anterior, a área pintada de azul é numericamente igual à área de um retângulo. Essa área pode ser calculada pela fórmula a seguir: A — área b — aresta da base h — altura Movimento uniformemente variado: (MUV) trata-se de um movimento no qual a mudança de velocidade, chamada de aceleração, ocorre a uma taxa constante. O movimento uniformemente variado é um caso particular do movimento variado. Neste, a velocidade apenas varia, enquanto no movimento uniforme a velocidade varia de maneira constante, isto é, sua magnitude sofre acréscimos ou reduções iguais, a cada segundo. INTRODUÇÃO SOBRE O MOVIMENTO UNIFORMEMENTE VARIADO Quando algum móvel desenvolve um movimento uniformemente variado, a sua velocidade aumentará ou diminuirá , a cada segundo. Quando essa velocidade aumenta, dizemos que o seu movimento é acelerado Quando diminui, dizemos que seu movimento é retardado. O movimento uniformemente variado pode ser descrito por meio de funções horárias, similares àquelas usadas para o movimento uniforme, sendo mais gerais. Além disso, para resolver alguns exercícios relacionados a esse tipo de movimento, é necessário compreender o significado por trás dos gráficos de posição e velocidade. Primeiramente, trataremos da função horária da velocidade, que também pode ser escrita no formato da fórmula usada para o cálculo da aceleração média, confira: vF e v0 - velocidades final e inicial (m/s) a - aceleração (m/s) t - intervalo de tempo (s) A fórmula mostra que a velocidade de um móvel varia de forma linear com a sua aceleração, ou seja, supondo que um corpo tenha uma aceleração de 3 m/s², a sua velocidade aumentará em 3 m/s, a cada segundo. Na figura trazemos um gráfico de velocidade em função do tempo v(t), confira: No gráfico, vemos duas retas, uma vermelha e uma azul, que representam o movimento de dois móveis. Estes partem do repouso (v0 = 0) e passam a acelerar de forma constante. Um segundo após sua partida, o móvel em azul está com uma velocidade de 4 m/s, enquanto o móvel vermelho está a 2 m/s. Analisando a inclinação das retas, é fácil perceber que a aceleração do móvel azul é maior que a do móvel em vermelho. É possível perceber, com base na leitura do gráfico, que a velocidade do móvel em azul aumenta 4 m/s, a cada segundo que se passa, enquanto a velocidade do móvel B aumenta em apenas 2m/s, para o mesmo intervalo de tempo. Desse modo, podemos escrever as funções horárias dos movimentos representados pelas retas azul e vermelha, confira: A seguir, está como deve ser o formato do gráfico de um movimento uniformemente variado acelerado e retardado em vermelho e em azul, respectivamente. Para ambos, adotaremos uma velocidade inicial não nula: Perceba que o movimento retardado, representado pela reta azul, inverte o seu sentido no instante t = 8 s, uma vez que sua velocidade passa a assumir valores negativos. Além de obtermos a aceleração do móvel, com base nos gráficos de velocidade, também é possível que se calcule a distância percorrida pelo móvel. Para isso, devemos calcular qual é a área do gráfico abaixo da reta. Essa área pode ser facilmente encontrada considerando-se a área de um trapézio e pode ser obtida diretamente pela fórmula seguinte, especialmente útil para quando não se conhece a aceleração do móvel Além da função horária da velocidade, o MUV utiliza funções horárias da posição. Estas são funções de segundo grau, uma vez que o deslocamento de um móvel em MUV é proporcional ao intervalo de tempo elevado ao quadrado. Confira agora as equações da posição e do deslocamento para o MUV: SF - posição final S0 - posição inicial v0 - velocidade inicial ΔS - deslocamento Tais equações assemelham-se às funções de segundo grau do tipo: ax² + bx + c = 0. Nessas funções horárias de posição e deslocamento, o coeficiente a equivale à a/2 (aceleração dividido por dois), que multiplica o termo t², enquanto a velocidade inicial (v0) representa o coeficiente b. Com base nisso, confira como são os gráficos de movimento uniformemente variado para os casos acelerado, em vermelho, e retardado, em azul, partindo deuma velocidade inicial não nula: Analisando esse gráfico, é possível perceber que, para o movimento acelerado, em vermelho, a concavidade da parábola é voltada para cima, uma vez que sua aceleração é positiva enquanto para o movimento retardado, em azul, a concavidade da parábola é voltada para baixo, em razão de sua aceleração apresentar sentido contrário à sua velocidade inicial. As funções horárias que foram utilizadas para formar os gráficos, representadas pelas curvas vermelha e azul respectivamente, bem como os seus valores de posição, velocidade inicial e aceleração são mostrados a seguir: TIPOS DE QUEDA: FORÇAS ATRAENTES Queda livre: É um movimento vertical que consiste na queda dos corpos sem o efeito da força de atrito. Aqui na Terra alguns corpos que caem de pequenas alturas em relação ao chão fazem-no de maneira próxima a uma queda livre ideal. O que é queda livre? O movimento de queda livre foi estudado pelo físico italiano Galileu Galilei. De acordo com os seus estudos, Galileu mostrou que corpos em queda livre, mesmo os de massas diferentes, chegariam ao chão ao mesmo tempo, pois estariam sujeitos à mesma aceleração. A queda livre é, portanto, um movimento descrito pelos corpos, abandonados a uma certa altura, que acontece exclusivamente pelo efeito da gravidade local. Nesse tipo de movimento, desconsideramos o efeito das forças de arraste ou atrito. A queda livre é um movimento uniformemente variado, ou seja, um corpo em queda livre tem a sua velocidade aumentada a taxas constantes. Quando um corpo é abandonado em alturas próximas à superfície da Terra, a velocidade em que ele cai aumenta a uma taxa de 10 m/s, o que é o mesmo que dizer que a aceleração da gravidade terrestre é de 10 m/s², cerca de 36 km/h a cada segundo Exemplos de queda livre Quaisquer corpos pesados e que tenham uma pequena área de contato com o ar podem descrever um movimento muito próximo àquilo que se entende por queda livre, caso solto em pequenas alturas em relação ao solo. Confira alguns exemplos: ● Uma bola de boliche solta à altura do quadril. ● Um livro pesado que cai da superfície de uma mesa. ● Uma chave de roda que cai do porta-malas de um carro. ● Um aparelho celular que cai do bolso de uma jaqueta. Apesar de serem movimentos muito próximos à situação de uma queda livre, ela só acontece de fato em corpos que são abandonados no vácuo em regiões onde exista aceleração gravitacional. Fórmulas da queda livre As fórmulas utilizadas para a queda livre levam em conta, na maior parte das vezes, um referencial que se encontra na mesma posição inicial do objeto em queda. Consideramos a queda livre como o movimento quando algum objeto é solto ou abandonado do repouso (velocidade inicial igual a zero) a partir de uma certa altura em relação ao solo, em uma região onde haja aceleração gravitacional. Os casos em que os objetos iniciam o seu movimento com velocidades iniciais diferentes de zero, dizemos que tratam-se de lançamentos verticais. A fórmula que determina a velocidade de queda de um corpo que cai a partir do repouso é bastante simples, confira: v – Velocidade de queda (m/s) g – gravidade (m/s²) t - tempo de queda (s) A fórmula acima indica que a velocidade adquirida pelo corpo pode ser calculado por meio do produto entre a gravidade e o seu tempo de queda. Para relacionarmos a altura e o tempo, utilizamos a seguinte fórmula: H – altura (m) Analisando a equação acima, é possível perceber que a distância vertical percorrida por um corpo em queda livre é proporcional ao quadrado do tempo. Isso indica que a cada instante o corpo estará caindo um espaço maior, pois seu movimento é acelerado. Existe ainda uma equação que é capaz de relacionar a velocidade de queda com a altura. Essa equação deriva da equação de torricelli: Gráficos da queda livre Como o movimento de queda livre é do tipo uniformemente variado, os seus gráficos de velocidade e posição são, respectivamente, uma reta ascendente e uma parábola, com a concavidade voltada para cima. Veja:
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