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Unidade II MECÂNICA DA PARTÍCULA E MECÂNICA CLÁSSICA Profa. Iara Lima Movimento acelerado Características: A velocidade varia com o tempo aceleração não nula. Força resultante não nula. Aceleração escalar média (am) Define-se a aceleração como o quociente entre a variação de velocidade e o intervalo de tempo correspondente: A unidade para a aceleração no SI é m/s². 0f 0f m tt vv t va − − = ∆ ∆ = Movimento acelerado Aceleração instantânea (a) Considerando a aceleração média, no limite em que o intervalo de tempo tende a zero, tem a aceleração instantânea. Portanto, a aceleração instantânea corresponde a derivada da velocidade em relação ao tempo. t vlima 0t ∆ ∆ = →∆ dt dva = Classificação dos movimentos Movimento Velocidade Aceleração progressivo e acelerado Positiva Positiva progressivo e retardado Positiva Negativa retrógrado e retardado Negativa Positiva retrógrado e acelerado Negativa Negativa Movimento acelerado os sinais da velocidade e da aceleração são iguais. Movimento retardado os sinais da velocidade e da aceleração são contrários. Movimento uniformemente variado (MUV) Característica: A aceleração é constante (a = am). Gráfico da a x t: Fonte: Livro-texto. Gráfico de a x t É possível determinar a variação da velocidade Δv de um móvel a partir da área sob a curva para o intervalo de tempo considerado. Área (A) sob a curva: A = a.(t2 – t1) A = Δv Fonte: Elaborada pela autora Equação horária da velocidade no MUV Como a partir da definição de aceleração: Isolando dv e integrando os dois lados da equação: dt dva = t.avvdtavdtadv 0 t 0 v v t t v v 0 00 =−⇒=⇒⋅= ∫∫∫ tavv 0 ⋅+= Gráfico de v x t Para a > 0: Para v < 0 MUV retrógrado e retardado; Para v > 0 MUV progressivo e acelerado. Fonte: Livro-texto. Gráfico de v x t Para a < 0: Para v > 0 MUV progressivo e retardado; Para v < 0 MUV retrógrado e acelerado. Fonte: Livro-texto. Equação horária da posição no MUV Considerando a Equação Horária da Velocidade no MUV: E como a posição relaciona-se com a velocidade a partir de: Substituindo a Eq. da velocidade na Eq. da posição: tavv 0 ⋅+= 0 t 0 Sdtv)t(S +⋅= ∫ ( )= + ⋅ +∫ 0 0 0 t S(t) v a t dt S 2 ²tatvS)t(S 00 ⋅+⋅+= Equação de Torricelli Convém utilizar a Equação de Torricelli quando a variável tempo é desconhecida. Substituindo em Tem-se: onde: v velocidade final; a aceleração v0 velocidade inicial; ΔS deslocamento a vvt 0−= 2 ²tatvS)t(S 00 ⋅+⋅+= Sa.2v²v 20 ∆⋅+= Eq. de Torricelli Equações do MUV Queda livre O corpo está sujeito à aceleração da gravidade local (g). No nível do mar de g é aproximadamente: g = 9,78 m/s² ≈ 10 m/s² Características: Sempre dirigida para o centro da Terra; O sinal de g depende da convenção estabelecida para a trajetória. Queda livre Fonte: Livro-texto. Lançamento vertical para cima Fonte: Livro-texto. Lançamento oblíquo Corresponde a composição de dois movimentos: No eixo x MRU (vx = v0x = constante) No eixo y MUV (a = g) Fonte: Livro-texto. Lançamento oblíquo No início da trajetória: Supondo que o móvel seja lançado com ângulo de inclinação com a horizontal θ, a velocidade inicial do móvel em cada eixo é: No eixo x: No eixo y: No ponto mais alto da trajetória: ( ) tetanconscosvv 0x0 =θ⋅= ( )θ⋅= senvv 0y0 0vy = Fonte: Livro-texto. Interatividade Um corpo é lançado para cima a partir do solo, com um ângulo de 30º com a horizontal e a velocidade é de 400 m/s. Determine a altura máxima atingida pelo corpo (hmax) e o tempo até atingir o solo (ttotal). Considere g = 10 m/s². a) 500 m e 30 s. b) 1300 m e 20 s. c) 2000 m e 40 s. d) 1000 m e 50 s. e) 200 m e 20 s. Resposta Um corpo é lançado para cima a partir do solo, com um ângulo de 30º com a horizontal e a velocidade é de 400 m/s. Determine a altura máxima atingida pelo corpo (hmax) e o tempo até atingir o solo (ttotal). Considere g = 10 m/s². a) 500 m e 30 s. b) 1300 m e 20 s. c) 2000 m e 40 s. d) 1000 m e 50 s. e) 200 m e 20 s. Resolução 1. Cálculo de hmax: Na altura máxima vy = 0 Velocidade inicial em y v0y = 400.sen30º y y maxv v g h= − ⋅ ⋅2 20 2 ( ) maxsen º h= ⋅ − ⋅ ⋅ 20 400 30 2 10 maxh m= 2000 Resolução 2. Cálculo de ttotal: Para y = y0 = 0 t = ttotal y ty y v t g= + ⋅ − ⋅ 2 0 0 2 total total tsen º t g= + ⋅ − ⋅ 2 0 0 400 30 2 total total tt = ⋅ 2 200 10 2 totalt s= 40 Cinemática vetorial – Vetor deslocamento Vetor deslocamento: Módulo: é a distância entre os dois pontos (final e inicial). Direção: é dada pela reta que une os pontos das posições inicial e final. Sentido: é dirigido da posição inicial até a final. ff SSS −=∆ Fonte: Livro-texto. Exemplo 1 Um corredor percorre 3 m a leste da largada e em seguida 4 m a norte. Fixando a origem do referencial na largada, determine o vetor deslocamento e o módulo do vetor deslocamento. Solução: Posição inicial Posição final Vetor deslocamento Módulo do vetor deslocamento j 0i 0S0 += j 4i 3Sf += j 4i 3SSS ff +=−=∆ m 5²4²3S =+=∆ Fonte: Elaborada pela autora Vetor velocidade Vetor velocidade instantânea: Módulo: é a velocidade escalar no dado instante. Direção: como a velocidade é a derivada da posição, sua direção é dada pela reta tangente à trajetória. Sentido: é o mesmo do movimento. dt Sdv = Fonte: Livro-texto. Vetor velocidade Vetor velocidade média: Módulo: é a velocidade média no intervalo. Direção: é a mesma do deslocamento. Sentido: é o mesmo do deslocamento. t Svm ∆ ∆ = Fonte: Livro-texto. Exemplo 2 Sabendo que o vetor posição (SI) de um móvel é: Inicialmente: Após 10 s: Determine a velocidade média durante os 10 s. Solução: j 8i 2S +−= j 6i 5S0 −= 10 j 14i 7 t SS t Sv ifmed +− = ∆ − = ∆ ∆ = (m/s) j 4,1i 7,0vmed +−= Aceleração vetorial Vetor aceleração média: Vetor aceleração instantânea: t vv t va 12m ∆ − = ∆ ∆ = dt vda = Fonte: Livro-texto. Fonte: Livro-texto. Aceleração vetorial ( ): Podemos projetar o vetor aceleração em uma componente tangencial (at) e outra perpendicular à trajetória (centrípeta, acp). Assim: E o módulo da aceleração é: a t cpa a a= + t cpa a a= + 2 2 Aceleração vetorial Fonte: Elaborada pela autora Aceleração tangencial ( ) Características: Módulo: igual ao da aceleração escalar (a). Direção: tangente à trajetória. Sentido: o mesmo do vetor velocidade (acelerado) ou oposto ao do vetor velocidade (retardado). No MRU a aceleração tangencial é nula, pois a velocidade não varia. NO MUV a aceleração tangencial tem módulo constante. ta Aceleração centrípeta ( ) Características: Módulo depende do quadrado da velocidade escalar e do raio de curvatura da trajetória: Direção perpendicular ao vetor velocidade. Sentido orientado para o centro da curvatura da trajetória. Se acp = 0, então o movimento é retilíneo, pois a direção é constante. cpa cp va R = 2 Exemplo 3 Uma partícula descreve um movimento uniforme com velocidade de 30 m/s. Em um dado trecho do movimento sua trajetória é curva, com raio de 30 m. Determine o módulo da aceleração neste trecho. Solução: Como o movimento é uniforme, a velocidade não varia. Portanto, a aceleração total é igual à aceleração centrípeta e pode ser obtida por: cp va R = 2 30 ²30 R va 2 cp== ²s/m 30acp = Interatividade O vetor posição de uma partícula é dado por: Determine o vetor aceleração instantânea para t = 2 s. a) (24 i – 72 j) m/s². b) (12 i – 288 j) m/s². c) (24 i – 336 j) m/s². d) (12 i + 82 j) m/s². e) (24 i + 288 j) m/s². ( ) ( ) (SI) j t76i t5³t2)t(S 4−+−= Resposta O vetor posição de uma partícula é dado por: Determine o vetor aceleração instantânea para t = 2 s. a) (24 i – 72 j) m/s². b) (12 i – 288 j) m/s². c) (24 i – 336 j) m/s². d) (12 i + 82 j) m/s². e) (24 i + 288 j) m/s². ( ) ( ) (SI) j t76i t5³t2)t(S 4−+−= Resolução Como: A velocidade instantânea é: A aceleração instantânea é: Para t = 2 s: ( ) ( ) (SI) j t76i t5³t2)t(S 4−+−= j³t28i)5²t6( dt )t(Sd)t(v −−== j ²t84i t12 dt )t(vd)t(a −== j ²284i 212)2(a ×−×= j 336i 24)2(a −= Movimento circular Para iniciarmos os estudos do movimento circular é necessário definirmos as seguintes grandezas: Posição angular; Velocidade angular (média e instantânea); Aceleração angular (média e instantânea); Período e frequência. Cada grandeza da Cinemática, definida anteriormente para movimentos retilíneos, possui uma grandeza análoga no movimento circular. Posição angular No movimento circular, o análogo da posição é o ângulo (ou fase). Considerando uma trajetória circular de raio R, se uma partícula desloca-se da posição O para a posição P, define-se a posição angular (θ) como: onde: S espaço que corresponde ao arco OP; R S =θ Fonte: Livro-texto. Deslocamento angular Em um movimento circular, uma volta completa corresponde ao ângulo de 2π rad. Portanto, para determinar o número de voltas (N) realizadas por um móvel: Para converter um espaço angular em grau (θgrau) para radiano (θrad): π θ = 2 N 180 grau rad θ⋅π =θ Velocidade angular média Considerando um móvel que encontra-se: Posição angular θ1 para t1 Posição angular θ2 para t2 A velocidade angular média (ωm) será: A unidade para ωm é o rad/s. m t t t ∆θ θ − θ ω = = ∆ − 2 1 2 1 Fonte: Livro-texto. Exemplo 1 Um corpo descreve um movimento circular completando uma volta a cada 2,0 minutos. Qual é a sua velocidade angular média? Solução: Dados: ∆θ = 2π rad (1 volta) e ∆t = 2,0 min = 120 s m t ∆θ π ω = = ∆ 2 120 m rad / s−ω = × 352 10 Velocidade angular instantânea No limite, quando ∆t tende a zero, a velocidade angular média (ωm) torna-se a velocidade angular instantânea (ω): Como e então: Portanto mt lim ∆ → ω = ω 0 m t ∆θ ω = ∆ R S =θ mm S v R t R ∆ ω = = ⋅ ∆ v R ω = Aceleração angular Aceleração angular média (αm) a unidade da aceleração angular é rad/s². Aceleração angular instantânea (α) onde a é a aceleração linear instantânea. m t t t ∆ω ω −ω α = = ∆ − 2 1 2 1 mt lim ∆ → α = α 0 a R α = Período e frequência Período (T) tempo necessário para um móvel completar um ciclo. Unidade no SI: segundo (s) Frequência (f) números de ciclos realizados por unidade de tempo. Unidades utilizadas: s-1 = hertz (Hz) rpm (rotações por minuto) Relação entre período e frequência: f T = 1 Engrenagens Princípio: quando há contato entre as engrenagens, elas giram com a mesma velocidade linear e, se o movimento for acelerado, a aceleração linear é a mesma para o conjunto. Fonte: http://images.slideplayer.com.br/3/1235576/slides/slide_5.jpg A B A A B B v v R R = ω ⋅ = ω ⋅ A B A A B B a a R R = α ⋅ = α ⋅ Transmissão de movimento Esse princípio de funcionamento pode ser aplicado a discos em contato ou ligados por uma correia (ou uma corrente). Exemplos: Bicicleta, moto, motores de carros etc. Fonte: Livro-texto. Fonte: Livro-texto. Exemplo 2 O raio da polia acoplada ao pedal de uma bicicleta é igual a 9 cm, e a catraca da roda traseira é 3 cm. Em um dado trecho do percurso, um ciclista dá 4 voltas por segundo no pedal. Quantas voltas por segundo completa a roda traseira da bicicleta? Solução: Como cada volta possui 2π rad 4 voltas/s = 8 π rad/s = ωA A B A A B B B B v v R R rad/s = ω ⋅ = ω ⋅ π ⋅ = ω ⋅ ω = π 8 9 3 24 Re sposta : voltas / s12 Interatividade No arranjo a seguir, o disco maior move-se com velocidade angular de 24 rad/s. Determine a velocidade angular do disco menor e a velocidade linear dos discos. a) 360 rad/s e 120 m/s. b) 120 rad/s e 240 m/s. c) 60 rad/s e 180 m/s. d) 240 rad/s e 480 m/s. e) 120 rad/s e 600 m/s. Fonte: Livro-texto. Resposta No arranjo a seguir, o disco maior move-se com velocidade angular de 24 rad/s. Determine a velocidade angular do disco menor e a velocidade linear dos discos. a) 360 rad/s e 120 m/s. b) 120 rad/s e 240 m/s. c) 60 rad/s e 180 m/s. d) 240 rad/s e 480 m/s. e) 120 rad/s e 600 m/s. Fonte: Livro-texto. Resolução 1. Como os três discos estão em contato: Logo: Portanto: 2. A velocidade linear é: v v v R R R = = ω ⋅ = ω ⋅ = ω ⋅ 1 2 3 1 1 2 2 3 3 ω ⋅ = ω ⋅ ⇒ ⋅ = ω ⋅1 1 3 3 324 10 2R R rad/sω =3 120 v v v v v R v m/s = = = = ω ⋅ = ⋅ = 1 2 3 1 1 24 10 240 Movimento circular uniforme (MCU) Características: módulo da velocidade angular (ω) constante módulo da velocidade linear (v) constante A relação do MCU são análogas às do movimento retilíneo uniforme, trocando as grandezas lineares pelas angulares: MRU MCU Eq. Horária do MCU Movimento circular uniforme (MCU) Importante: convém decompor a aceleração em duas componentes (tangencial e centrípeta). No MCU a aceleração tangencial é nula, porém a centrípeta é diferente de zero, pois o vetor velocidade está sempre mudando de direção. cp va R R = = ω ⋅ 2 2 ta = 0 Aceleração tangencial Aceleração centrípeta Fonte: Livro-texto. Movimento circular uniforme (MCU) A velocidade angular (ω) relaciona-se com o período (T) por meio: Como: Portanto: Já a velocidade linear será: T π ω = 2 T f = 1 fω = π ⋅2 v R T π = ⋅ 2 v f R= π ⋅2 Exemplo 1 Uma partícula descreve um movimento angular em um círculo de raio igual a 6 m. No instante inicial ela se encontra em um ponto a 30º da origem. Sabendo que a partícula possui uma velocidade constante de 24 m/s, determine a equação horária do MCU. Dados: R = 6 m θ0 = 30º v = 24 m/s Fonte: Livro-texto. Exemplo 1 Solução: Conversão da fase inicial de grau para radiano: Determinação da velocidade angular: Portanto: t0 ⋅ω+θ=θ rad 6180 30 180 00 grau rad π =θ⇒ ⋅π =θ⇒ θ⋅π =θ s/rad 4 6 24 R v =ω⇒=ω⇒=ω t4 6 ⋅+ π =θ Movimento circular uniformemente variado (MCUV) Características: velocidade linear (v) e velocidade angular (ω) variam aceleração angular (α) constante aceleração tangencial (at) constante aceleração centrípeta (acp) como a velocidade linear varia, então acp varia. cp va R R = = ω ⋅ 2 2 ta R= α ⋅ Aceleração tangencial Aceleração centrípeta Fonte: Livro-texto. Funções horárias do MCUV A cada grandeza escalar corresponde uma grandeza angular: S θ v ω a α Portanto, as equações horárias do MCUV são: MRUV MCUV Exemplo 3 Um disco girando com velocidade angular de 120 rad/s é freado com um aceleração angular constante de 4,0 rad/s². Quanto tempo o disco leva para parar completamente? Qual é o ângulo total descrito pelo disco durante esse tempo? Solução: Dados: ω = 0 ; ω0 = 120 rad/s ; α = - 4 rad/s² (desacelerando) 1. Tempo: 2. Ângulo total:t t t sω = ω − α ⋅ ⇒ = − ⋅ ⇒ =0 0 120 4 30 radω = ω + α ⋅ ∆θ⇒ = − ⋅ ⋅ ∆θ⇒ ∆θ =2 2 20 2 0 120 2 4 1800 Funções horárias do MCUV Importante: Expressões lineares valem para cada ponto específico, pois dependem do raio. Expressões angulares valem para todos os pontos do corpo e independem de suas distâncias até o eixo de rotação. Exemplo 3 Um móvel descreve um MCUV em uma circunferência de raio igual a 20 cm. No instante t = 0, a velocidade angular é de 4 rad/s e, 10 s após é de 12 rad/s. Determine a aceleração angular, a aceleração linear e a velocidade angular para t = 30 s. Solução: 1. Aceleração angular (α): 2. Aceleração linear (a): 3. Velocidade angular para t = 30s: , rad/s² t ∆ω − α = = ⇒ α = ∆ − 12 4 0 8 10 0 a R , , , m / s²= α ⋅ = ⋅ =0 8 0 20 0 16 t , rad/s ω = ω + α ⋅ ω = + ⋅ ω = 0 4 0 8 30 28 Interatividade Um móvel inicialmente a uma velocidade angular de 10π rad/s é acelerado e atinge a velocidade de 15π rad/s em 4 segundos. Determine a aceleração angular e o número de voltas efetuadas nesses 4 segundos. a) 5π/4 rad/s² e 25 voltas. b) 3π/4 rad/s² e 37 voltas. c) 7π/2 rad/s² e 67 voltas. d) 4π/3 rad/s² e 39 voltas. e) 5π/2 rad/s² e 52 voltas. Resposta Um móvel inicialmente a uma velocidade angular de 10π rad/s é acelerado e atinge a velocidade de 15π rad/s em 4 segundos. Determine a aceleração angular e o número de voltas efetuadas nesses 4 segundos. a) 5π/4 rad/s² e 25 voltas. b) 3π/4 rad/s² e 37 voltas. c) 7π/2 rad/s² e 67 voltas. d) 4π/3 rad/s² e 39 voltas. e) 5π/2 rad/s² e 52 voltas. Resolução Dados: ω0 = 10π rad/s ω = 15π rad/s t = 4 s 1. A partir da equação horária da velocidade angular do MCUV: 2. O deslocamento total pode ser obtidos por meio da equação: t rad/s²πω = ω + α ⋅ ⇒ π = π + α ⋅ ⇒ α =0 515 10 4 4 ( ) ( ) rad π π ω = ω + α ⋅ ∆θ⇒ π = π + ⋅ ⋅ ∆θ⇒ π = ⋅ ∆θ ∆θ = π 2 22 2 2 0 5 52 15 10 2 125 4 2 50 Resolução 3. Portanto, o número de voltas pode ser obtido por: N N∆θ π= ⇒ = π π 50 2 2 N voltas= 25 ATÉ A PRÓXIMA! Slide Number 1 Movimento acelerado Movimento acelerado Classificação dos movimentos Movimento uniformemente variado (MUV) Gráfico de a x t Equação horária da velocidade no MUV Gráfico de v x t Gráfico de v x t Equação horária da posição no MUV Equação de Torricelli Equações do MUV Queda livre Queda livre Lançamento vertical para cima Lançamento oblíquo Lançamento oblíquo Interatividade Resposta Resolução Resolução Cinemática vetorial – Vetor deslocamento Exemplo 1 Vetor velocidade Vetor velocidade Exemplo 2 Aceleração vetorial Aceleração vetorial Aceleração tangencial ( ) Aceleração centrípeta ( ) Exemplo 3 Interatividade Resposta Resolução Movimento circular Posição angular Deslocamento angular Velocidade angular média Exemplo 1 Velocidade angular instantânea Aceleração angular Período e frequência Engrenagens Transmissão de movimento Exemplo 2 Interatividade Resposta Resolução Movimento circular uniforme (MCU) Movimento circular uniforme (MCU) Movimento circular uniforme (MCU) Exemplo 1 Exemplo 1 Movimento circular uniformemente variado (MCUV) Funções horárias do MCUV Exemplo 3 Funções horárias do MCUV Exemplo 3 Interatividade Resposta Resolução Resolução Slide Number 63
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