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Física 1 – Capítulo 4 – Trabalho e energia – Prof. Dr. Cláudio. Sérgio Sartori. 1 Trabalho de uma força Introdução: Considere um corpo que se desloca a uma distância s ao longo de uma curva. Em cada instante deste deslocamento há uma força F atuando sobre o corpo de massa m. Definimos o trabalho da força F ao longo da curva C pela integral de linha: C W F dl Aqui dl aponta no sentido da orientação da curva, tem direção tangente à ela e representa um deslocamento infinitesimal do corpo de massa m. É possível escrever a força F como a soma de uma componente paralela ao vetor dl : F e outra componente perpendicular: F : F F F Assim: F dl F F dl F dl F dl F dl F dl F dl Para uma força constante atuando no corpo, podemos escrever: cosW F d Aqui, θ é o ângulo entre a força F e o vetor deslocamento d . Unidade: Joule: 1J = 1N.1m Outras unidades: 1 cal = 4.186J 1 erg = 10 -7 J 1 ft.lb = 1.356 J 1 Btu = 1055 J 1eV = 1.6.10 -19 J 1 kWh = 3.6.10 6 J Casos: Física 1 – Capítulo 4 – Trabalho e energia – Prof. Dr. Cláudio. Sérgio Sartori. 2 Exemplos: 1. José deseja impressionar Elaine com seu novo carro, porém o carro morre no meio de um cruzamento e ele paga o maior mico. Enquanto Elaine gira o volante, José empurra o carro 19 m para desimpedir o cruzamento. Sabendo que ele empurra o carro com uma força constante de 210 N na mesma direção e sentido do deslocamento, qual o trabalho realizado por esta força sobre o carro? Solução: f i x x W Fdx W F x 210 19W 34.0 10W J 2. Encontre o trabalho de cada força nos sistemas mostrados: (a) Um fazendeiro amarra seu trator a um trenó carregado de madeira e o puxa até uma distância de 20 m na horizontal. O peso do trenó carregado é 14700N. O trator exerce uma força constante de 5000N formando um ângulo de 36.9° acima da horizontal. Existe uma força de atrito de 3500 N que se opõe ao movimento. Calcule o trabalho que cada força realiza sobre o trenó e o trabalho total por todas as forças. Encontre a força resultante e determine o trabalho da força resultante. (b) Analisar o trabalho de cada força em cada situação dada. (a) Solução: Trabalho da força: cos TF T W F dl W F l 5000 20 cos36.9 80W kJ Trabalho da força de atrito: cos180 aF a a W F dl W F l 3500 20 1 aF W 70 aF W kJ Trabalho total: a TF F P N W W W W W Física 1 – Capítulo 4 – Trabalho e energia – Prof. Dr. Cláudio. Sérgio Sartori. 3 Gráfico (x, F(x) Trabalho da força elástica: f f i i x x x x W Fdx W kxdx 2 21 1 2 2 f iW k x k x Trabalho de força curvilínea: Energia cinética 2 2 c m v K E A energia cinética de uma partícula é igual ao trabalho total realizado para acelerá-la a partir do repouso até sua velocidade presente. Teorema Trabalho-Energia: O trabalho realizado pela força resultante sobre a partícula fornece a variação da energia cinética da partícula. 2 2 2 2R R f i F c F m v m v W E W Demonstração: dv dv dx dv a v dt dx dt dx O trabalho total realizado pela força resultante é dado por: f R i x F x W Fdx Física 1 – Capítulo 4 – Trabalho e energia – Prof. Dr. Cláudio. Sérgio Sartori. 4 f R i x F x W m adx f R i x F x dv W m v dx dx f R i v F v W m vdv 2 2 f R i v v F v v v W m 2 2 2 2R f i F m v m v W Energia potencial elástica: 2 2 p k x E Energia potencial gravitacional: pE U m g y Potência: Potência Média: med W P t Potência Instantânea: 0 lim t W dW P P t dt P F v Unidade: Watt 1W = 1J/1s Outras unidades: 1 hp = 745.6987 W = 550 ft.lb/s 1 Btu/h = 0.293 W 1 cv = 735.49875 W 1 cv = 0.9863 hp 1 hp = 1.0139 cv O cavalo-vapor, de símbolo cv, é uma unidade de potência que equivale a 75 kgf·m·s -1 . Um kgf.m por sua vez corresponde ao trabalho gasto para se elevar uma massa de um quilograma a um metro de altura ao nível do mar. [ Pouco utilizada no meio científico devido à existência de uma unidade específica para isso no Sistema Internacional de Unidades — o Watt. Porém, a sua utilização persiste, nomeadamente no meio da indústria automobilística, para classificar a potência máxima dos motores de combustão interna. Nos países anglo-saxónicos, utiliza-se o horse power, de símbolo hp, que é uma unidade de mesma escala de grandeza, mas com valores diferentes. O horse power define-se como sendo a potência necessária para elevar verticalmente a uma velocidade de 1 pé/min uma massa de 33000 libras. Exemplos: 3. Um cavaleiro de 0.1 kg de massa está ligado à extremidade de um trilho de ar horizontal por uma mola constante de 20 N/m. Inicialmente, a mola não está esticada e o cavaleiro se move com velocidade igual a 1.5 m/s para a direita. Ache a máxima distância d que o cavaleiro pode se mover para a direita: (a) supondo que o ar esteja passando pelo trilho e o atrito seja desprezível. (b) supondo que o ar não esteja fluindo e o coeficiente de atrito cinético seja µC = 0.47. Solução: Usando o teorema do trabalho-energia: (a) 2 2 2 2R R f i F c F m v m v W E W 2 2 0 0 2 2e x dd F x k x k d W kxdx http://pt.wikipedia.org/wiki/Cavalo-vapor#cite_note-0 Física 1 – Capítulo 4 – Trabalho e energia – Prof. Dr. Cláudio. Sérgio Sartori. 5 22 20 2 2 2 im vk d m 0.1 1.5 20 i m d v d k 0.106 10.6d m cm (b) Quando o ar não circula, devemos também incluir o trabalho realizado pelo atrito cinético. A força normal é igual ao peso. Assim: N P m g a C a CF N F m g 2 2 2 2R R f i F c F m v m v W E W 2 2 2 2a e f i F F m v m v W W 2 2 21cos180 2 2 2 f i a m v m v f d k x 2 2 21 2 2 2 f i C m v m v m g d k x 2 2 21 0.1 0 0.1 1.50.1 9.8 0.47 20 2 2 2 d d 2 2 21 0.1 0 0.1 1.50.1 9.8 0.47 20 2 2 2 d d 0.086d m 4. Em um piquenique familiar, você foi designado a empurrar seu primo chato João em um balanço. Seu peso é w; o comprimento da corrente é R e você empurra o dunha até que as correntes façam um ângulo θ0 que começa em 0 e cresce gradualmente até atingir um valor suficiente para que João e o balanço se movam lentamente e permaneçam aproximadamente em equilíbrio. Qual o trabalho total realizado por todas as forças sobre João? Qual o trabalho realizado pela tensão T nas correntes. Qual o trabalho que você realiza ao exercer a força variável F ? Despreze o peso das correntes e do assento. Solução: 1 0 0 N x i F F T sen 1 0 cos 0 N y i F T w F w tg cosW F dl W F ds Como: s R ds R d 0 0 cosW w tg R d 0 0 W w R sen d 0 0 cosW w R 01 cosW w R 5. Cada um dos motores a jato de um Boeing 767 desenvolve uma propulsão de 197000N. Quando o avião está voando a 900 km/h, qual a potência instantânea que cada motor desenvolve? Solução: 51.97 10 250P F v P 74.93 10P W 6. O papel do motor de um automóvel é fornecer continuamente uma determinada potência para superar a resistência ao seu movimento. Duas forças se opõe ao movimento do automóvel: o atrito de rolamento e a resistência do ar. Um valor comum para o coeficiente de atrito de rolamento é µ = 0.015 para um pneu rolando com pressão apropriada em um pavimento Física 1 – Capítulo 4 – Trabalho e energia – Prof. Dr. Cláudio. Sérgio Sartori. 6 duro. Um Porshe Carrera 911 possui massa 1251 kg, peso 12260N e a força de atrito de rolamento é dada por: 0.015 12260rol rolF N F 180rolF N Essa força é aproximadamente independente da velocidade do automóvel. A força de resistência do ar Far é aproximadamente proporcional ao quadrado da velocidade do automóvel e expressa por: 21 2 arF C A v Onde: C: Constante adimensional denominada de coeficiente de arraste. Valores comuns: 0.35 a 0.5. : densidade do ar: 1.2 kg/m3. A: área da seção reta do carro. Para o Porshe Carrera: 21 0.38 1.77 1.2 2 arF v 20.4arF v A potência é dada por: imp rol arP F v P F F v v(m/s) Frol(N) Far(N) Fimp(N) P(kW) 10 180 40 220 2,2 15 180 90 270 4,1 30 180 360 540 17 40 A queima de 1L de gasolina libera uma energia de aproximadamente 3.5.10 7 J. Uma parte dessa energia é convertida em trabalho útil. Em um motor de automóvel típico, 65% do calor liberado pela queima de combustível é dispersado no sistema de resfriamento e exaustão e cerca de 20% dessa energia é convertida em trabalho que não contribui para a propulsão do carro, como o trabalho realizado pelo atrito no eixo do motor e o trabalho necessário para mover acessórios como o sistema de ar-condicionado e o sistema de direção do volante até as rodas do carro. Sobram do total, 15% de energia para superar o atrito de rolamento e resistência do ar. Assim, a energia disponível por litro de gasolina é: 7 60.15 3.5 10 5.3 10J L J L Para examinar o consumo de gasolina em 15 m/s a potência necessária seria de 4.1 kW = 4.1.10 3 J/s. Em uma hora a energia necessária seria: 34.1 10 3600W P t W 71.5 10W J Durante essa hora, o carro percorreria a distância de: 15 3600 54d v t d d km Assim, o consumo de gasolina em uma hora, percorrendo uma distância de 54 km com velocidade de 15 m/s seria: 7 6 1.5 10 2.8 5.3 10 J L J L Essa quantidade de gasolina faz o carro mover 54 km. Assim: 54 19 2.8 km km L L Obtenha a potência instantânea para a velocidade de 40 m/s. Faça o cálculo do consumo também. Física 1 – Capítulo 4 – Trabalho e energia – Prof. Dr. Cláudio. Sérgio Sartori. 7 Trabalho realizado pela força gravitacional Durante o deslocamento de y1 a y2: 1 2 2 1gravW U U U U U Energia Mecânica ME K U Consevação da Energia Mecânica (Somente forças gravitacionais) Teorema trabalho-energia cinética: 2 1totalW K K K Se tivermos a gravidade atuando como uma única força sobre o corpo: 2 1total gravW W U U 1 2 1 1 2 2M M E E K U K U Efeito de outra força: 2 1 1 2 2 1F g FW W K K W U U K K 2 12 2 1 1F F m m W K U K U W E E 7. Você arremessa uma bola de beisebol de 0.145 kg verticalmente de baixo para cima, fornecendo- lhe uma velocidade de módulo 20 m/s. Usando a conservação da energia, calcule a máxima altura que ela atinge, supondo que a resistência do ar seja desprezível. Solução: Adotando y1=0: 1 2 1 1 2 2M M E E K U K U 1 2K U 2 2 1 1 2 2 1 20.4 2 2 m v v m g y y y m g 8. Suponha que sua mão desloque 0.5m para cima quando você arremessa a bola deixando sua mão a 20 m/s de velocidade inicial. Despreze a resistência do ar. (a) Supondo que sua mão exerce uma força constante sobre a bola, ache o módulo desta força. (b) Ache a velocidade da bola quando ela está a uma altura de 15 m acima da altura do ponto inicial onde ela deixa a sua mão. Solução: 1 0K 1 1 0.145 9.81 0.5 0.71U m g h J 2 2 2 2 2 1 1 0.145 20 29 2 2 K m v K J 2 1 2 2 1 1F M M F W E E W K U K U 29 0 0 0.71FW 29 0 0 0.71FW 29.71FW J 8. Um jogador bate duas bolas idênticas com a mesma velocidade escalar, mas formando dois ângulos iniciais diferentes. Prove que para uma dada altura h as duas bolas possuem a mesma velocidade escalar supondo que a resistência do ar seja desprezível. Física 1 – Capítulo 4 – Trabalho e energia – Prof. Dr. Cláudio. Sérgio Sartori. 8 Solução: 9. A expressão para a altura máxima h atingida por um projétil lançado com velocidade escalar v0 e para um ângulo α0 é: 2 2 0 0 2 v sen h g Deduza essa expressão considerando a conservação da energia. Solução: Adotando y1=0: 1 2 1 1 2 2M M E E K U K U 2 2 2 21 1 2 2 1 1 0 2 2x y x y m v v m v v mgh 2 2 2 2 1 1 2 2 1 2 22 0x y x y x x yv v v v gh v v v 2 1 2yv gh 2 0 0 2v sen gh 2 2 0 0 2 v sen h g 10. Um carinha pratica skate se deslocando para baixo de uma rampa circular em um playground. Considerando que ele é juntamente com sua prancha de skate uma partícula, seu centro se move ao longo de um quarto de círculo de raio R. A massa total vale 25 kg. Ele parte do repouso e não existe atrito. (a) Calcule sua velocidade na parte inferior da rampa. (b) Calcule a força normal que atua sobre ele na parte inferior da curva. Solução: 1 2 1 1 2 2M M E E K U K U 2 2 1 0 0 2 m g R m v 2 2v g R 2 2 2 2cp cp cp v g R a a a g R R Física 1 – Capítulo 4 – Trabalho e energia – Prof. Dr. Cláudio. Sérgio Sartori. 9 1 N y cp i F N P m a 2cpN P m a N m g m g 3N m g 11. Suponha que a pista tenha atrito e que a velocidade na base da pista seja 6 m/s. Qual o trabalho realizado pela força de atrito sobre ele? Solução: 2 1 2 2 1 1F M M F W E E W K U K U 22 1 0 0 2 FW m v m g R 2 1 25 6 25 9.81 3 2 FW 285FW J 12. Uma caixa de 12 kg está em repouso sobre o solo. Deseja-se levá-la até um caminhão, usando um plano inclinado de 30° fazendo-a deslizar sobre uma rampa de 2.5m. Um trabalhador, ignorando o atrito, calculou que ele poderia fazer a caixa chegar ao topo da rampa lançando-a com uma velocidade inicial de 5 m/s na base da rampa. Porém o atrito não é desprezível e a caixa desliza 1.6m subindo a rampa, pára e desliza retornando para baixo. (a) Supondo que a força de atrito seja constante, calcule seu módulo. (b) Qual a velocidade da caixa quando ela atinge a base da rampa? Solução: 1,2 2 1 1,2 2 2 1 1F M M F W E E W K U K U 2 10 0FW U K 2112 9.81 0.80 12 5 2 FW 94 150 94 150FW f s 94 150 35 1.6 f f N 1,3 3 1 1,3 3 3 1 1F M M F W E E W K U K U 1,3 3 0 150 0 2FW K f s 1,3 3 0 150 0 2 35 1.6FW K 3 150 112K 3 3 3 2 38 K K J v m 3 3 2 38 2.5 12 m v v s 13. Movimento com energia potencial elástica. A figura mostra um cavaleiro de m = 0.2 kg em repouso sobre um trilho de ar sem atrito ligado a uma mola de k = 500 N/m. O cavaleiro é puxado fazendo a mola se alongar 0.1 m e a seguir é liberado sem velocidade inicial. O cavaleiro começa a se mover retornando para sua posição inicial em x = 0m. Qual é a sua velocidade em x = 0.8m? Solução: 2 2 1 1 1 1 1 1 0.2 0 0 2 2 K m v K K J 2 2 1 1 1 1 1 1 5 0.1 0.025 2 2 U k x U U J 2 2 2 1 2 K m v Física 1 – Capítulo 4 – Trabalho e energia – Prof. Dr. Cláudio. Sérgio Sartori. 10 2 2 2 2 2 2 1 1 5 0.08 0.016 2 2 U k x U U J 1 1 2 2K U K U 20 0.025 0.016K 2 0.009K J 2 2 2 K v m 2 2 2 0.009 0.3 0.2 m v v s 14. No sistema anterior, suponha que o sistema esteja em repouso na posição inicial x = 0 quando a mola ainda não está deformada. Aplicamos então sobre o cavaleiro uma força F constante no sentido +x com módulo igual a 0.61N. Qual é a velocidade do cavaleiro no ponto x = 0.1m? Solução: 1 0K J 1 0U J 2 2 2 1 2 K m v 2 2 2 2 2 2 1 1 5 0.1 0.025 2 2 U k x U U J 1 1 2 2K U K U 20 0.025 0.016K 2 1 2 2 1 1F M M F W E E W K U K U 0.61 0.1 0.061FW F d J 20.061 0.025 0 0K 2 0.036K J 2 2 2 2 2 0.036 0.2 K v v m 2 0.6 m v s 15. No exemplo anterior, suponha que a força F seja removida no momento que o cavaleiro atinja o ponto x = 0.1 m. Calcule a distância percorrida pelo cavaleiro até ele parar. Solução: 3 0K J 2 0.025U J 2 0.036K J 3 2 2 3 3 0.036 0.025 0U K U K U 3 0.061U J 2 3 3 21 2 0.61 2 5 m m m U U k x x x k 0.156mx m 16. Movimento com forças gravitacional, elástica e atrito. Em um projeto com um cenário para calcular o ―pior caso‖, um elevador de 2000 kg com o cabo quebrado cai a 25 m/s sobre a mola de amortecimento no fundo do poço. A mola é projetada para fazer o elevador parar quando ela sofre uma compressão de 3.0 m. Durante o movimento, uma braçadeira de segurança exerce sobre o elevador uma força de atrito constante de 17000N. Como consultor do projeto, calcule a constante elástica da mola. Solução: Ponto 1: Ponto onde o elevador toca a parte superior da mola: 2 2 1 1 1 1 1 1 2000 25 625000 2 2 K m v K K J Ponto 2: Elevador para. Física 1 – Capítulo 4 – Trabalho e energia – Prof. Dr. Cláudio. Sérgio Sartori. 11 2 2 2 2 1 2 U k x m g y 22 2 1 2000 9.8 3 2 U k x 2 2 2 1 58800 2 U k x 2 0K J 2 1 2 2 2 1 1elF M M F W E E W K U U K U 51000FW J 22 2 1 1 0 0 2 FW m g y k y K 1 2 2 2 2 FK W m g y k y 2 2 625000 51000 58800 3 k 51.41 10 N k m 17. O trabalho realizado pela força de atrito depende da trajetória. Você deseja mudar a arrumação de seus móveis e desloca um sofá de 40.0 kg por uma distância ed 2.50 m através da sala. Contudo, a trajetória retilínea é bloqueada por uma mesa que você não deseja deslocar. Em vez disso, você desloca o sofá ao longo de uma trajetória de dois trechos ortogonais, um trecho com comprimento 2 m e outro com 1.5 m de comprimento. Em comparação com o trabalho que seria realizado em trajetória retilínea, qual é o trabalho excedente que você deve realizar para deslocar o sofá ao longo da trajetória com os dois trechos ortogonais? O coeficiente de atrito cinético é 0.2. Solução: O sofá está em repouso nos pontos (1) e (2): 2 1 1 1 2 1 0 2 K m v K K A energia potencial gravitacional não varia pois o sofá se move horizontalmente. 2 2 1 1FW K U K U 0FW c cf m g Trabalho realizado pela força que você faz: 1Fatrito cW W W m g s 0.2 40 9.8 2.5W 196W J (Trajetória retilínea) 0.2 40 9.8 2.0 1.5W 274W J (Trajetória ortogonal) 18. Conservativa ou não conservativa? Em uma certa região do espaço, a força que atua sobre um elétron é: ˆF C x j C é uma constante positiva. O elétron percorre uma trajetória quadrada no plano xy em um sentido anti-horário. Calcule o trabalho realizado pela força F sobre o elétron no percurso fechado ao longo do quadrado. Esta força é ou não conservativa? Solução: 2 1 P P W F dl 1 2 3 4W W W W W Física 1 – Capítulo 4 – Trabalho e energia – Prof. Dr. Cláudio. Sérgio Sartori. 12 , ,0 0 0 0 L L L W F dl 0 y L y W C Ldy 2W C L O ponto inicial coincide com o ponto final da trajetória, porém o trabalho de F não é zero. Logo a força F não é conservativa. 19. Trabalho realizado pelo atrito. Considere o skatista do exemplo 10. Ele começa com energia cinética 0 e energia potencial 735J e na base ele possui 450 J de energia cinética e energia potencial 0. Logo: 450K J e 735U J . O trabalho de sua força é dado por: atritoW W realizado pelas forças não conservativas é -285J e a variação de energia interna é dada por int 285ernaU J . As rodas, os manais e a rampa tornam-se ligeiramente mais quentes quando ocorre a descida na rampa. A soma dessas variações da energia é igual a 0: int 450 735 285 0ernaK U U J 20. Força elétrica e energia potencial. Uma partícula com carga elétrica é mantida em repouso no ponto x = 0, enquanto uma segunda partícula com mesma carga pode-se mover livremente ao longo do eixo positivo Ox. A energia potencial do sistema é: C U x x onde C é uma constante positiva que depende do módulo das cargas. Deduza uma função para a componente x da força que atua sobre a carga que se move. Solução: 2x x dU x C F x F x dx x 21. Força e energia potencial em 2 dimensões. Um disco de hóquei desliza sobre uma mesa de ar sem atrito. As coordenadas do disco são x e y. Sobre ele atua uma força conservativa oriunda de uma energia potencial dada por: 2 2 1 , 2 U x y k x y Deduza a expressão da força que atua no disco. Solução: x U F k x x y U F k y y ˆ ˆ x yF F i F j ˆ ˆF k x i y j F k r ˆ ˆr x i y j (Vetor posição) 2 2 x yF F F 2 2F k x y F kr Diagramas de energia Física 1 – Capítulo 4 – Trabalho e energia – Prof. Dr. Cláudio. Sérgio Sartori. 13 Física 1 – Capítulo 4 – Trabalho e energia – Prof.Dr. Cláudio. Sérgio Sartori. 14 Exemplos – Tipler Capítulo 6 – Trabalho e Energia 1. Um caminhão de 3000 kg está sendo puxado para cima por um guindste que exerce uma força de 31 kN na direção do movimento de deslocamento 2m. (a) Determine o trabalho realizado pela tração no fio. (b) Determine o trabalho feito pelo peso do caminhão. (c) Encontre a velocidade após 2 m de percurso. Solução (a) Trabalho da força aplicada: cos0 31 2 1 62F apW F d W k W kJ (b) Trabalho do peso: cos180 3000 9.81 2 1P P m g W P d W 59PW kJ (c) Teorema trabalho energia: T F P CW W W E 2 2 0 0 2 2 f T F P f m v m v W W W K 362 59 10 fK 3 3 2 2 3 10 1.4 3 10 f f f f K m v v v m s 2. Em um tubo de TV RTC, um elétron é acelerado a partir do repouso até adquirir uma energia cinética final de 2.5 keV sobre uma distância de 80 cm. A força sobre o elétron é a força causada pelo campo elétrico do tubo. Calcule a força sobre o elétron, assumindo ser constante e na direção do movimento no tubo. Solução Trabalho da força aplicada: F f iW F x K K K f iF K KW F F x x 3 19 162.5 10 1.6 10 5 10 0.8 F F N 3. Um professor puxa um trenó de 80 kg com uma força de 180N fazendo um ângulo de 20° com a direção de deslocamento horizontal de 5m. Encontre, supondo ausência de atrito: (a) o trabalho que ele faz; (b) a velocidade final do trenó após ele mover 5 m. Solução (a) Trabalho da força aplicada: cos20 180 5 cos20F apW F d W 846W J (b) O trabalho total será: 2 2 0 0 8460 2 2 f T N P F m v m v W W W W 2 2 846 4.6 80 F f f f W m v v v m s 4. Uma força varia conforme o deslocamento de acordo com o gráfico abaixo: Encontre o trabalho feito pela força quando a partícula se move entre x = 0 e x = 6m. Física 1 – Capítulo 4 – Trabalho e energia – Prof. Dr. Cláudio. Sérgio Sartori. 15 Solução Trabalho da força aplicada: 1 2W F dr W A A 25W J 5. Um corpo de 4 kg está pousado numa mesa horizontal sem atrito e preso a uma mola horizontal sem atrito e preso a uma mola horizontal que exerce uma força dada pela Lei de Hooke ˆF k x i com k = 400N/m e x em metros medido a partir da posição de equilíbrio da mola. Originalmente, a mola está comprimida com o corpo em x1 = -5 cm. Calcular: (a) o trabalho feito pela mola sobre o corpo no deslocamento de x1 = -5 cm até a posição de equilíbrio x2 = 0 cm e (b) a velocidade do corpo em x2 = 0 cm. Solução: (a) 2 2 1 1 x x x x x W F dx W k xdx 2 1 2 22 2 1 2 2 2 x x x x x xx W k k k 2 22 1 10 2 2 2 x x W k k W k 2 0.05 400 0.500 2 W W J (b) Aplicando o Teorema trabalho-energia cinética: 2 2 2 2 1 2 2 2 2 v v v W m k W m 2 2 2 2 2 0.5 0.5 4 W m v v v m s 6. (a) Calcular o ângulo entre os vetores ˆ ˆ3 2A m i m j e ˆ ˆ4 3B m i j (b) Achar a componente de A na direção de B . Solução: (a) cos x x y yA B A B A B A B A B 3 4 2 3 6A B A B 2 2 2 22 3 13x yA A A A A m 22 2 24 3 5x yB B B A B m 6 cos cos cos 0.33 13 5 A B A B 70.6 (b) 6 1.2 5 B B A B A A m B B 7. O deslocamento de uma partícula é dado por: ˆ ˆ2 5s m i m j sobre uma reta. Durante o deslocamento, uma força constante ˆ ˆ3 4F N i N j atua sobre a partícula. Calcular (a) o trabalho da força e (b) a componente da força na direção do deslocamento. Solução: Física 1 – Capítulo 4 – Trabalho e energia – Prof. Dr. Cláudio. Sérgio Sartori. 16 (a) Trabalho: x y zW F s W F x F y F z 3 2 4 5 14W W J (b) cos cos W W F s F s 22 2 2 2 22 5 0s x y z s 29s m 14 cos cos 29 W F F N s cos 2.60F N 8. Um modelo novo de Cadillac, pode acelerar de 0 a 96 km/h em 6.5 s. Em que intervalo de tempo o carro acelera de 80 km/h a 112 km/h? Solução: 1. Intervalo de tempo no qual a energia cinética varia: 1 1 1 KW P t t P 2. Se t2 for o intervalo de tempo necessário para a variação da energia cinética K2: 2 2 K t P 3. Fazendo a razão: 2 2 2 2 2 2 2 2 21 1 1 1 1 1 1 2 2 1 1 2 2 f i f i m v m v t K t t K t m v m v 2 2 2 2 2 22 2 2 2 2 2 1 1 1 1 112 80 96 0 f i f i v vt t t v v t 2 2 1 2 1 6.5 0.667 0.667 4.33 t t t t s t 9. Um esquiador desce por uma rampa, com os esquis parafinados, de modo que o atrito é praticamente nulo. (a) Qual é o trabalho feito pelo esquisador ao percorrer uma distância s sobre a encosta? (b) Qual é a velocidade do esquiador ao chegar ao pé da encosta? Admita que a distância percorrida seja s, que o ângulo de inclinação seja e que a massa do esquiador seja m. A altura de descida é, então, h = s.sen. Solução: (a) O trabalho feito pela força da gravidade quando o esquiador desce a encosta é: cosW m g s W m g s h sen W m g h s (b) 21 0 2 2 W K m g h m v v g h 10. Um pequeno motor é usado para operar um elevador de carga que movimenta um lote de tijolos, de 800 N, até uma altura de 10 m, em 20 s. Qual a potência mínima do motor? Solução: P F v P F v m a v P a m v 21 2 dv d dK P m a v m v m v dt dt dt P dt K (Potência constante) 11. Um caminhão de massa m, em repouso no instante t = 0, é acelerado, com potência P constante, numa estrada horizontal. (a) Encontre a velocidade do caminhão em função do tempo. Física 1 – Capítulo 4 – Trabalho e energia – Prof. Dr. Cláudio. Sérgio Sartori. 17 (b) Mostrar que se x = 0, a função posição x(t) é dada por: 3 2 8 9 P x t m Solução: P a m v dv P P v dv dt dt m v m 2 2 P v P v dv dt t m m 1 2 2P v t m 1 1 2 2 2 2dx P P t x t dt dt m m 3 2 8 9 P x t m 12. Uma garrafa de 0.350 kg cai do repouso de uma prateleira que está a 1.75 m do solo. Determinar a energia potencial inicial do sistema garrafa-Terra em relação ao solo e a energia cinética da garrafa ao colidir com o solo. Solução: 0.350 9.81 1.75 6.01U m g y U U J O trabalho feito é igual a variação da energia cinética, que é o trabalho feito pela Terra. totalK W m g y 6.01K J 13. Achar a energia potencial total do jogador de basquete pendurado no aro da cesta. Admitir que o jogador seja descrito como uma partícula de 110 kg a 2 m do soloe que a constante de força do aro seja de 7.2 kN/m. O deslocamento do aro é de 15 cm. Solução: g eU U U 21 2 U m g y k s 2 2158 81 1 110 9.81 2 7200 0.15 2239 2 U U J 14. A força entre dois átomos numa molécula pode ser representada aproximadamente pela função energia potencial: 12 6 0 2 a a U U x x Onde U0 e a são constantes. (a) Em que valor de x a energia potencial é nula? (b) Determinar a força Fx. (c) Em que valor de x a energia potencial é mínima? Mostrar que Umin = U0. Solução: (a) 12 6 0 6 2 0 2 a a a U x x x (b) 13 6 012 x x UdU a a F F dx a x x (c) x = a (d) Umin = U0 Exemplos – Tipler Capítulo 7 – Conservação da Energia 1. Na beira de um terraço, a 12 m do solo, uma bola é chutada sob ângulo de 60° com o plano horizontal e adquire uma velocidade inicial vi = 16 m/s. Desprezando os efeitos da resistência do ar, calcular: (a) a altura que a bola atinge em relação ao terraço e (b) a velocidade no instante que colide com o solo. Solução: (a) Conservação da energia mecânica: Física 1 – Capítulo 4 – Trabalho e energia – Prof. Dr. Cláudio. Sérgio Sartori. 18 2 21 1 2 2 topo i topo iE E m v m g h m v 2 2 cos 2 i topo topo i v v h v v g 16 cos60 8topo topo m v v s 2 216 8 9.79 2 9.81 h h m (b) Se vf for a velocidade com que a bola atinge o solo, a conservação da energia dará: 2 21 1 2 2 f i f iE E m v m g y m v 2 2f iv v g y 216 2 9.81 12 22.2f fv v m s 2. Um pêndulo é constituído por um corpo de massa m pendurado por um cordel de comprimento L. O corpo é desviado da vertical de modo que o cordel faz um ângulo 0 com a verticale depois é solto, sem velocidade inicial. Determinar as expressões (a) da velocidade v no ponto mais baixo de oscilação e (b) da tensão no cordel, neste mesmo ponto. Solução: (a) Conservação da energia mecânica: f i i i f fE E K U K U 21 0 2 m v m g h 2v g h 0 0cos 1 cosh L L h L 02 1 cosv g L (b) As forças que atuam no pêndulo são o peso e a tensão. No ponto mais baixo, a resultante será a força centrípeta: 2 R v F T P m T m g L 2 02 1 cosg L m T m g L 02 1 cosg L m T m g L 03 2 cosT mg 3. Um corpo de 2 kg está comprimindo de 20 cm uma mola cuja constante elástica é 500 N/m. O corpo é libertado e a mola o projeta sobre uma superfície horizontal sem atrito e sobre um plano inclinado de 45°, também sem atrito, como está no esquema. Até que altura do plano inclinado o corpo sobe e fica momentaneamente em repouso, antes de retornar plano abaixo ? Solução: 21 2 iE k x fE m g h 21 2 f iE E m g h k x 21 0.51 2 k x h h m m g 0.721s h sen s m 4. A constante de força de mola elástica pendurada na vertical é k. Um corpo de massa m é preso à ponta da mola, na posição de equilíbrio, e cai verticalmente. Determinar a expressão da distância Física 1 – Capítulo 4 – Trabalho e energia – Prof. Dr. Cláudio. Sérgio Sartori. 19 máxima da queda do corpo antes de o movimento ter o sentido ascendente. Solução: 2 2 2 2 g e m v k y E K U U E m g y Aplicando a conservação da energia: 2 2 0 2 2 i m v k y E E E m g y 2 20 0 2 2 m k y m g y 2mg y d k 5. Dois corpos de massas m1 e m2 estão pendurados por um fio muito leve a uma roldana com massa e atrito desprezíveis. Os dois corpos estão inicialmente em repouso. Calcular a velocidade do mais pesado quando tiver caido a uma distância vertical h. Solução: 2 2 1 2 1 1 2 2 K m v m v Energia potencial quando m1 tiver subido altura h e m2 descido a mesma altura: 1 2U m gh m gh Com a conservação da energia: 0 0iE E K U 2 2 1 2 1 2 1 1 0 2 2 m v m v m gh m gh 2 1 2 1 2 m m v g h m m 6. Uma bola plástica, com a massa m, cai do repouso de uma altura h até o solo. Discutir a conservação da energia (a) do sistema constituído pela bola e (b) do sistema constituído pela Terra e pela bola. Solução: (a) O teorema da conservação trabalho-energia é: ext sist mec TerW E E E extW mgh As duas forças externas são a da gravidade e aforça do solo sobre a bola . O solo não se movimenta e não efetua trabalho. Como a bola é o nosso sistema, a sua energia mecânica é cinética apenas e né nula no início e no final: 0mecE extW mgh (b) Agora não há forças externas atuando no sistema ( a força da gravidade e a força do solo sobre a bola são forças internas). Assim, não há trabalho externo: 0extW 0ext ter mecW E E 0i fE mgh E 0mec f iE E E mgh mgh ter mec terE E E mgh 7. Uma força horizontal de 25 N é aplicada a um bloco de 4 kg que está inicialmente em repouso sobre uma mesa horizontal. O coeficiente de atrito cinético µk entre o bloco e e o tampo da mesa é 0.35. Calcular (a) o trabalho externo feito dobre o sistema bloco-mesa, (b) a energia dissipada pelo atrito, (c) a energia cinética do bloco depois de ser empurrado 3 m sobre a mesa, (d) a velocidade do bloco depois de ser empurrado 3 m sobre a mesa. Física 1 – Capítulo 4 – Trabalho e energia – Prof. Dr. Cláudio. Sérgio Sartori. 20 Solução: Trabalho da força externa: 25 3 75ext ext ext extW F x W W J Energia dissipada pelo atrito: th th kE f x E m g x 0.35 4 9.81 3 41.2th thE E J Aplicano o teorema trabalho-energia: res c ext f f iW E W W K K cos180 0ext fW f x K 75 41.2 33.8f fK K J 2 21 4.11 2 f f f f f K K m v v v m s m 8. A velocidade inicial de deslocamento de um tobogã de 5 kg é 4 m/s. O coeficiente de atrito entre o tobogã e o solo é 0.14. Que distância o tobogã percorre até parar? Solução: res c ext f f iW E W W K K 2 0 cos180 0 1 2 ext f f f x W W K m v 2 21 1 2 2 kf x m v m g x m v 2 21 5.82 2 2 k v x m v x x m g 9. Uma criança de 40 kg desce por um escorregador inclinado de 30°. O coeficiente de atrito cinético é µk = 0.2. Se a criança principia a escorregar do repouso, no topo do escorregador, a 4 m de altura, qual a sua velocidade ao atingir o solo? Solução: res c ext f f iW E W W K K cos180f f kW f s W N s cos30 30 f k h W m g sen 4 0.2 40 9.81 cos30 30 fW sen 543.73fW J 40 9.81 4 156.96ext P extW m g h W W J 21 0 2 ext fW W m v 21cos30 30 2 k h m g h m g m v sen 2 1 1 cotg30 2 kg h v 2 1 cotg30kv g h 1.73 2 9.81 4 1 0.2 cotg30v 7.16 m v s 10. Um corpo de 4 kg está pendurado por um cordel bastante leve que passa por uma polia de massa e atrito desprezíveis. A outra ponta do cordel está preza a um bloco de massa 6 kg pousado sobre uma superfície áspera horizontal. O coeficiente de atrito cinético é µk = 0.2. O bloco de 6 kg comprime uma mola elástica à qual não está preso. A constante de força da mola é 180 N/m e sua compressão é de 30 cm. Calcular a velocidade depois de a mola se distender e de o corpo de 4 kg cair a altura de 40 cm. Solução: res M ext f iW E W E E f f fE K U 21 2 2 1 2 fE m m v m g s 1cos180ext ext kW f s W m g s Física 1 – Capítulo 4 – Trabalho e energia – Prof. Dr. Cláudio. Sérgio Sartori. 21 21 2 i i iE U E k x ext f iW E E 2 21 1 2 2 1 1 2 2 k m g s m m v m g s k x 2 2 1 1 2 2 2 kk x m g s m g sv m m 1.95 m v s 11. Uma pessoa de massa m sobe, com velocidade constante, um lance de escada que tem a altura h. Discutir a aplicação da conservação da energia ao sistema constituído exclusivamente pela pessoa. Solução: O teorema da conservação trabalho-energia nos dá: (Considerando as energias térmicas e químicas) ext Sistema mec ter quiW E E E E O único trabalho efetuado pela pessoa é o da gravidade. O trabalho é negativo, pois a força tem sentido oposto ao deslocamento: extW mgh Como a pessoa é o sistema, a sua energia mecânica é a cinética, que é nula no início e no final da subida: 0mecE Assim: ter quimgh E E 12. Um carro de 1200 kg trafega à velocidade constante de 100 km/h = 28 m/s subindo uma rampa de 10 %. (Uma rampa de 10 % de inclinação é aquela que se eleva de 1 m para cada 10 m de distância percorrida na horizontal. Ou seja, o ângulo de inclinação da rampa é dado por tg = 0.1). Qual a potência mínima proporcionada pelo motor do carro? (Desprezar o atrito de rolamento e a resistência do ar.) Solução: A potência despendida pelo motor é igual a taxa de diminuição da energia química: quidE P dt A variação da energia química pode ser calculada pelo teorema da conservação trabalho- energia: 0ext mec ter quiW E E E qui mec terE E E qui mec ter dE dE dE P dt dt dt Como a velocidade é: ds v dt é constante, a taxa de variação da energia mecânica é a taxa da variação da energia potencial: mec d mghdE dU dhmg dt dt dt dt 0.1h s sen s tg 0.1 0.1mec dE dh ds mg mg mgv dt dt dt 0.1 ter dE P mgv dt 27.5 ter dE P kW dt min 27.5 0 terdEP kW dt Física 1 – Capítulo 4 – Trabalho e energia – Prof. Dr. Cláudio. Sérgio Sartori. 22
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