DINÂMICA CIRCULAR 2ª SÉRIE

Transcrição

1 1. (Epcar (Afa) 015) Uma determinada caixa é transportada em um caminhão que percorre, com velocidade escalar constante, uma estrada plana e horizontal. Em um determinado instante, o caminhão entra em uma curva circular de raio igual a 51, m, mantendo a mesma velocidade escalar. Sabendo-se que os coeficientes de atrito cinético e estático entre a caixa e o assoalho horizontal são, respectivamente, 0,4 e 0,5 e considerando que as dimensões do caminhão, em relação ao raio da curva, são desprezíveis e que a caixa esteja apoiada apenas no assoalho da carroceria, pode-se afirmar que a máxima velocidade, em m / s, que o caminhão poderá desenvolver, sem que a caixa escorregue é a) 14,3 b) 16,0 c) 18,0 d) 1,5. (G1 - cps 015) A apresentação de motociclistas dentro do globo da morte é sempre um momento empolgante de uma sessão de circo, pois ao atingir o ponto mais alto do globo, eles ficam de ponta cabeça. Para que, nesse momento, o motociclista não caia, é necessário que ele esteja a uma velocidade mínima (v) que se relaciona com o raio do globo (R) e a aceleração da gravidade (g) pela expressão: v R g, com R dado em metros. Página 1 de

2 Considere que no ponto mais alto de um globo da morte, um motociclista não caiu, pois estava com a velocidade mínima de 7km h. Assim sendo, o raio do globo é, aproximadamente, em metros, Adote g 10m / s a) 5,6. b) 6,3. c) 7,5. d) 8,. e) 9,8. 3. (Upf 015) Atualmente, um grande número de satélites artificiais gira ao redor da Terra. Alguns são usados para pesquisa científica ou observações dos astros, outros são meteorológicos ou são utilizados nas comunicações, dentre outras finalidades. Esses satélites quegiram ao redor da Terra apresentam velocidades orbitais que dependem da(s)seguinte(s)grandeza(s): a) Massa do Sol e raio da órbita. b) Massa do satélite e massa da Terra. c) Massa da Terra e raio da órbita. d) Massa do satélite e raio da órbita. e) Apenas o raio da órbita. 4. (Fuvest 014) Uma estação espacial foi projetada com formato cilíndrico, de raio R igual a 100 m, como ilustra a figura abaixo. Página de

3 Para simular o efeito gravitacional e permitir que as pessoas caminhem na parte interna da casca cilíndrica, a estação gira em torno de seu eixo, com velocidade angular constante ω. As pessoas terão sensação de peso, como se estivessem na Terra, se a velocidade ω for de, aproximadamente, Note e adote: A aceleração gravitacional na superfície da Terra é g = 10 m/s. a) 0,1 rad/s b) 0,3 rad/s c) 1 rad/s d) 3 rad/s e) 10 rad/s 5. (Fuvest 013) O pêndulo de um relógio é constituído por uma haste rígida com um disco de metal preso em uma de suas extremidades. O disco oscila entre as posições A e C, enquanto a outra extremidade da haste permanece imóvel no ponto P. A figura abaixo ilustra o sistema. A força resultante que atua no disco quando ele passa por B, com a haste na direção vertical, é (Note e adote: g é a aceleração local da gravidade.) a) nula. b) vertical, com sentido para cima. c) vertical, com sentido para baixo. d) horizontal, com sentido para a direita. e) horizontal, com sentido para a esquerda. Página 3 de

4 6. (Unesp 013) A figura representa, de forma simplificada, o autódromo de Tarumã, localizado na cidade de Viamão, na Grande Porto Alegre. Em um evento comemorativo, três veículos de diferentes categorias do automobilismo, um kart (K), um fórmula 1 (F) e um stock-car (S), passam por diferentes curvas do circuito, com velocidades escalares iguais e constantes. As tabelas 1 e indicam, respectivamente e de forma comparativa, as massas de cada veículo e os raios de curvatura das curvas representadas na figura, nas posições onde se encontram os veículos. TABELA 1 TABELA Veículo Massa Curva Raio kart M Tala Larga R fórmula 1 3M do Laço R stock-car 6M Um 3R Sendo F K, F F e F S os módulos das forças resultantes centrípetas que atuam em cada um dos veículos nas posições em que eles se encontram na figura, é correto afirmar que a) F S < F K < F F. b) F K < F S < F F. c) F K < F F < F S. d) F F < F S < F K. e) F S < F F < F K. Página 4 de

5 7. (Ibmecrj 013) Um avião de acrobacias descreve a seguinte trajetória descrita na figura abaixo: Ao passar pelo ponto mais baixo da trajetória a força exercida pelo banco da aeronave sobre o piloto que a comanda é: a) igual ao peso do piloto. b) maior que o peso do piloto. c) menor que o peso do piloto. d) nula. e) duas vezes maior do que o peso do piloto. 8. (Fgv 013) Em um dia muito chuvoso, um automóvel, de massa m, trafega por um trecho horizontal e circular de raio R. Prevendo situações como essa, em que o atrito dos pneus com a pista praticamente desaparece, a pista é construída com uma sobreelevação externa de um ângulo α, como mostra a figura. A aceleração da gravidade no local é g. A máxima velocidade que o automóvel, tido como ponto material, poderá desenvolver nesse trecho, considerando ausência total de atrito, sem derrapar, é dada por a) m g R tgα. b) m g R cosα. c) g R tgα. Página 5 de

6 d) g R cosα. e) g R senα. 9. (Uff 01) Uma criança se balança em um balanço, como representado esquematicamente na figura a seguir. Assinale a alternativa que melhor representa a aceleração a da criança no instante em que ela passa pelo ponto mais baixo de sua trajetória. a) b) c) d) e) 10. (Udesc 011) Considere o looping mostrado na Figura, constituído por um trilho inclinado seguido de um círculo. Quando uma pequena esfera é abandonada no trecho inclinado do trilho, a partir de determinada altura, percorrerá toda a trajetória curva do trilho, sempre em contato com ele. Sendo v a velocidade instantânea e a a aceleração centrípeta da esfera, o esquema que melhor representa estes dois vetores no ponto mais alto da trajetória no interior do círculo é: Página 6 de

7 a) b) c) d) 11. (Ufla 010) Um corpo desliza sem atrito ao longo de uma trajetória circular no plano vertical (looping), passando pelos pontos, 1,,3 e 4, conforme figura a seguir. Considerando que o corpo não perde contato com a superfície, em momento algum, é correto afirmar que os diagramas que melhor representam as direções e sentidos das forças que agem sobre o corpo nos pontos 1,,3 e 4 são apresentados na alternativa: a) b) c) d) 1. (Pucsp 010) Um automóvel de massa 800 kg, dirigido por um motorista de massa igual a 60 kg, passa pela parte mais baixa de uma depressão de raio = 0 m com Página 7 de

8 velocidade escalar de 7 km/h. Nesse momento, a intensidade da força de reação que a pista aplica no veículo é: (Adote g = 10m/s ). a) 3151 N b) N c) 1800 N d) 5800 N e) 4000 N 13. (Upe 010) Um coelho está cochilando em um carrossel parado, a uma distância de 5 m do centro. O carrossel é ligado repentinamente e logo atinge a velocidade normal de funcionamento na qual completa uma volta a cada 6s. Nessas condições, o coeficiente de atrito estático mínimo entre o coelho e o carrossel, para que o coelho permaneça no mesmo lugar sem escorregar, vale: Considere π = 3 e g = 10 m/s. a) 0, b) 0,5 c) 0,4 d) 0,6 e) 0,7 14. (Unesp 010) Curvas com ligeiras inclinações em circuitos automobilísticos são indicadas para aumentar a segurança do carro a altas velocidades, como, por exemplo, no Talladega Superspeedway, um circuito utilizado para corridas promovidas pela NASCAR (National Association for Stock Car Auto Racing). Considere um carro como sendo um ponto material percorrendo uma pista circular, de centro C, inclinada de um ângulo α e com raio R, constantes, como mostra a figura, que apresenta a frente do carro em um dos trechos da pista. Página 8 de

9 Se a velocidade do carro tem módulo constante, é correto afirmar que o carro a) não possui aceleração vetorial. b) possui aceleração com módulo variável, direção radial e no sentido para o ponto C. c) possui aceleração com módulo variável e tangente à trajetória circular. d) possui aceleração com módulo constante, direção radial e no sentido para o ponto C. e) possui aceleração com módulo constante e tangente à trajetória circular. 15. (Udesc 009) Um carro de massa m = 1000 kg com velocidade escalar constante de 7 km/h trafega por uma pista horizontal quando passa por uma grande ondulação, conforme figura a seguir e mantém a mesma velocidade escalar. Considerando que essa ondulação tenha o formato de uma circunferência de raio R = 50 m. Calcule, no ponto mais alto da pista: a) A força centrípeta no carro. b) A força normal. (Dado: g = 10 m/s ) 16. (Ufg 008) A montanha-russa de um parque de diversão, esquematizada na figura a Página 9 de

10 seguir, foi projetada com segurança para que a força resultante sobre um carrinho de massa m, ao passar pelo ponto C num trilho circular de raio R, fosse de mg 17, após ter sido abandonado no ponto A. Dessa forma, determine: a) a altura h em função do raio R do trilho; b) a força exercida pelo trilho sobre o carrinho no ponto D, em função de m e g. 17. (Unifesp 007) A trajetória de uma partícula, representada na figura, é um arco de circunferência de raio r =,0 m, percorrido com velocidade de módulo constante, v = 3,0 m/s. O módulo da aceleração vetorial dessa partícula nesse trecho, em m/s, é a) zero. b) 1,5. c) 3,0. d) 4,5. e) impossível de ser calculado. Página 10 de

11 18. (Unicamp 006) Um pêndulo cônico é formado por um fio de massa desprezível e comprimento L = 1,5 m, que suporta uma massa m = 0,5 kg na sua extremidade inferior. A extremidade superior do fio é presa ao teto, conforme ilustra a figura a seguir. Quando o pêndulo oscila, a massa m executa um movimento circular uniforme num plano horizontal, e o ângulo que o fio forma com a vertical é q = 60. a) Qual é a tensão no fio? b) Qual é a velocidade angular da massa? Se for necessário, use: sen 60 = 0,87, cos 60 = 0,5. TEXTO PARA A PRÓXIMA QUESTÃO: SE NECESSÁRIO, ADOTE g = 10 m/s. 19. (G1 - cftce 006) Um circuito de Fórmula Mundial circular, com 30 m de raio, tem como velocidade de segurança 40 m/s. Calcule a tangente do ângulo de inclinação da pista. Observação: velocidade de segurança é a velocidade com a qual o carro pode trafegar sem que nenhuma força de atrito lateral seja exercida em suas rodas. Página 11 de

12 0. (Pucsp 003) Um avião descreve, em seu movimento, uma trajetória circular, no plano vertical (loop), de raio R = 40 m, apresentando no ponto mais baixo de sua trajetória uma velocidade de 144km/h. Sabendo-se que o piloto do avião tem massa de 70 kg, a força de reação normal, aplicada pelo banco sobre o piloto, no ponto mais baixo, tem intensidade a) N b) N c) N d) 800 N e) 700 N Página 1 de

13 Gabarito: Resposta da questão 1: [B] No movimento circular uniforme, a resultante das forças radiais é a força centrípeta: F r m v Fc R A única força radial é a força de atrito que, dependendo da velocidade, impede que a caixa seja deslocada dentro do caminhão, sendo a resultante centrípeta. horizontal Fr Fat μ N Fat μ m g Igualando as duas equações: m v R μ m g Isolando v: v μ R g Substituindo os valores, temos a velocidade máxima para a caixa não escorregar na carroceria: v 0,5 51, m / s Resposta da questão : [A] Sabendo que 15 7km h m s, vem Página 13 de

14 15 R 10 R 5,6 m. Resposta da questão 3: [C] O movimento de satélites pode ser considerado um movimento circular uniforme e a velocidade orbital desses objetos pode ser obtida igualando as forças existentes. No caso, a força centrípeta e a força gravitacional. F c F m v R g M m G R Explicitando a velocidade e fazendo as simplificações: v M G R Então a velocidade depende da massa da Terra e do raio da órbita. Resposta da questão 4: [B] A normal, que age como resultante centrípeta, no pé de uma pessoa tem a mesma intensidade de seu peso na Terra. g 10 1 N Rcent P m ω R m g ω r ω 0,3 rad/s. Resposta da questão 5: [B] Página 14 de

15 No ponto considerado (B), a componente tangencial da resultante é nula, restando apenas a componente centrípeta, radial e apontando para o centro da curva (P). Portanto, a força resultante tem direção vertical, com sentido para cima. Resposta da questão 6: [B] Como as velocidades escalares são iguais e constantes, de acordo com a figura e as tabelas dadas, comparando as resultantes centrípetas temos: M v 1 M v F K FK R R M v 3 M v M v F cp F F 3 FK FS F. R R R 6 M v M v F S FS 3 R R Resposta da questão 7: [B] Observe a figura abaixo onde estão mostradas as forças que agem no piloto. Página 15 de

16 Como o movimento é circular deve haver uma força centrípeta apontando para cima. Portanto, a força da aeronave sobre o piloto deve ser maior que o peso. Resposta da questão 8: [C] A figura 1 mostra as forças (peso e normal) agindo nesse corpo. A resultante dessas forças é a centrípeta (figura ). Na figura, o triângulo é retângulo: mv R C R v tg tg v R g tg P m g R g v R g tg. Resposta da questão 9: Página 16 de

17 [C] Desenhando as forças que atuam na criança, temos a força peso e a força de tração no fio: Verificamos que não há força tangente a trajetória, há apenas forças radiais, ou seja, não há aceleração tangencial, mas apenas aceleração centrípeta (radial). Como a criança está no ponto mais baixo de sua trajetória circular, a aceleração centrípeta deve ser vertical para cima, ou seja, radial à trajetória para o centro da mesma. A existência da aceleração centrípeta só é possível pelo fato da força de tração no fio ser maior que a força peso (T>P), ou seja, por existir uma força resultante (F) vertical para cima: F T P Resposta da questão 10: [A] Página 17 de

18 A figura mostra a velocidade tangencial da esfera e as forças atuantes. A resultante será para baixo e a aceleração também. Resposta da questão 11: [A] v Se não há atrito, as únicas forças que agem sobre o corpo são seu próprio peso ( P ), v vertical para baixo, e a normal ( N ), perpendicular à trajetória em cada ponto. A figura abaixo ilustra essas forças em cada um dos pontos citados. Resposta da questão 1: [D] Página 18 de

19 Dados: r = 0 m; v = 7 km/h = 0 m/s; m = ( ) = 860 kg e g = 10 m/s. Sendo F N a força de reação da pista e P o peso do conjunto, analisando a figura, temos que a resultante centrípeta é: R C = F N P F N = R C + P F N = m v 860 (0) m g FN 860 (10) r 0 F N = N. Resposta da questão 13: [B] A figura mostra as forças agindo no coelho. A força de atrito é a componente centrípeta das forças que agem no coelho e a normal equilibra o peso. N m R R mg m R N mg g eq 01 1rot rad 1,0rd / s 6s 6s 1 5 Voltando à equação 01: 0,5 10 Página 19 de

20 Resposta da questão 14: [D] Conforme o diagrama anexo, as forças que agem no carro são o peso P e a normal N. Como o movimento é circular e uniforme, a resultante dessas forças é centrípeta (radial), R C tg = Rc P m ac ac g tg. Como e g são constantes, a aceleração centrípeta m g (radial, dirigida para o centro) tem módulo constante. Resposta da questão 15: a) m v F 8000N. R 50 b) F P N N P F N. Resposta da questão 16: A figura abaixo mostra as forças que agem no carrinho em C e D. A resultante das forças em C pode ser calculada pela expressão. Página 0 de

21 (F R) N P 17m g N m g N 4mg No ponto C, a força centrípeta é a componente normal da força de contato entre o trilho e o carrinho. mv R FCent 4mg V 4Rg Por outro lado, há conservação de energia entre A e C. 1 mgh mgr mv Substituindo V e simplificando m, vem: 1 gh gr 4Rg h R R 3R Aplicando conservação de energia entre A e D, vem: 1 V mgh mg.r mv g(3r) gr V gr No ponto D, a força centrípeta é a soma da componente normal da força de contato entre o trilho e o carrinho com o peso. mv m(gr) N P N mg N mg R R Resposta da questão 17: [D] Resposta da questão 18: a) T = 10N Página 1 de

22 b) ω = 4,0 rad/s Resposta da questão 19: Na horizontal N.senθ = m.v /R Na vertical N.cosθ = mg Dividindo a primeira expressão pela segunda: v tgθ = Rg = = 0,5 Resposta da questão 0: [C] Página de