Problemas de Mecânica e Ondas MEAer 2015 Série 10

Transcrição

1 Problemas de Mecânica e Ondas MEAer 015 Série 10 P Um comboio rápido de passageiros, viaja inicialmente a uma velocidade de 40 km/h, quando é forçado a realizar uma travagem até uma velocidade de 60 km/h para evitar colidir com um comboio de mercadorias que se desloca na mesma linha. Se a travagem demorar 0 segundos, qual a força de inércia sentida por um passageiro de massa igual a 80 kg (especifique o sentido da força de inércia? P 10.. Um passageiro de um comboio que se desloca a uma velocidade uniforme deixa cair uma moeda da janela quando o comboio atravessa uma ponte sobre um rio. Escreva as equações da posição da moeda em função do tempo, x t, z(t e a respectiva trajectória z(x quando observada: a Pelo passageiro do comboio. b Por um pescador que se encontra em repouso na margem do rio. (considere x/x a direcção horizontal, correspondente ao tabuleiro da ponte (e ao comboio e z a direcção vertical. P Verifique, utilizando a transformação de Galileu, que a distância entre dois pontos quaisquer do espaço não depende do referencial de inércia em que a posição destes pontos é descrita. P ( Introdução à Física, J. Dias de Deus et al. Um passageiro num elevador deixa cair uma moeda. a Se no instante em que esta adquire uma velocidade de 1 m/s em relação ao passageiro se partirem os cabos do elevador, qual o movimento posterior da moeda em relação e este? E que tipo de movimento tem a moeda em relação a uma pessoa que está à espera do elevador no 1.º andar? b Se este passageiro tivesse suspenso na mão um pêndulo a oscilar, no instante em que os cabos se partem, qual passaria a ser a frequência das oscilações? Com que tipo de movimento fica o pêndulo?

2 P ( Introdução à Física, J. Dias de Deus et al. Um dinamómetro suporta, sem se partir, no máximo, uma massa de 0 g. Fixa-se o dinamómetro ao tecto de um elevador... a Se se quiser suspender uma massa superior a 0 g no dinamómetro sem que este se parta, deve fazer-se subir ou descer o elevador? b Qual a maior massa que o dinamómetro pode suportar, numa subida com uma aceleração dez vezes mais pequena que a aceleração da gravidade? c Como varia a frequência das oscilações da massa suspensa no dinamómetro quando o elevador é acelerado para subir e quando é acelerado para descer? P ( Introdução à Física, J. Dias de Deus et al. Numa base espacial encontra-se estacionada uma nave espacial com 0 m de comprimento. A nave parte para uma viagem e quando atinge a velocidade de cruzeiro é medida a partir da base obtendo-se um valor de 10 m de comprimento. a Com que velocidade se desloca a nave em relação à base espacial? b Qual o comprimento da nave para os tripulantes que nela se encontram? P ( Introdução à Física, J. Dias de Deus et al. Qual a contracção do diâmetro da Terra para um astronauta que se encontre em repouso relativamente ao Sol? (considere a Terra como um referencial de inércia num pequeno intervalo de tempo. Dados: Distância média Terra-Sol: 1, m; Raio da Terra: 6, m. P A vida média de um muão (partícula µ é aproximadamente igual a, 10-6 s. a Calcule o tempo médio de vida desta partícula no referencial do laboratório se esta deslocar à velocidade de 0,99c. b Qual o espaço percorrido em média pela partícula a esta velocidade no referencial do laboratório até decair? c Do ponto de vista da partícula qual a distância percorrida pelo laboratório? d Verifique que o resultado da alínea c corresponde ao espaço percorrido na vida média da partícula no seu referencial próprio.

3 P ( Introdução à Física, J. Dias de Deus et al. As partículas de alta energia são observadas no laboratório pela respectiva trajectória registada pelos detectores. Uma partícula movendo-se à velocidade de 0,995c produz um rasto de 1,5 mm. Qual o tempo de vida da partícula no seu referencial próprio? P ( Introdução à Física, J. Dias de Deus et al. Um neutrão livre tem um período de semivida de 11,0 minutos (só no núcleo, com outros neutrões e protões é que o neutrão é mais estável no seu referencial próprio, desintegrando-se num protão, num electrão e num neutrino (desintegração β. Considere um feixe de neutrões produzido numa das muitas reacções de fusão nuclear que ocorrem no Sol. a Quanto tempo deve decorrer no referencial próprio dos neutrões para que o seu número se reduza a 1% do número inicial? (lembre-se da lei do declínio radioactivo: N = N e " e comece por relacionar o período de semivida com a constante λ b Suponha que os neutrões se deslocam a uma velocidade média de 10 6 m/s (na realidade a velocidade é menor e considere que a distância Terra-Sol é de 1, m. Quanto tempo demoraria um neutrão a chegar à Terra para um observador da Terra? c A partir dos resultados de a e de b, diga se há perigo de os neutrões solares atingirem a Terra. (lembre-se que só pode comparar grandezas medidas no mesmo referencial P Mostre que a expressão correspondente à dilatação do tempo t = t 1 V c pode ser obtida a partir da transformação de Lorentz, tomando como referência dois acontecimentos A 1 e A num referencial S (que se desloca com velocidade V relativamente ao referencial S do laboratório correspondentes respectivamente à marcação de dois tempos t 1 =0 e t =t ( 0 de um mesmo relógio colocado na origem do referencial S (x 1 =0 e x =0.

4 P Mostre que a expressão correspondente à contracção do espaço ll = ll 1 V c pode ser obtida a partir da transformação de Lorentz, tomando como referência dois acontecimentos A 1 e A num referencial S (que se desloca com velocidade V relativamente ao referencial S do laboratório correspondentes respectivamente à marcação de duas posições x e x = ( 0 de uma mesma régua na origem do tempo no referencial S (t = 0 e t = 0. (Nota: lembre-se que a posição x do referencial S, obtida a partir de x e t, corresponde à posição da régua no instante t em S (t 0 e portanto precisa de subtrair v t t a x x para obter o valor da régua no referencial S. P Mostre que o intervalo entre dois acontecimentos A e B, s = τ x + y + z com τ = ct ct, x = x x, y = y y, z = z z, se mantém invariante numa transformação de Lorentz. P Em relatividade restrita o lagrangeano de uma partícula que se desloque com uma velocidade v é dado pela expressão: L = mc 1. a Mostre que no limite clássico, isto é, para velocidades muito menores que c este Lagrangeano, é compatível com a expressão clássica para uma partícula livre (nota: utilize a aproximação 1 x 1 x, para x 1.

5 b Atendendo às expressões, obtidas anteriormente, para a energia e para o momento linear de uma partícula a partir das simetrias por invariância no tempo e translação no espaço: E = L v L ; p = L ; i = x, y, z, deduza as conhecidas expressões para o momento linear e para a energia de uma partícula em relatividade restrita: E = ; p = c Mostre que a expressão da energia obtida na alínea anterior apresenta, para baixos valores de v/c, um termo correspondente à energia cinética clássica para além do termo E = mc associado à massa da partícula. (nota: utilize a aproximação 1 + x, para x 1. d Definindo o quadri-vector energia-momento com componentes E/c (associada à componente temporal, e (p, p, p (associadas à componente espacial que se transforma numa mudança de referencial de segundo a transformação de Lorentz, mostre que a quantidade E = mc = E p c é invariante para qualquer mudança de variáveis entre dois referenciais de inércia. P Um núcleo de átomo de hélio é constituído por dois protões e dois neutrões, sendo as massas do protão e do neutrão m m = 1,67 10 " kg e a massa do núcleo de átomo de hélio m " = 6,64 10 " kg. Calcule a energia libertada numa reacção nuclear de fusão (no Sol por exemplo quando dois protões se ligam a dois neutrões originando um núcleo de hélio.

6 Soluções: P N (no mesmo sentido do andamento do comboio (equivalente aprox. a um peso de 0 kgf. P Referencial do comboio S, referencial da Terra S. a No referencial do comboio, considerando que o passageiro se encontra na origem do referencial S : 𝑧 = 𝑧 𝑔𝑡 = 𝑧 𝑔𝑡 ; 𝑥 = 𝑥 = 0 A trajectória é uma linha recta paralela ao eixo z. b No referencial da Terra (pescador: 1 𝑧 = 𝑧 𝑔𝑡 ; 𝑥 = 𝑥 + 𝑉𝑡 = 𝑥 + 𝑉𝑡 = 𝑉𝑡 Logo: 𝑡 = ; 𝑧 = 𝑧 𝑔 𝑧 𝑧 = 𝑥 (arco de parábola P a Movimento uniforme com 𝑣 = 1 𝑚/𝑠 em relação ao passageiro; movimento uniformemente acelerado em relação à pessoa no 1º andar. b Não oscila (ω = 0. Movimento circular uniforme. P a Descer. b 00 g. c Não varia. P a 0,866c b 0 m P ,3 cm P a 𝑡 = =, ", = 15,6 10 s b 𝑥 = 𝑉𝑡 = 0,99𝑐 15,6 10 = 463 m c ℓ𝓁 = ℓ𝓁 1 0,99 d 𝑡 = ℓ𝓁, = "#,, = ,99 =, 10 s P ,4 ps (1 ps (picosegundo = 10 s P a 73 m 05 s b 41 h 3 m 0 s c Não. = 653,4 m

7 P d (Indica-se apenas a resolução para esta alínea Considere-se o quadri-vector energia-momento p, p, p, E/c, que se transforma de acordo com a transformação de Lorentz: " # p x p y p z E c % " = # γ 0 0 γβ γβ 0 0 γ %" # p x p y p z E c % Vamos começar por verificar que p = mc. Usando as expressões para a energia e momento linear na relatividade restrita, p i = γmv i E = γmc γ = E 1 1 β β = v c c = γ m c p = p i = γ m v i = γ m v E c p = γ m c v ( = γ m c 1 v i % c i ( * = m c Calculemos agora o valor de p, isto é, a mesma expressão mas num referencial diferente. Usando a matriz acima temos: E procedendo como anteriormente, p x = γp x γβ E c p y = p y p z = p z E c = γβ p x + γ E c E c = % γβp + γ E ( x c * p = % γp γβ E ( x x c * p = p x + p y + p z = γ β p x + γ E c E γ βp x c = % γ β p x + E c βp x = γ p x + γ β E c E γ βp x c = % γ p x + β E c βp E x c E c ( * ( * Calculando agora o valor da expressão:

8 E c p % = γ β p x + E c p x β E c ( E = γ 1 β % c p ( x * p y p z = E c p x p y p z = E c p = m c ( * p y p z onde se utilizou a igualdade γ 1 β = 1. Verifica-se assim que aquela quantidade é de facto invariante para mudanças de referenciais. P A energia associada a dois protões e dois neutrões em repouso é aproximadamente : E = 4m c = 6,01 10 " J A energia associada ao átomo de hélio em repouso é: E = m " c = 5, " J A energia libertada na reacção de fusão é: E = E E = 3,6 10 " J