Leis de Newton: Dinâmica 2- Atrito e Força em Trajetória Curva.

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1 QUESTÕES DO CAPÍTULO 6 DO LIVRO FUNDAMENTOS DE FÍSICA HALLIDAY & RESNICK - JEARL WALKER 9ª EDIÇÃO VOLUME 1 MECÂNICA Leis de Newton: Dinâmica 2- Atrito e Força em Trajetória Curva. Leis de Newton Força Resultante 1ª Lei de Newton Um corpo em movimento tende a permanecer em movimento e um corpo em repouso tende a permanecer em repouso. 2ª Lei de Newton 2ª Lei de Newton vetorial Força resultante externa 3ª Lei de Newton Força Peso Peso de um corpo Força de Atrito Força de atrito estático 1

2 Força de atrito dinâmico Força Elástica Lei de Hooke Força Centrípeta Força resultante centrípeta Exemplos resolvidos: 1.Sobre uma superfície sem atrito, há um bloco de massa m 1 = 4,0 kg sobre o qual está apoiado um bloco menor de massa m 2 = 1,0 kg. Uma corda puxa o bloco menor com uma força horizontal F de módulo 10 N, como mostrado na figura abaixo, e observa-se que nesta situação os dois blocos movemse juntos. A força de atrito existente entre as superfícies dos blocos vale em Newtons: a) 10 b) 2,0 c) 40 d) 13 e) 8,0 Resolução: A força F acelera o conjunto. F ma 10 5a a 2,0m / s R A força de atrito acelera o bloco de baixo. F ma F 4x2 8,0N at at 2 2

3 2. Na figura, estão indicadas as forças atuantes em uma caixa de peso P = 60 N que sobe uma rampa áspera com velocidade constante sob a ação de uma força F = 60 N. Nessas circunstâncias, o coeficiente de atrito cinético entre a rampa e esse bloco vale a) 0,1. b) 0,2. c) 0,3. d) 0,5. Resolução: Dados: F = 60 N; P = 60 N; α = 37 ; sen 37 = 0,6 e cos 37 = 0,8. Como os ângulos α e θ têm cada lado de um perpendicular a cada lado do outro, eles são congruentes: α θ. A figura abaixo traz as componentes do peso. Como o movimento é retilíneo e uniforme, as forças (ou componentes) equilibram-se nos dois eixos, x e y. Eixo y: N P y N Pcosθ Eixo x : Fa Px F μ N P senθ F μ Pcosθ P senθ F P μcosθ senθ F 60 μcosθ senθ 60 μcosθ senθ 1 1 senθ 1 0,6 0,4 μ cosθ 0,8 0,8 μ 0,5. 3

4 3.Sejam os blocos P e Q de massas m e M, respectivamente, ilustrados na figura a seguir. O coeficiente de atrito estático entre os blocos é μ, entretanto não existe atrito entre o bloco Q e a superfície A. Considere g a aceleração da gravidade. A expressão que representa o menor valor do módulo da força horizontal F, para que o bloco P não caia, é a) mg M m c) mm g d) Mg 1 μ M 2m b) mg (M m) Mμ μ M m mμ M m e) mg μ A figura abaixo mostra as forças com seus respectivos módulos relevantes para a solução da questão. mg Para que o bloco P não escorregue, devemos ter: μn mg N. μ Aplicando a Segunda Lei de Newton aos blocos, temos: mg Bloco P F N ma F ma (1) μ mg mg Bloco Q N Ma Ma a (2) μ μm Substituindo 2 em 1, vem: mg mg mg m 2 g mmg m 2 g mg F m F F M m μ μm μ μm μm μm 4

5 4. A figura abaixo mostra um bloco de massa M que é arrastado a partir do repouso, por um cabo, quando uma força de módulo F é aplicada. O coeficiente de atrito dinâmico entre o bloco e a horizontal é. Considerando que o módulo da aceleração da gravidade é g, a velocidade do bloco em função do tempo,v(t), durante a atuação de F, é igual a a) F gt. M b) Ft gt. c) F t gt. M d) F t g. M Resolução: A figura abaixo mostra as forças que agem no corpo. A resultante vertical é nula: N P mg F A resultante horizontal vale: F Fat ma F mg ma a g m F Como: V V0 at V t gt m Página Uma cômoda com uma massa de 45 kg, incluindo as gavetas e as roupas, está em repouso sobre o piso. (a) Se o coeficiente de atrito estático entre a cômoda e o piso é 0,45, qual é o módulo da menor força horizontal necessária para fazer a cômoda entrar em movimento? (b) Se as gavetas e as roupas, com uma massa total de 17 kg, são removidas antes de empurrar a cômoda, qual é o novo módulo mínimo? 5

6 05. Um bloco de 2,5 kg está inicialmente em repouso em uma superfície horizontal. Uma força horizontal F de módulo 6,0 N e uma força vertical P são aplicadas ao bloco. Os coeficientes de atrito entre o bloco e a superfície são µ s = 0,40 e µ k = 0,25. Determine o módulo de força de atrito que age sobre o bloco se o módulo da força de atrito que age sobre o bloco se o módulo P é (a) 8,0 N, (b) 10 N e (c) 12 N. 09. Um bloco de 3,5 kg é empurrado ao longo de um piso horizontal por uma força F de módulo 15 N que faz um ângulo θ = 40 a horizontal. O coeficiente de atrito cinético entre o bloco e o piso é 0,25. Calcule (a) o módulo da força de atrito que o piso exerce sobre o bloco e (b) o módulo da aceleração do bloco. 10. A figura mostra um bloco inicialmente estacionário de massa m sobre um piso. Uma força de módulo 0,500 mg é aplicada com um ângulo θ = 20 para cima. Qual é o módulo da aceleração do bloco se (a) µ s = 0,600 e µ k = 0,500 e (b) µ s = 0,400 e µ k = 0,300? 6

7 Página Um caixote de 68 kg é arrastado sobre um piso, puxado por uma corda inclinada 15 acima da horizontal. (a) Se o coeficiente de atrito estático é 0,50, qual é o valor mínimo do módulo da força para que o caixote comece a se mover? (b) Se µ s = 0,35, qual é o módulo de aceleração inicial do caixote? 14. A figura mostra a seção transversal de uma estrada na encosta de uma montanha. A reta AA representa um plano de estratificação ao longo do qual pode ocorrer um deslizamento. O bloco B, situado acima da estrada, está separado do resto da montanha por uma grande fenda (chamada junta), de modo que somente o atrito entre o bloco e o plano de estratificação evita o deslizamento. A massa do bloco é de 1,8 x 10 7 kg, o ângulo de mergulho θ do plano de estratificação é 24 e o coeficiente de atrito estático entre o bloco e o plano é 0,63. (a) Mostre que o bloco não desliza. (b) A água penetra na junta e se expande após congelar, exercendo sobre o bloco uma força F paralela a AA. Qual é o valor mínimo do módulo F da força para o qual ocorre um deslizamento? 16. Um trenó com um pinguim, pesando 80 N, está em repouso sobre uma ladeira de ângulo θ = 20 com a horizontal. Entre o trenó e a ladeira, o coeficiente de atrito estático é 0,25 e o coeficiente de atrito cinético é 0,15. (a) Qual é o menor módulo da força F, paralela ao plano, que impede o trenó de deslizar ladeira abaixo? (b) Qual é o menor módulo F que faz o trenó começar a subir a ladeira? (c) Qual é o valor de F que faz o trenó subir a ladeira com velocidade constante? 7

8 17. Na figura, uma força P atua sobre um bloco com 45 N de peso. O bloco está inicialmente em repouso sobre um plano inclinado de ângulo θ = 15 com a horizontal. O sentido positivo do eixo x é para cima ao longo do plano. Os coeficientes de atrito entre o bloco e o plano são µ s = 0,50 e µ k = 0,34. Em termos dos vetores unitários, qual é a força de atrito, exercida pelo plano sobre o bloco quando P é igual a (a) (-5,0 N)î, (b) (-8,0 N)î e (c) (-15,0 N)î? 18. Você depõe como perito num caso envolvendo um acidente no qual um carro A bateu na traseira de um carro B que estava parado num sinal vermelho no meio de uma ladeira. Você descobre que a inclinação da ladeira é θ = 12,0, que o carros estavam separados por um distância d = 24,0 m quando o motorista do carro A freou bruscamente, bloqueando as rodas (o carro não dispunha de freios ABS), e que a velocidade do carro A no momento em que o motorista pisou no freio era v 0 = 18m/s. Com que velocidade o carro A bateu no carro B se o coeficiente de atrito cinético era (a) 0,60 (estrada seca) e (b) 0,10 (estrada coberta de folhas molhadas)? Página Uma caixa de cereais Cheerios (massa m c = 1,0 kg) e uma caixa de cereais Wheaties (massa m w = 3,0 kg) são aceleradas sobre uma superfície horizontal por uma força horizontal F aplicada à caixa de cereal Cheerios é 2,0 N e o módulo de força de atrito que a ge sobre a caixa de Wheaties é 4,0 N. Se o módulo de F é 12 N, qual é o módulo da força que a caixa de Cheerios exerce sobre a caixa de Wheaties? 8

9 22. Na figura, um trenó é sustentado em um plano inclinado por uma corda que o puxa para cima paralelamente ao plano. O trenó está na iminência de começar a subir. A figura mostra o módulo F da força aplicada à corda em função do coeficiente do atrito estático µ s entre o trenó e o plano. Se F 1 = 2,0 N, F 2 = 5,0 N e µ 2 = 0,50, qual é o valor do ângulo θ do plano inclinado? 23. Quando os três blocos são liberados a partir do repouso, aceleram com um módulo de 0,500 m/s 2. O bloco 1 tem massa M, bloco 2 tem massa 2M e o bloco 3 tem massa 2M. Qual é o coeficiente de atrito cinético entre o bloco 2 e a mesa? 25. O bloco B pesa 711 N. O coeficiente de atrito estático entre o bloco e a mesa é 0,25; o ângulo θ é 30 ; suponha que o trecho da corda entre o bloco B e o nó é horizontal. Determine o peso máximo do bloco A para o qual o sistema permanece em repouso. 9

10 26. A figura mostra três caixotes sendo empurrados sobre um piso de concreto por uma força horizontal F de módulo 440 N. As massas dos caixotes são m 1 = 30,0 kg, m 2 = 10,0 kg e m 3 = 20,0 kg. O coeficiente de atrito cinético entre o piso e cada um dos caixotes é de 0,700. (a) Qual é o módulo F 32 da força exercida sobre o bloco 3 pelo bloco 2? (b) Se os caixotes deslizassem sobre um piso polido, com um coeficiente de atrito cinético menor que 0,700, o módulo F 32 seria maior, menor ou igual ao valor quando o coeficiente de atrito era 0,700? 27. O bloco A pesa 102 N e o bloco B pesa 32 N. Os coeficientes de atrito entre A e a rampa são µ s = 0,56 e µ k = 0,25. O ângulo θ é igual a 40. Suponha que o eixo x é paralelo à rampa, com o sentido positivo para cima. Em termos dos vetores unitários, qual é a aceleração de A se A está inicialmente (a) em repouso, (b) subindo a rampa e (c) descendo a rampa? Página Os blocos A e B pesam 44 N e 22 N, respectivamente. (a) Determine o menor peso do bloco C que evita que o bloco A deslize, se µ, entre A e a mesa é 0,20. (b) O bloco C é removido bruscamente de cima do bloco A. Qual é a aceleração do bloco A se µ k entre A e a mesa é 0,15? 10

11 34. Uma prancha de massa m 1 = 40 kg repousa em um piso sem atrito e um bloco de massa m 2 = 10 kg repousa sobre a prancha. O coeficiente de atrito estático entre o bloco e a prancha é 0,60 e o coeficiente de atrito cinético é 0,40. O bloco é puxado por uma força horizontal F de módulo 100 N. Em termos de vetores unitários, qual é a aceleração (a) do bloco e (b) da prancha? 35. Dois blocos (m = 16 kg e M = 88 kg) não estão ligados. O coeficiente de atrito estático entre os blocos é µ = 0,38, mas não há atrito na superfície abaixo do bloco maior. Qual é o menor valor do módulo da força horizontal F para o qual o bloco menor não escorrega para baixo ao longo do bloco maior? Página Um gato está cochilando em um carrossel parado, a uma distância de 5,4 m do centro. O brinquedo é ligado e logo atinge a velocidade normal de funcionamento, na qual completa uma volta a cada 60 s. Qual deve ser, no mínimo, o coeficiente de atrito estático entre o gato e o carrossel para que o gato permaneça no mesmo lugar sem escorregar? 42. Suponha que o coeficiente de atrito estático entre a estrada e os pneus de um carro é 0,60 e não há sustentação negativa. Que velocidade deixa o carro na iminência de derrapar quando faz uma curva não compensada com 30, 5 m de raio? 11

12 Página Um bloco de massa m a = 4,0 kg é colocado em cima de um outro bloco de massam b =5,0 kg. Para fazer o bloco de cima deslizar sobre o bloco de baixo enquanto o segundo é mantido fixo, é necessário aplicar ao bloco de cima uma força horizontal de no mínimo 12 N. O conjunto de blocos é colocado sobre uma mesa horizontal sem atrito. Determine o módulo da maior força horizontal F que pode ser aplicada ao bloco de baixo sem que os blocos deixem de se mover juntos e a aceleração resultante dos blocos. 66. Na figura, bloco I de massa m 1 = 2,0 kg, e o bloco 2, de massa m 2 = 3,0 kg, estão ligados por um fio de massa desprezível e são inicialmente mantidos em repouso. O bloco 2 está sobre uma superfície sem atrito com uma inclinação θ = 30. O coeficiente de atrito cinético entre o bloco 1 e a superfície horizontal é 0,25. A polia tem massa e atrito desprezíveis. Ao serem liberados, os blocos entram em movimento. Qual é a tensão do fio? 12

13 Página A figura mostra um pêndulo cônico, no qual um peso (pequeno objeto na extremidade inferior da corda) se move em uma circunferência horizontal com velocidade constante. (A corda descreve um cone quando o peso gira.) O peso tem uma massa de 0,040 kg, a corda tem um comprimento L = 0,90 m e a massa desprezível e o peso descreve uma circunferência de 0, 94 m. Determine (a) a tensão da corda e (b) o período do movimento. Página O bloco A possui massa m A = 0,40 kg e o bloco B possui massa m B = 2,0 kg. O coeficiente de atrito cinético entre o bloco B e o plano horizontal é µ k = 0,50. O ângulo do plano inclinado sem atrito é θ = 30. A polia serve apenas para mudar a direção do fio que liga os blocos. O fio possui massa desprezível. Determine (a) a tensão do fio e (b) o módulo da aceleração dos blocos. 13

14 82. Um carro (sem sustentação negativa), dirigido por um dublê, passa pelo alto de um morro cuja seção transversal pode ser aproximada por uma circunferência de raio R = 250 m. Qual é a maior velocidade para o qual o carro não perde contato com a estrada no alto do morro? 87. Um carro com 10,7 kn de peso, viajando a 13,4 m/s sem sustentação negativa, tenta fazer uma curva não compensada com um raio de 61,0 m. (a) Qual é o módulo da força de atrito entre os pneus e a estrada necessária para manter o carro numa trajetória circular? (b) Se o coeficiente de atrito estático entre os pneus e a estrada é 0,350, o carro consegue fazer a curva sem escorregar? GABARITO 14

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