INTRODUÇÃO À ENGENHARIA 2014 NOTA AULA PRÁTICA No. 04 VETORES - 20 A 26 DE MARÇO PROF. ANGELO BATTISTINI NOME RA TURMA NOTA
Objetivos do experimento: Nesta aula você deverá aprender (ou recordar) a representação de vetores em um plano cartesiano. Conhecimentos desenvolvidos durante a aula: representações cartesiana (e polar) de vetores. Conceitos de aceleração, velocidade, direção e sentido. Habilidades necessárias: desenhar vetores num plano cartesiano O que o aluno deve aprender a fazer até o final da aula. Atitudes esperadas: Capacidade de antever situações, agir de acordo com regras, suportar as pressões de um desafio competitivo. INTRODUÇÃO: A representação vetorial é utilizada em Engenharia para auxiliar na descrição de uma série de fenômenos. Seja para descrever movimentos, posição de objetos, para representar as forças que atuam sobre uma estrutura, enfim, qualquer representação física que é dotada de intensidade (ou magnitude ou módulo), direção e sentido, pode ser descrita por um vetor. Um vetor é representado por um segmento de reta (AB) orientado. A distância entre os pontos A e B é o módulo do vetor. A direção é dada pelo segmento de reta AB e o sentido do vetor é dado pela seta. No exemplo abaixo, o sentido é de A para B. Figura 1: representação de um vetor Os vetores são uma ferramenta muito utilizada na Engenharia, na Física e até na Economia. Com esse elemento se constrói o Cálculo Vetorial. Assim como os números reais, podemos realizar operações matemáticas com vetores (soma, subtração, multiplicação). Para realizar o trabalho com vetores é necessário conhecer o sistema de coordenadas para descrever os vetores e poder operá-los. O sistema de coordenadas é definido por uma Base ortogonal. Nesta aula utilizaremos uma base Cartesiana em duas dimensões (vetores i e j ). Uma base Cartesiana em três dimensões será feita pelos vetores i, j e k. Há outros sistemas de coordenadas, como o esférico, o cilíndrico, elíptico A REPRESENTAÇÃO DOS VETORES Imaginemos que, por alguma razão, você queira registrar os vetores, representando-as de forma escrita. Para essa descrição existe uma maneira que é representá-los em um Sistema de Coordenadas, que é formado por uma Base Vetorial Ortogonal. Uma vez conhecida, essa base vetorial permite que qualquer vetor pertencente ao plano na pista possa ser representado. Em geral, a base é composta por dois vetores unitários, i e j. Vejamos alguns exemplos: 2
a b c d e Figura 2: exemplos de vetores Em vermelho estão marcados os vetores da base ortogonal, i e j. Os demais vetores devem ser representados por eles. O vetor a tem três unidades (cada quadrado, uma unidade) na direção de j, dessa forma, podemos escrever: a = 3. j. O vetor b tem duas unidades na direção de i, logo b = 2.i. O vetor c combina as duas direções, três unidades na vertical (j) e duas na horizontal (i), assim, podemos escrever que c = 2.i + 3.j. Se o vetor estiver na direção oposta à de i ou de j, ele será representado por um sinal de menos, assim, o vetor d será escrito como: d = 3.i 3.j e o vetor e será: e = -1.i 2.j. Essa maneira de representar os vetores é a representação chamada de Cartesiana" ou Retangular, mas há uma outra forma, também útil, de representar os vetores através de seu "Módulo" (comprimento do vetor) e o ângulo formado entre o vetor e o eixo horizontal, chamado de Fase". Essa forma é chamada de representação Polar. fase módulo Figura 3: representação polar de um vetor No caso do exemplo anterior, os dois primeiros vetores são fáceis de determinar, o primeiro tem três unidades de módulo e forma um ângulo de 90 o em relação à horizontal, portanto, a representação desse vetor pode ser: a = (3 90) 1. O vetor b tem duas unidades de comprimento e está sobre o eixo horizontal, logo, b = (2 0). Para os demais vetores, tanto o comprimento quanto o ângulo devem ser calculados. Observe na figura abaixo que o vetor e as suas componentes i" e j formam um triângulo retângulo: 1 O ângulo pode ser escrito em graus - como está no exemplo - ou em radianos, neste caso teríamos: a = (3 π/2). 3
Figura 4: representação do vetor "c" 2.i 3.j Podemos ver que o vetor é a hipotenusa do triângulo e que a decomposição em i e j, são os catetos, pelo Teorema de Pitágoras, podemos calcular a hipotenusa, que é o comprimento do vetor: Pelas regras da Trigonometria, podemos calcular o ângulo: Portanto, a representação Polar do vetor c é: O mesmo vale para os demais vetores, mas CUIDADO, ao utilizar a calculadora, observe bem o resultado, pois quando calcula o arco-tangente, a resposta da calculadora será sempre no primeiro ou no quarto quadrantes do ciclo trigonométrico, você deve observar o resultado e fazer as correções, se necessário ATIVIDADE PRÁTICA: Vamos começar com uma pequena competição. Na página 7 há uma pista de corrida. Nessa pista você e um ou dois colegas vão disputar uma corrida de vetores. É muito simples, a corrida de vetores simula uma corrida de carro. Na corrida, cada carro é representado por um vetor. Os vetores indicam a velocidade, a aceleração e a direção do carro. Os carros sempre devem ficar na intersecção das linhas do quadriculado. As regras são simples. Os pilotos alternam as jogadas, um de cada vez. Recomenda-se que cada jogador use uma caneta com cor diferente (ou que um use caneta e outro lápis) para distinguir os carros. Sorteia-se quem vai sair pela parte interna da pista e quem sai pela parte externa. O carro que sair pela parte externa dará o primeiro movimento. O último vetor de cada jogador irá indicar o próximo, que poderá ser igual ao anterior ou em qualquer ponto da vizinhança desse vetor, para frente, para trás ou para os lados. Isso 4
significa que a velocidade pode aumentar ou diminuir de uma unidade (um quadrado) a cada jogada. A direção também pode ser alterada com a escolha de pontos laterais ao ponto central da projeção. No ponto de partida, cada competidor começa a disputa com um vetor unitário. Observe na figura que a primeira jogada (a) é a de partida, o carro se movimenta um quadrado à frente. Na segunda jogada, projeta-se esse vetor, os pontos vizinhos (b) são os que ele pode usar. Então, no exemplo, o jogador decidiu acelerar e virar à direita (c). Esse último movimento (dois à frente, um à direita) é projetado para a próxima jogada (d), o jogador decidiu acelerar (3 unidades à frente) e virar mais um pouco à direita (e). a b c d e Figura 5: início da corrida Cuidado Como você só pode acelerar ou desacelerar uma unidade, as velocidades muito altas serão prejudiciais na hora de fazer as curvas. Se um jogador sair da pista, deverá fazer a volta e retornar no mesmo ponto (ou atrás) de onde saiu. Outro cuidado é que um carro não pode bater no outro, significa que o seu vetor não pode cruzar ou encostar no último vetor do adversário. O grupo terá 20 minutos para essa fase. Se não terminar o percurso todo, não importa, vocês podem continuar depois da aula. Figura 5: exemplos de vetores na corrida 5
Agora, o que vamos fazer é representar os nossos vetores da corrida por essa base vetorial. Procure na parte interna da pista dois vetores unitários i e j, um perpendicular ao outro. Esses vetores formam a Base Vetorial Ortogonal da nossa pista e, como já dissemos, qualquer vetor pode se representado como uma combinação linear deles. A tarefa agora é utilizar os dez primeiros vetores de cada jogador e representá-los de acordo com a base ortogonal dada, faça isso na Tabela 1 na próxima página: Agora, na pista de corrida faça um vetor que ligue o ponto inicial do seu carro na corrida até o final do décimo vetor. E escreva esse vetor de acordo com o plano cartesiano dado. Na última linha da Tabela 1 há uma indicação SOMA. Essa linha é dedicada à representação da soma vetorial dos 10 primeiros vetores. Essa soma é feita assim: SOME todos os valores de i anteriores, suponhamos que essa soma seja A, em seguida SOME todos os valores de j, chamamos essa soma de B. O vetor soma (S), que é escrito na última linha é escrito: S = A.i + B.j Tabela 1: Anotação dos vetores Jogada Jogador A Jogador B Jogador C 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 SOMA 6
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EXERCÍCIOS COMPLEMENTARES 1. Escreva a representação polar dos vetores d e e, mostrados na Figura 2 (página 3). 2. Um galpão de armazenamento possui 10 metros de frente e 40 metros de fundo. As estantes, com 8 metros de comprimento, deixam um vão de 1 metro de cada lado do estoque. O vão entre as estantes, que possuem 1 metro de largura, é de 3 metros, sendo que a partir da entrada existem os 3 metros para a primeira estante, de forma que existem 10 estantes, e a última está encostada na parede do fundo. A porta, com 1 metro de largura, se encontra 2 metros à esquerda da entrada. Um robô programável deve levar uma caixa desde a entrada até a parte traseira da quarta estante, em sua ponta mais próxima. Para programar o robô, você deve indicar os os 3 vetores posição que devem ser aplicados para que se leve a caixa até o ponto correto. Escreva esses três vetores. OBS.:(Considere cada unidade vetorial como 1 metro) 8
CONCLUSÕES: Em poucas linhas, descreva o que de importante foi aprendido na aula. EXERCÍCIOS PROPOSTOS 1. Explique conceitualmente, e a seguir exemplifique a diferença entre uma grandeza escalar e outra vetorial? 2. Reescreva, na forma polar, os vetores da Tabela 1. 9