FÍSICA POLÍCIA RODOVIÁRIA FEDERAL

FÍSICA POLÍCIA RODOVIÁRIA FEDERAL

Conteúdo Programático 1. Conceitos Básicos de Trigonometria 2. Introdução à Cinemática Escalar 3. Movimento Uniforme (MU) 4. Movimento Uniformemente Variado (MUV) 5. Movimento Vertical no Vácuo 6. Diagramas Horários 7. Vetores 8. Lançamento Não Vertical 9. As Leis de Newton 10. Algumas Aplicações das Leis de Newton

11. Forças de Atrito 12. Força Elástica 13. Trabalho e Potência 14. Energia 15. Impulso e Quantidade de Movimento 16. Choques Mecânicos 17. Hidrostática

UNIDADE 1 Conceitos básicos de TRIGONOMETRIA

1. Triângulo Retângulo e Teorema de Pitágoras Classifica-se como retângulo todo triângulo que possui um de seus ângulos internos igual a 90º (noventa graus), também chamado ângulo reto, como indicado na figura abaixo. Figura 1 No triângulo ABC acima, que também pode ser representado por ΔABC, a relação entre as medidas dos lados a, b e c é dada pela expressão a seguir, também conhecida como Teorema de Pitágoras:

Os lados de um triângulo retângulo recebem nomes peculiares a sua posição no triângulo. O maior lado, a, sempre oposto ao ângulo reto, é chamado de hipotenusa. Os outros dois, b e c, são denominados catetos. É por isso que o Teorema de Pitágoras assim se enuncia: O quadrado da hipotenusa é igual à soma dos quadrados dos catetos.

2. Trigonometria no Triângulo Retângulo

Para qualquer ângulo α, valem as relações:

Exemplo 1: Dado o triângulo retângulo ABC abaixo, calcule: a) sen ; b) cos ; c) tg + tg ; d) sen + cos.

Solução É uma boa ideia calcular o lado temos: do triângulo. Pelo Teorema de Pitágoras,

3. Arcos Notáveis sen 90º = 1; cos 90º = 0; sen 0º = 0; cos 0º = 1.

4. Ciclo Trigonométrico Radiano (1 rad) é o ângulo definido em um círculo por um arco de circunferência com o mesmo comprimento que o raio do referido círculo. Na prática, estabelecemos a relação entre as medidas em graus e em radianos de um ângulo qualquer da seguinte forma: onde α é a medida em graus do ângulo cuja medida em radianos (x) se deseja obter.

Assim, se quisermos, por exemplo, saber qual é a medida em radianos de um ângulo de 65º, procedemos assim: Logo, um ângulo de 65º corresponde a. Nunca é demais lembrar que π é um número irracional cujo valor aproximado é 3,14.

Pode-se definir como ciclo trigonométrico uma circunferência de raio unitário com centro localizado na origem do sistema cartesiano, cujos pontos podem ser associados a ângulos de quaisquer valores.

É muito importante fazer a associação entre as medidas em graus e em radianos dos seguintes ângulos: π/2 90º ; π 180º ; 3π/2 270º ; 2π 360º. E ainda há os arcos notáveis: π/6 30º ; π/4 45º ; π/3 60º.

Exemplo 2: Representar, no ciclo trigonométrico, os seguintes ângulos: a) π / 6; b) π / 4; c) π / 3; d) 2π / 3; e) 5π / 6 f) 7π / 4. Solução

Os ângulos pedidos no enunciado estão representados na figura acima. É fácil perceber que: 2π 3 = 2 π 3 equivale a 2 60o = 120 o ; 5π 6 = 5 π 6 equivale a 5 30o = 150 o ; 7π 4 = 7 π 4 equivale a 5 45o = 315 o.

Note que, percorrendo o ciclo no sentido anti-horário, obtêm-se os ângulos em ordem crescente. Da mesma forma, quando o ciclo é percorrido no sentido horário, os ângulos aparecem em ordem decrescente. Isso permite concluir que também é possível representar ângulos negativos no ciclo.

Também é possível representar arcos de valores absolutos maiores do que 360º no ciclo. Para isso, basta percorrer todo o ciclo tantas vezes quantas forem necessárias e depois completar o percurso.

Exemplo 3: Representar, no ciclo trigonométrico, os seguintes arcos: a) 750º ; b) 1380º ; c) 2270º ; d) -880º ; e) -1440º ; f) -3000º. Solução a) 1 volta completa no ciclo corresponde a 360º. Efetuando a divisão de 750º por 360º, verificamos que o ângulo de 750º corresponde a 2 voltas completas no ciclo (quociente) mais um percurso de 30º (resto), ambos no sentido anti-horário, pois o sinal é positivo.

b) Repetindo o procedimento anterior, obtemos: c) Fazendo o mesmo, obtemos:

d) Para valores negativos, o procedimento é o mesmo, porém executando o giro no sentido horário. Dessa forma, temos: e) Repetindo os procedimentos anteriores, temos:

f) Mais uma vez, para finalizar:

O ciclo trigonométrico possui outras utilidades além de simplesmente marcar ângulos. Ele também nos fornece os valores do seno, do cosseno e da tangente de um ângulo.

Na figura acima, o segmento de reta AB está situado acima do eixo das abscissas. Por isso, o seno é positivo.

Mas o segmento AB poderia estar situado abaixo, caso em que o seno seria negativo, como mostra a figura:

Já o cosseno é dado geometricamente pelo esquema abaixo. Repare que o segmento de reta OB encontra-se à direita do eixo das ordenadas. Quando isso acontece, diz-se que o cosseno é positivo.

Assim como no caso dos senos, também poderia ocorrer de o segmento OB estar à esquerda do eixo das ordenadas, caso em que o cosseno seria negativo.

Por fim, apresentamos o raciocínio geométrico para a obtenção da tangente de um ângulo θ qualquer. A tangente do ângulo θ é positiva, pois o segmento AB está acima do eixo das abscissas.

Quando o segmento AB está abaixo do eixo das abscissas, dizemos que a tangente do ângulo considerado é negativa.

Exemplo 4: Calcule o seno, o cosseno e a tangente dos ângulos pedidos. a) π / 3; b) 2π / 3; c) 5π / 4; d) 11π / 6; e) 22π / 3. Solução a) O seno, o cosseno e a tangente de π/3 são notáveis e valem: sen π 3 = 3 2 ; cos π 3 = 1 2 ; tg π 3 = 3.

b) Como 2π/3 = 120 o = 180 o 60 o, fica fácil perceber que, pela simetria do ciclo: sen 2π/3 = sen π/3 ; cos 2π/3 = cos π/3 ; tg 2π/3 = tg π/3 ; Logo, sen 2π/3 = 3/2 cos 2π/3 = 1/2 tg 2π/3 = 3

c) perceber Como 5π/4 = 220 o = 180 o + 45 o, fica fácil que: sen 5π/4 = sen π/4 cos 5π/4 = cos π/4 tg 5π/4 = tg π/4 Logo, sen 5π/4 = 2/2 cos 5π/4 = 2/2 tg 5π/4 = 1

d) Como 11π/6 = 330 o = 360 o 30 o, temos: sen 11π/6 = sen π/6 ; cos 11π/6 = cos π/6 ; tg 11π/6 = tg π/6. Logo: sen 11π/6 = 1/2 cos 11π/6 = 3/2 tg 11π/6 = 3/3

e) 22/π3 = 21π/3 + π/3 = 7π + π/3. A posição de 7π no ciclo trigonométrico é coincidente com a posição de π. Assim, sabendo que π/3 = 60º, podemos representar: O Observa-se que: sen 22π/3 = sen π/3 ; cos 22π/3 = cos π/3 ; tg 22π/3 = tg π/3. Logo: Logo, L sen 22π/3 = 3/2 cos 22π/3 = 1/2 tg 22π/3 = 3

Consideremos, agora, um triângulo retângulo genérico, como o da figura abaixo. sen α = cateto oposto hipotenusa cateto oposto = hupotenusa. sen α (1)

cos α = cateto adjacente hipotenusa cateto adjacente = hipotenusa. cos α (2) tg α = cateto oposto cateto adjacente cateto oposto = cateto adjacente. tg α (3)

Exemplo 5: Nos triângulos a seguir, calcule as medidas dos catetos a, b e c. Solução a) a = 12. sen 30 o = 12. 1 2 = 6 cm. b) b = 15. cos 60 o = 15. 1 2 = 7,5 cm. c) c = 4. tg 45 o = 4. 1 = 4 cm.

5. Lei dos Senos e Lei dos Cossenos a sen α = b sen β = c sen γ Essa expressão é conhecida como Lei dos Senos, cujo enunciado poderia ser o seguinte:

a 2 = b 2 + c 2 2bc. cos a A expressão acima é a chamada Lei dos Cossenos. Nunca é demais lembrar que a soma dos ângulos internos de qualquer triângulo é igual a 180º, ou π radianos. ooo

Exemplo 6: Calcule as medidas dos lados a e b dos triângulos abaixo. Solução a) Como a soma dos ângulos internos de um triângulo é 180º, o ângulo cuja medida não foi mostrada vale 180º - (120º + 15º) = 45 º. Assim, pela Lei dos Senos: a sen 45 o = 14 sen 120 o a2 2 = 14 3 2 a = 14 6 3 cm

b) Pela Lei dos Cossenos, temos: b 2 = 3 2 + 10 2 2. 3. 10. cos 135 o b 2 = 3 2 + 10 2 2. 3. 10. 2 2 b = 109 + 30 2 cm

6. Seno e Cosseno da Soma e da Diferença entre dois Ângulos As expressões para o cálculo do seno da soma e da diferença entre dois ângulos quaisquer são dadas abaixo. sen a + b sen a b = sen a. cos b + sen b. cos a = sen a. cos b sen b. cos a E as expressões para o cálculo do cosseno da soma e da diferença entre dois ângulos são as seguintes: cos(a + b) = cos a. cos b sen a. sen b cos(a b) = cos a. cos b + sen a. sen b

Exemplo 7: Calcule o seno e o cosseno dos seguintes ângulos: a) 75º ; b) 15º ; c) 105º ; d) 375º. Solução a) sen 75 o = sen 45 o + 30 o = sen 45 o cos 30 o + sen 30 o cos 45 o = = 2 2. 3 2 + 1 2. 2 2 = 6 + 2 4 cos(75 o ) = cos 45 o cos 30 o sen 45 o sen 30 o = 2 2. 3 2 2 2. 1 2 = 6 2 4

b) sen 15 o = sen 45 o 30 o = sen 45 o cos 30 o sen 30 o cos 45 o = = 2 2. 3 2 1 2. 2 2 = 6 2 4 cos(15 o ) = cos 45 o cos 30 o + sen 45 o sen 30 o = 2 2. 3 2 + 2 2. 1 2 = 6 + 2 4 c) sen 105 o = sen 45 o + 60 o = sen 45 o cos 60 o + sen 60 o cos 45 o = = 2 2. 1 2 + 3 2. 2 2 = 6 + 2 4 cos(105 o ) = cos 45 o cos 60 o sen 45 o sen 60 o = 2 2. 1 2 2 2. 3 2 = 2 6 4

d) 375º = 360º + 15º. Logo, o seno e o cosseno para os ângulos de 15º e 375 º são os mesmos.

UNIDADE 2 INTRODUÇÃO À CINEMÁTICA ESCALAR

1. Introdução A Cinemática é a parte da Mecânica que descreve os movimentos dos corpos sem se preocupar com as causas que os produzem e os modificam. Para que o estudo da Cinemática se torne viável, é imprescindível a utilização de alguns conceitos, chamados conceitos primitivos, isto é, que não podem ser definidos, mas que devem ter a mesma significação para todos. Para esse fim, assumiremos como conceitos primitivos o instante e o tempo. O instante ao qual se associa o tempo zero (t=0) recebe o nome de origem dos tempos. Se um determinado fenômeno iniciou-se num instante t 1 e terminou num instante t 2, dizemos que ele ocorreu num intervalo de tempo cuja duração é Δt = t 2 t 1.

2. Localização de um Ponto Material. Referencial. No estudo da Física, nada é absoluto. E isso vale também para a posição dos corpos no espaço. A posição é sempre dada em relação a um referencial. Define-se como referencial um corpo em relação ao qual um ponto P tem sua posição determinada. Sendo assim, para se determinar com precisão a posição de P, é necessário conhecer as distâncias de P aos pontos do referencial R.

Uma forma de simplificar o trabalho é fixar em R um ponto, ao qual chamamos origem, que pode coincidir perfeitamente com a origem de um sistema cartesiano tri ortogonal. A posição de P pode ser dada em termos das coordenadas desse ponto em relação à origem do sistema. A posição do ponto P é determinada em termos das coordenadas x (abscissa), y (ordenada) e z (cota).

Se o ponto P estiver sempre em um plano, a sua posição será dada por duas coordenadas: por exemplo, x (abscissa) e y (ordenada). Finalmente, se o ponto P estiver sempre em cima de uma reta, sua posição será dada por apenas uma coordenada: por exemplo, x (abscissa).

O sistema de unidades oficialmente adotado no Brasil é o Sistema Internacional de Unidades (SI). A unidade de tempo no SI é o segundo (s) e a de comprimento, o metro (m). A hora (h) e o minuto (min) são múltiplos do segundo: 1 h = 60 min 1 min = 60 s O milímetro e o centímetro são submúltiplos do metro. O quilômetro é múltiplo: 1 mm = 10 3 m 1 cm = 10 2 m 1 Km = 10 3 m

3. Repouso e Movimento Os conceitos de repouso e movimento dependem estritamente do referencial adotado. Se, no referencial adotado, as coordenadas de um ponto não mudam com o decorrer o tempo, dizemos que o ponto está em repouso em relação a esse referencial. Se pelo menos uma das coordenadas do ponto mudar com o passar do tempo, esse ponto estará em movimento em relação ao referencial adotado.

4. Trajetória Um ponto material que se move em relação a um determinado referencial ocupa sucessivamente diversas coordenadas medidas nesse referencial. O conjunto de pontos que ele ocupa é uma curva que recebe o nome de trajetória.

A forma da trajetória depende do referencial adotado.

5. Espaço Considere um ponto P em movimento em relação a um determinado referencial.

Além de localizarmos o ponto P através de suas coordenadas (x,y,z), também podemos localizá-lo diretamente na trajetória. Para isso, devemos escolher como origem da trajetória um ponto O, a partir do qual será medido o comprimento do arco OP.

Repare, no entanto, que essa medida de arco também determina um ponto P, simétrico de P em relação à origem O (não dissemos se o comprimento seria medido no sentido da direita ou da esquerda).

Daí concluímos que a medida do arco OP é igual à medida do arco OP. A trajetória do ponto P deve ser orientada. A medida do arco de trajetória OP precedida do sinal de + ou de recebe o nome de espaço do ponto P no instante t e é indicada pela letra s. Dessa forma, o ponto O é denominado origem dos espaços.

Representamos a posição de um automóvel ao longo da sua trajetória em diversos instantes. O espaço do automóvel no instante t=0 é denominado espaço inicial e é indicado por s 0. Na figura acima, s 0 = 30m.

6. Equação Horária do Espaço Imagine um ponto material que se movimenta em relação a certo referencial. Equação horária do espaço é a equação que relaciona os diferentes espaços s desse ponto material com os instantes t correspondentes. No caso do exemplo anterior, a equação horária do espaço é s t = 30 + 20t para s em metros e t em segundos.

Outros exemplos: a) s t = 10 4t (para s em metros e t em segundos) t = 0 s = 10 m t = 1 s s = 6 m t = 2 s s = 2 m t = 3 s s = -2 m t = 4s s = -6 m Observe que o espaço do móvel decresce com o tempo. Isso significa que o móvel caminha no sentido oposto ao da orientação positiva da trajetória.

b) s t = 2 + 6t 2t 2 (SI) t = 0 s = 2 m t = 1 s s = 6 m t = 2 s s = 6 m t = 3 s s = 2 m t = 4 s s = -6 m Neste último caso, a posição do móvel inicialmente cresce, mas depois começa a cair com o decorrer do tempo. Isso significa que o móvel caminha em um sentido e depois retorna.

7. Variação de Espaço Sendo s 1 o espaço de um móvel num instante t 1 e s 2 o seu espaço num instante t 2. Define-se a variação de espaço do móvel como a diferença entre os espaços nos instantes t 2 e t 1, ou seja: Δs = s 2 s 1 A variação de espaço pode ser positiva, quando s 2 > s 1, negativa, quando s 2 < s 1, ou nula, quando s 2 = s 1. Quando a variação é nula, significa que o móvel retornou à sua posição inicial.

Exemplo 1: Os espaços de um móvel variam com o tempo de acordo com a tabela: Determine: a) o espaço inicial; b) os espaços do móvel nos instantes 2s e 7s; c) a variação de espaço entre os instantes 3s e 6s. Solução a) O espaço inicial é o espaço do móvel no instante t = 0. Logo, s 0 = 12m

b) Nos instantes 2s e 7s, os espaços do móvel são, respectivamente, s = 0m e s = 27m c) Para t = 3s, o espaço é s 1 = 4m e para t = 6s, o espaço é s 2 = 21m. Logo, a variação de espaço é s 2 s 1 = 21 4 = 17m. Assim, Δs = 17m Exemplo 2: A equação horária do espaço de um móvel é s = 15 + 8t, para s em metros e t em segundos. Determine: a) o espaço inicial; b) os espaços do móvel nos instantes t = 1s e t = 5s; c) a variação de espaço entre os instantes 2s e 4s; d) o instante em que o móvel passa pela origem dos espaços.

Solução a) Para t = 0, temos: s = 15 + 8. 0. Logo, s 0 = 15m b) Para t = 1s, s = 15 + 8. 1. Logo, s = 7m Para t = 5s, s = 15 + 8. 5. Logo, s = 25m c) Para t = 2s, temos: s 1 = 15 + 8. 2. Logo, s 1 = 1m. Para t = 4s, temos: s 2 = 15 + 8. 4. Logo, s 2 = 17m. Dessa forma, Δs = s 2 s 1 = 17 1 = 16m. Logo, Δs = 16m d) No instante em que o móvel passa pela origem dos espaços, temos s = 0. Logo: 0 = 15 + 8t t = 15/8 s

8. Velocidade Escalar Média Seja Δs = s 2 s 1 a variação de espaço de um móvel entre os instantes t 1 e t 2. Define-se velocidade escalar média o quociente: em que Δt = t 2 t 1. v m = Δs Δt Como Δt é sempre positivo (ninguém viaja para o passado!), concluímos que o sinal de v m é o mesmo de Δs: Δs > 0 v m > 0 Δs < 0 v m < 0 Δs = 0 v m = 0

No SI a unidade de velocidade escalar é o metro por segundo (m/s). No entanto, há situações em que é mais conveniente expressar a velocidade em quilômetros por hora (km/h). A relação entre o metro por segundo e o quilômetro por hora é a seguinte: 1 m s = 3,6 km h Exemplo 3: A equação horária do espaço de um móvel é s = 2 + 6t 2 para s em metros e t em segundos. Determine a velocidade escalar média entre os instantes t 1 = 1s e t 2 = 4s. Solução t 1 = 1s s 1 = 2 + 6. 1 2 = 8 s 1 = 8m t 2 = 4s s 2 = 2 + 6. 4 2 = 98 s 2 = 98m

Δs = s 2 s 1 = 98 8 = 90 Δs = 90m Δt = 4 1 = 3 Δt = 3s v m = Δs Δt = 90 3 v m = 30m/s Exemplo 4: Um ônibus percorre um trajeto de 60 km em 40 min. Qual a velocidade escalar média do ônibus? Solução Δs = 60 km e Δt = 40 min. 40 min = 2 3 h v m = 60 2 3 = 90 v m = 90 km/h

Exemplo 5: A distância por estrada de rodagem entre Rio de Janeiro e Boa Vista é de 5159 km. Um ônibus de viagem demora dois dias e vinte e duas horas para perfazer o percurso, incluindo dez horas de paradas para refeições, banhos, abastecimentos, etc. Qual a velocidade escalar média desse ônibus durante os dois dias e vinte e duas horas de viagem? Solução Para o cálculo da velocidade escalar média, devemos considerar o tempo total de viagem, incluindo as paradas. 2 dias e 22 horas = 2. 24h + 22h = 70h Δt = 70h Do enunciado: Δs = 5159 km Logo, v m = 5159 70 = 73,7 v m = 73,7 km/h

Exemplo 6: Um carro trafega de uma cidade A para outra cidade B, distantes 150 km, em 2h30min. A seguir, desloca-se da cidade B para a cidade C, distantes 110 km, em 3h. Calcule a velocidade escalar média do automóvel no percurso de A a C. Solução O percurso total do automóvel vale 150 km + 110 km = 260 km Δs = 260 km. O tempo total de percurso é 2h30min + 3h = 5h30min = 5,5 h Δt = 5,5 h. v m = Δs Δt = 260 5,5 47,27 v m = 47,27 km/h

Exemplo 7: Um automóvel percorre a distância entre Curitiba e Florianópolis (300 km) com velocidade escalar média de 50 km/h e entre Florianópolis e Porto Alegre (476 km) com velocidade escalar média de 40 km/h. Qual a velocidade escalar média do automóvel entre Curitiba e Porto Alegre? Solução Entre Curitiba e Florianópolis: Δs 1 = 300 km. Entre Florianópolis e Porto Alegre: Δs 2 = 476 km. Δt 1 = Δs 1 v m1 = 300 50 = 6 Δt 1 = 6h Δt 2 = Δs 2 v m2 = 476 40 = 11,9 Δt 2 = 11,9h

Δs = Δs 1 + Δs 2 = 300 + 476 Δs = 776 km Δt = Δt 1 + Δt 2 = 6 + 11,9 = 17,9h De v m = Δs Δt, vem: v m = 776 17,9 43,3 km/h v m = 43,3 km/h Exemplo 8: Um móvel percorre metade de um percurso com velocidade escalar média de 60 km/h e, imediatamente a seguir, a outra metade com velocidade escalar média de 40 km/h. Calcule a velocidade escalar média no percurso todo. Solução Seja d o comprimento do percurso todo. Assim: Δs 1 = d/2 e Δs 2 = d/2

Δt 1 = Δs 1 v m1 = Δt 2 = Δs 2 v m2 = d 2 60 = d 120 d 2 40 = d 80 Δt = Δt 1 + Δt 2 = d 120 + d 80 = 2d + 3d 240 Δt = 5d 240 Logo, v m = d 5d 240 = 48 v m = 48 km/h

Exemplo 9: Em 10 min, um móvel genérico descreveu a trajetória indicada no gráfico. Qual foi a sua velocidade escalar média entre os pontos A e C?

Solução A variação de espaço entre A e B é Δs 1 = 2 km. A variação de espaço entre B e C é Δs 2 = (5 2) 2 +4 2 = 5 Δs 2 = 5 km. Δs = Δs 1 + Δs 2 = 2 + 5 = 7 Δs = 7 km Δt = 10 min = 1 6 h Como v m = Δs Δt, vem: v m = 7 1 6 = 42 v m = 42 km/h

9. Velocidade Escalar Instantânea A velocidade escalar média não é um dado capaz de informar qual foi a velocidade do veículo em cada instante do percurso. O dado capaz de nos fornecer essa informação chama-se velocidade escalar instantânea. Fisicamente, pode-se definir a velocidade escalar instantânea como o quociente entre uma variação muito pequena de espaço, tendendo a zero (Δs 0), e uma variação muito pequena de tempo, também tendendo a zero (Δt 0). Matematicamente: Δs v = lim Δt 0 Δt Esse limite é chamado, na matemática superior, de derivada do espaço em relação ao tempo.

A derivada do espaço em relação ao tempo é representada por ds dt. Exemplo 10: Dadas as equações de espaço a seguir, encontre, para cada caso, a expressão da velocidade escalar instantânea. a) s = 2 + 2t 3t 2 b) s = 4 10t + 5t 2 c) s = 1 2t + 3t 2 2t 3 d) s = 2 + 6t 2t 3 + t 5 Solução a) s = 2. t 0 + 2. t 1 3. t 2 v = ds dt = 2. 0. t0 1 + 2. 1. t 1 1 3. 2. t 2 1 v = 0 + 2. 1. 1 3. 2. t v = 2 6t

b) s = 4. t 0 10. t 1 + 5. t 2 v = ds dt = 4. 0. t0 1 10. 1. t 1 1 + 5. 2. t 2 1 v = 0 10. 1. 1 + 5. 2. t v = 10 + 10t c) s = 1. t 0 2. t 1 + 3. t 2 2. t 3 v = ds dt = 1. 0. t0 1 2. 1. t 1 1 + 3. 2. t 2 1 2. 3. t 3 1 v = 0 2. 1. 1 + 3. 2. t 2. 3. t 2 v = 2 + 6t 6t 2

d) s = 2. t 0 + 6. t 1 2. t 3 + t 5 v = ds dt = 2. 0. t0 1 + 6. 1. t 1 1 2. 3. t 3 1 + 5. t 5 1 v = 0 + 6. 1. 1 2. 3. t 2 + 5. t 4 v = 6 6t 2 + 5t 4 10. Movimento Progressivo e Retrógrado Quando um móvel se desloca no sentido positivo da trajetória, dizemos que o movimento é progressivo, o que implica que a variação de espaço é positiva. Consequentemente, também será positiva a velocidade escalar.

De outro modo, quando o móvel se desloca no sentido negativo da trajetória, o movimento é retrógrado. No movimento retrógrado, a variação de espaço é, naturalmente, negativa, o que implica ser também negativa a velocidade escalar. Exemplo 11: Considere os dois automóveis A e B mostrados na figura abaixo, que possuem velocidades de valor absoluto 15 km/h e 25 km/h, respectivamente. Os sentidos dos seus movimentos também estão indicados. a) Classifique os movimentos de A e B como progressivos ou retrógrados. b) Dê as velocidades escalares de A e B.

Solução a) O móvel A se desloca no sentido contrário ao da orientação positiva; portanto, é retrógrado. O móvel B se desloca no sentido da orientação positiva; portanto, é progressivo. b) A velocidade escalar de A é negativa, pois o seu movimento é retrógrado. Já a velocidade escalar de B é positiva, pois o seu movimento é progressivo. Portanto, as velocidades escalares de A e B são: v A = 15 km h e v B = +25 km h

Exemplo 12: Um ponto material se desloca obedecendo à seguinte equação horária do espaço: s = 4 + 5t t 2. Determine: a) para que valores de t o movimento é progressivo; b) para que valores de t o movimento é retrógrado. Solução Antes de qualquer coisa, devemos determinar a equação horária da velocidade, conforme aprendido no item anterior: v = 5 2t a) v = 5 2t > 0 2t < 5 t < 2,5 s Portanto, antes do instante 2,5 s, o movimento é progressivo.

b) v = 5 2t < 0 2t > 5 t > 2,5 s Portanto, após o instante 2,5 s, o movimento torna-se retrógrado. 11. Aceleração Escalar Assim como temos a velocidade escalar média para medir a variação do espaço com o tempo, também temos a aceleração escalar média para medir a variação da velocidade escalar com o tempo. Seja Δv = v 2 v 1 a variação de velocidade de um móvel num intervalo de tempo Δt = t 2 t 1. Define-se aceleração escalar média o quociente entre a variação de velocidade Δv e o correspondente intervalo de tempo Δt, ou seja: a m = Δv Δt Como Δt é sempre positivo, concluímos que o sinal de a m é o mesmo de Δv.

11.2. Aceleração Escalar Instantânea Fazendo o intervalo de tempo Δt tender a zero (Δt 0), podemos definir matematicamente a aceleração escalar instantânea como: Δv a i = lim Δt 0 Δt Esse resultado é exatamente a derivada da velocidade em relação ao tempo. Logo, a aceleração escalar instantânea também pode ser representada por: a i = dv dt

Assim, a derivada do espaço nos fornece a velocidade escalar instantânea e a derivada da velocidade nos fornece a aceleração escalar instantânea: s derivada v derivada a A unidade da aceleração escalar no SI é o m/s 2. Mas também são possíveis outras unidades, como, por exemplo, km/h 2 ou cm/s 2.

Exemplo 13: Um veículo aumenta a sua velocidade de 8 m/s para 18 m/s num intervalo de tempo de 5,0 s. Qual foi a sua aceleração escalar média nesse intervalo de tempo? Solução Δv = v 2 v 1 = 18 8 = 10 Δv = 10 m/s Δt = 5,0 s a m = Δv Δt = 10 5 = 2 a m = 2 m/s 2

Exemplo 14: Acompanhando o movimento de um automóvel em uma estrada, verificamos que às 8h da manhã, sua velocidade era de 60 km/h e às 11h da manhã, sua velocidade era de 90 km/h. Determine a aceleração escalar média do automóvel nesse intervalo de tempo. Solução Δv = v 2 v 1 = 90 60 = 30 Δt = t 2 t 1 = 11 8 = 3 Δv = 30 km/h Δt = 3h α m = Δv Δt = 30 3 = 10 α m = 10 km/h 2

Exemplo 15: Um ponto material se locomove com equação horária do espaço s = 2 + t 4t 2 + 2t 3. Determine: a) a equação horária da velocidade; b) a equação horária da aceleração. Solução a) v = ds dt = 1 8t + 6t2 b) a = dv dt = 8 + 12t

Exemplo 16: Uma partícula movimenta-se segundo a equação horária do espaço s = 3 5t + t 2 (s em metros e t em segundos). Determine a aceleração escalar do movimento. Solução v = ds dt a = dv dt = 2 = 5 + 2t a = 2 m/s2

Exemplo 17: A equação escalar da velocidade de um móvel é dada por v = 2 + 3t 2 (SI). Determine a aceleração escalar desse móvel no instante t = 2 s. Solução a = dv dt = 6t Para t = 2s, temos: a = 6. 2 = 12 a = 12 m/s 2

12. Movimento Acelerado e Retardado Quando o valor absoluto da velocidade escalar aumenta com o tempo, diz-se que o movimento é acelerado. Para o movimento acelerado, temos duas possibilidades: a) movimento acelerado progressivo Neste caso, v > 0 e se v aumenta com o tempo, isso significa que v também cresce com o tempo. Dessa forma, Δv é positivo para qualquer intervalo de tempo. b) movimento acelerado retrógrado Neste caso, v < 0 e se v aumenta com o tempo, isso significa que v diminui com o tempo. Dessa forma, Δv é negativo para qualquer intervalo de tempo.

Resumindo: movimento acelerado progressivo: v > 0, α > 0 ou retrógrado: v < 0, α < 0 Concluímos que, no movimento acelerado, v e a têm o mesmo sinal.

Quando o valor absoluto da velocidade diminui com o tempo, diz-se que o movimento é retardado. Se v diminui com o tempo, temos duas possibilidades: a) movimento retardado progressivo Neste caso, se v > 0 e v diminui com o tempo, isso significa que v também decresce com o tempo. Dessa forma, Δv é negativo para qualquer intervalo de tempo. b) movimento retardado retrógrado Neste caso, se v < 0 e v diminui com o tempo, isso significa v cresce com o tempo. Dessa forma, Δv é positivo para qualquer intervalo de tempo.

Resumindo: movimento retardado progressivo: v > 0, α < 0 ou retrógrado: v < 0, α > 0 Sendo assim, concluímos que, no movimento retardado, v e a têm sinais contrários.

Exemplo 18: A figura mostra as posições de um móvel que se desloca sempre no mesmo sentido. Classifique o movimento em progressivo ou retrógrado, acelerado ou retardado. Solução O movimento é progressivo, pois o móvel movimenta-se sempre no sentido positivo da trajetória. Como, de um em um segundo, o móvel percorre distâncias cada vez maiores, isso significa que a sua velocidade escalar cresce. Logo, o movimento é acelerado.

Exemplo 19: Um ponto material se movimenta com equação horária de velocidade v = t 2 4. Classifique o movimento em progressivo ou retrógrado, acelerado ou retardado nos instantes: a) t = 1s; b) t = 3s. Solução a) Para t = 1s, v = 1 2 4 = -3 v = -3 m/s movimento retrógrado, pois v < 0. a = dv dt = 2t. Se t = 1s, então a = 2. 1 = 2 m/s2 movimento retardado, pois v < 0 e a > 0.

b) Para t = 3s, v = 3 2 4 = 5 v = 5 m/s movimento progressivo, pois v > 0. Pelo item anterior, a = 2t. Se t = 3s, então a = 2. 3 = 6 m/s 2 movimento acelerado, pois v > 0 e a > 0. Exemplo 20: Uma partícula se movimenta com equação horária do espaço s = 6 5t + t 2 (SI). Determine: a) a equação horária da velocidade; b) o instante em que a velocidade escalar se anula; c) a aceleração escalar; d) o intervalo de tempo para o qual o movimento é acelerado; e) o intervalo de tempo para o qual o movimento é retardado.

Solução a) v = ds dt = 5 + 2t b) 5 + 2t = 0 t = 2,5 s c) a = dv dt = 2 a = 2 m/s2 d) Como a > 0, para que o movimento seja acelerado, devemos ter v > 0. Logo: 5 + 2t > 0 t > 2,5 s

e) Pelo mesmo motivo, devemos ter v < 0. Logo: 5 + 2t < 0 t < 2,5 s

UNIDADE 3 MOVIMENTO UNIFORME (MU)

1. Definição Movimento uniforme (MU) é aquele que possui velocidade escalar instantânea constante. Consequentemente, a velocidade escalar média é também constante para qualquer intervalo de tempo. Assim, podemos escrever: v m = v = Δs Δt (constante 0) Então: Δs = v. Δt. Essa última igualdade nos mostra que, para intervalos de tempo iguais, temos deslocamentos iguais, já que a velocidade é constante.

2. Equação Horária do Espaço Sendo s 0 o espaço inicial correspondente ao instante t = 0, a equação horária do espaço para o MU é: s = s 0 + v. t Percebemos, assim, que a equação horária do espaço para o movimento uniforme é do 1º grau em t. Veja a tabela abaixo.

Como no movimento uniforme a velocidade é constante, conclui-se que a aceleração escalar é nula. Esquematicamente, temos três formas de reconhecer um movimento como sendo uniforme: a) a velocidade escalar instantânea é constante; b) a aceleração escalar instantânea é nula, o que implica aceleração escalar média também nula; c) o espaço obedece a uma equação horária do primeiro grau em t.

3. Diagramas Horários do Movimento Uniforme No movimento uniforme, a equação horária do espaço é do 1º grau Logo, o gráfico de s em função de t, sendo v 0, é uma reta oblíqua aos eixos. Movimento progressivo espaço cresce com o tempo Movimento retrógrado espaço diminui com o tempo

A velocidade escalar é constante o gráfico da velocidade em função do tempo é uma reta paralela ao eixo t. Movimento progressivo reta situa-se acima do eixo Movimento retrógrado reta situa-se abaixo do eixo

Como, no movimento uniforme, a aceleração escalar é nula, seu gráfico se traduz em uma reta coincidente com o eixo t. Exemplo 21: A equação horária do espaço de um móvel é s = 12 3t (SI). a) Determine o espaço inicial e a velocidade escalar do movimento. b) Classifique o movimento como progressivo ou retrógrado. c) Qual o espaço do móvel no instante t = 2s? d) Em que instante o móvel passa pela origem dos espaços? e) O que se pode dizer a respeito da trajetória do móvel?

Solução a) Sabemos que a equação horária do espaço para o MU é s = s 0 + v. t. Comparando essa equação com a equação dada, obtemos: s 0 = 12m e v = 3 m/s b) Como v < 0, o movimento é retrógrado. c) Para t = 2s, temos: s = 12 3. 2 = 6 s = 6 m d) 12 3t = 0 t = 4s e) Como a equação horária é do 1º grau, concluímos que o movimento é uniforme. Quanto à forma da trajetória, nada podemos dizer.

Exemplo 22: Um móvel realiza movimento uniforme. Sabe-se que, no instante t=0, o espaço do móvel é 6m. Escreva a equação horária do espaço, sabendo que a velocidade tem módulo 10 m/s. Considere os casos: a) o movimento é progressivo; b) o movimento é retrógrado. Solução a) se o movimento é progressivo, então v > 0. Assim, a equação fica: s = 6 + 10t (SI). b) se o movimento é retrógrado, então v < 0. Assim, a equação fica: s = 6 10t (SI).

Exemplo 23: As figuras representam as posições, no instante t = 0, de dois veículos A e B, em movimento uniforme. A figura também indica os sentidos dos movimentos. Os veículos A e B possuem velocidades escalares de valor absoluto 15 m/s e 30 m/s, respectivamente. Determine as suas equações horárias do espaço referentes à trajetória orientada. Solução Para a figura A, temos s 0 = 20m. Como o movimento de A é progressivo, concluímos que v A = +15 m/s. Portanto, sua equação horária é s = 20 + 15t (SI)

Para a figura B, temos s 0 = 30m. Como o movimento de B é retrógrado, concluímos que v B = 30 m/s. Portanto, sua equação horária é s = 30 30t (SI) Exemplo 24: Um móvel em movimento uniforme possui espaço s 1 = 12m no instante t 1 = 2,0s e espaço s 2 = 21m no instante t 2 = 5,0s. Qual a equação horária do espaço do móvel? Solução De s = s 0 + v. t, temos: 12 = s 0 + 2v 21 = s 0 + 5v s 0 = 6,0m e v = 3,0 m/s Assim, a equação horária do movimento é s = 6,0 + 3,0 t (SI)

Exemplo 25: Os espaços de dois móveis A e B, que percorrem a mesma trajetória, são medidos a partir da mesma origem. Suas equações horárias de espaço são s A = 60 10t e s B = 10 + 40t, com t em horas e s A e s B em quilômetros. Determine o instante e a posição do encontro. Solução No instante do encontro, os espaços dos móveis devem ser iguais. s A = s B 60 10t = 10 + 40t t = 1 h Instante do encontro: t = 1 h

Para calcular a posição do encontro, basta substituir esse valor de t em qualquer uma das equações de espaço, já que os espaços serão iguais. Escolhendo A: s = 60 10. 1 = 50m Posição do encontro: s = 50m Exemplo 26: A figura mostra as posições de dois automóveis A e B no instante t=0. Os automóveis A e B possuem movimento uniforme com velocidades escalares iguais a 70 km/h e 45 km/h, respectivamente. Depois de quanto tempo A alcança B?

Solução Primeiramente, é preciso determinar as equações horárias dos automóveis. Para isso, devemos adotar uma origem dos espaços O e orientar a trajetória. Vamos adotar como origem dos espaços a posição de A e orientar a trajetória de A para B. Dessa forma, podemos escrever: s A = 0 + 70t (s em km e t em h) s B = 1,125 + 45t (s em km e t em h) Note que 1125m = 1,125 km!

Fazendo s A = s B, vem: 0 + 70t = 1,125 + 45t t = 0,045h = 0,045. 3600 s = 162 s = 2 min 42 s Assim, depois de 2min42s, A alcançará B t = 2min42s Este exercício pode ser facilmente resolvido utilizando-se o conceito de velocidade relativa. Dados dois móveis A e B, com velocidades escalares v A e v B, diz-se que a velocidade de A em relação a B é: v AB = v A v B

Da mesma forma, a velocidade de B em relação a A é: v BA = v B v A Repare que v AB = v BA. Os móveis caminham no mesmo sentido velocidade relativa é a diferença v A v B Os móveis caminham em sentidos opostos velocidade relativa é a soma v A + v B (Sendo v A e v B os módulos) Levando esse conceito para o exercício em questão, tudo se passa como se o automóvel B estivesse parado e o automóvel A se movesse com velocidade (70 km/h 45 km/h).

Sendo assim, para alcançar B, o automóvel A teria de percorrer a distância de 1,125 km (espaço relativo) com velocidade de 25 km/h (velocidade relativa). Assim, s rel = v rel. t 1,125 = 25. t t = 2min42s Ou seja, chegamos ao mesmo resultado.

Exemplo 27: A figura representa as posições de dois automóveis A e B no instante t=0. Os automóveis A e B possuem movimentos uniformes cujas velocidades escalares têm valores absolutos 70 km/h e 45 km/h, respectivamente. Depois de quanto tempo A e B colidem? Solução Baseados no mesmo raciocínio do exemplo anterior, podemos escrever as equações horárias dos automóveis desta forma: s A = 0 + 70t (s em km e t em h) s B = 1,125 45t (s em km e t em h)

Fazendo s A = s B, vem: 0 + 70t = 1,125 45t t 35s Utilizando o conceito de velocidade relativa, considerando que o móvel B permanece parado e o móvel A se movimenta com velocidade (70 km/h + 45 km/h), temos: s rel = v rel. t 1,125 = 115. t t 35s Portanto, num intervalo de tempo de 35 s, os automóveis colidirão.

Exemplo 28: Um trem de 200m de comprimento viaja com velocidade escalar constante de 72 km/h e atravessa um túnel de comprimento 300m. Quanto tempo demora a travessia?

Solução Das figuras acima, a primeira retrata o início da travessia do túnel e a segunda, o fim da travessia. Sabemos que 72 km h = 72 3,6 m s = 20 m/s Considerando o trem como um conjunto perfeitamente rígido, concluímos que todos os pontos do trem realizam movimento uniforme com velocidade de 20 m/s. O tempo de travessia nada mais é do que o tempo que a parte frontal do trem gasta para percorrer o comprimento de 300m (túnel) mais o comprimento de 200m (tamanho do trem). Portanto, o problema reduz-se à equação abaixo. 500 = 0 + 20t t = 25s

Exemplo 29: Dois trens A e B de 200m de comprimento cada correm em linhas paralelas com velocidades escalares de valores absolutos 60 km/h e 40 km/h, no mesmo sentido. A figura mostra o instante em que o trem A começa a ultrapassar o trem B. Depois de quanto tempo terminará a ultrapassagem?

Solução O trem A terá ultrapassado o trem B no instante em que a parte traseira de A cruzar a parte dianteira de B. Uma solução consistiria em escrever as equações horárias da parte traseira de A e da parte dianteira de B, tomando como origem dos espaços a posição da parte traseira de A no início da ultrapassagem (quando a parte dianteira de A encontra a parte traseira de B). Então: s tras(a) = 0 + 150 9 t s diant(b) = 400 + 100 9 t Pois: 60 km h = 150 9 m s e 40 km h = 100 m 9 s.

Fazendo s tras(a) = s diant(b), vem: 0 + 150 9 t = 400 + 100 9 t t = 72s Seria muito mais simples se resolvêssemos este problema pelo conceito de velocidade relativa. Assim, consideramos que o trem B está parado e que o trem A move-se com velocidade escalar de (60 km/h 40 km/h), ou seja, de 20 km/h. Portanto, para que haja ultrapassagem, a parte dianteira de A deve percorrer 200m (comprimento do trem B) mais 200m (comprimento do próprio trem A).

Dessa forma, teríamos a equação: s rel = v rel. t 400 = 50 9. t t = 72s Pois: 20 km h = 50 9 m s. Portanto, o trem A levará 72 s para ultrapassar o trem B.

Exemplo 30: Dois trens A e B de 200m de comprimento cada correm em linhas paralelas com velocidades escalares de valores absolutos 60 km/h e 40 km/h, em sentidos opostos. Quanto tempo decorrerá desde o instante em que começam a se cruzar até o instante em que terminam o cruzamento?

Solução Utilizando o conceito de velocidade relativa, temos: s rel = v rel. t s rel = 400m v rel = 100 km h = 250 9 m s 400 = 250 9. t t = 14,4s Portanto, o cruzamento terá duração de 14,4 s.

Exercício 31: Dois pontos materiais A e B percorrem a mesma trajetória, no mesmo sentido, com movimentos uniformes. O móvel A parte no instante t=0 com velocidade escalar de 10 m/s; o móvel B parte do mesmo ponto, 2 s depois, com velocidade de 12 m/s. Depois de quanto tempo, após a partida de A, os dois móveis se encontrarão? Solução Adotamos o ponto de partida dos móveis como origem dos espaços e orientamos a trajetória no sentido dos movimentos. Assim, temos s 0A = 0m, s 0B = 0m, v A = 10 m/s e v B = 12 m/s. Equação horária de A: s A = 0 + 10t (SI) Equação horária de B: s B = 0 + 12. (t 2) (SI), com t 2 s

A origem dos tempos foi adotada no instante em que A parte. Assim, como B partiu 2 s depois, em sua equação horária aparece o termo (t 2), enquanto que na equação horária de A aparece o termo t. Do encontro, temos: s A = s B 10t = 12. t 2 t = 12s Portanto, o encontro ocorre 12 s após a partida de A e 10 s após a partida de B.

Exemplo 32: Um indivíduo dispara um projétil com velocidade de 200 m/s sobre um alvo. Ele ouve o impacto do projétil no alvo 5,4 s depois do disparo. Sabendo que a velocidade do som no ar é 340 m/s, qual a distância do indivíduo ao alvo? Solução

Seja Δt 1 o tempo que o projétil leva para atingir o alvo e Δt 2 o tempo que o som leva para chegar até o atirador. Temos: Δt 1 + Δt 2 = 5,4 s (1) Como Δs 1 = v 1. Δt 1, então d = v 1. Δt 1. Logo: Δt 1 = d v 1 = d 200 Analogamente: Δt 2 = d v 2 = De (1), obtemos: d 340 d 200 + d 340 = 5,4 17d + 10d 3400 = 5,4 d = 680m

Exemplo 33: (FGV-SP) De duas cidadezinhas, ligadas por uma estrada reta de 10 km de comprimento, partem simultaneamente, uma em direção à outra, duas carroças puxadas cada uma por um cavalo e andando à velocidade de 5 km/h. No instante da partida, uma mosca, que estava pousada na testa do primeiro cavalo, parte voando em linha reta, com a velocidade de 15 km/h e vai pousar na testa do segundo cavalo. Após um intervalo de tempo desprezível, parte novamente e volta, com a mesma velocidade de antes, em direção ao primeiro cavalo, até pousar em sua testa. E assim prossegue nesse vaivém até que os dois cavalos se encontram e a nossa mosca morre esmagada entre as duas testas. Quantos quilômetros percorreu a mosca? Solução O conceito de velocidade relativa nos é muito útil aqui. A velocidade relativa entre as duas carroças é: v rel = 5 + 5 = 10 km/h

O espaço relativo é s rel = 10 km. O tempo decorrido até as duas carroças se encontrarem é dado por: s rel = v rel. t 10 = 10. t t = 1h Durante esse tempo, a mosca voou com velocidade de v = 15 km/h. Logo, a distância por ela percorrida até morrer esmagada foi: d = v. t d = 15. 1 d = 15km Logo, a mosca percorreu 15 km.

Exemplo 34: Um móvel realiza movimento uniforme. Sabe-se que no instante t 1 =1,0s o espaço do móvel é s 1 =10m e, no instante t 2 =4,0s o espaço do móvel é s 2 =20m. a) Construa o gráfico do espaço s em função do tempo t. b) Determine a velocidade escalar e o espaço inicial. c) Escreva a equação horária do espaço. Solução a) O gráfico de s em função de t no movimento uniforme é uma reta oblíqua aos eixos. Sendo assim, marcamos no gráfico abaixo dois pontos: (1,0 ; 10) e (4,0 ; 20).

b) Como o movimento é uniforme, a velocidade escalar instantânea coincide com a velocidade escalar média. Logo, v = Δs Δt = 25 10 4,0 1,0 = 5,0 m/s Como v = 5 m/s, a equação do espaço pode ser assim escrita: s = s 0 + 5. t. Para descobrir s 0, escolhemos um ponto do gráfico e substituímos os valores na equação anterior. Escolhemos o ponto (1,0 ; 10). Assim: 10 = s 0 + 5. 1 s 0 = 5 m c) Logo, a equação horária do espaço é: s = 5 + 5. t

Exemplo 35: Construa os gráficos do espaço em função do tempo e da velocidade em função do tempo para os seguintes movimentos: a) s = 4 + 2t (SI); b) s = 10 5t (SI). Solução a) Para t = 0, s = - 4 m. Quando s = 0, t = 2 s. Portanto, o gráfico do espaço em função do tempo está apresentado abaixo.

A velocidade é constante e igual a 2 m/s. Logo, o gráfico da velocidade em função do tempo é:

b) Para t = 0, s = 10 m. Quando s = 0, t = 2 s. Portanto, o gráfico do espaço em função do tempo é o seguinte:

Como a velocidade é constante e igual a 5 m/s, o gráfico da velocidade em função do tempo é:

Exemplo 36: Os diagramas apresentados referem-se aos movimentos de dois móveis, A e B, que se deslocam sobre a mesma trajetória, a partir da mesma origem. A) Classifique os movimentos de A e B como progressivo ou retrógrado. B) Determine, através do gráfico, o instante e a posição do encontro.

Solução A) A reta que representa o movimento de A é descendente; logo, seu coeficiente angular, que é a velocidade, é negativo. Velocidade negativa significa movimento retrógrado. Por sua vez, a reta que descreve o movimento de B é ascendente; portanto, a velocidade de B é positiva e seu movimento é progressivo. B) Pelo gráfico, s A = s B no instante t = 3 s. Nesse instante, os dois espaços são iguais a 1 m. Portanto, os móveis encontram-se no instante 3 s e na posição 1 m.

UNIDADE 4 MOVIMENTO UNIFORMEMENTE VARIADO (MUV)

1. Introdução Vimos, no capítulo anterior, que no movimento uniforme a aceleração escalar é constante e igual a zero. No entanto, sabemos que existem outros tipos de movimento, na maioria dos quais a aceleração escalar não é nula. Neste capítulo, estudaremos o caso em que a aceleração escalar é constante e diferente de zero: o movimento uniformemente variado (MUV).

2. Definição Movimento uniformemente variado (MUV) é aquele no qual a aceleração escalar instantânea é constante e não nula. Decorre da definição que a aceleração escalar média também é constante e seu módulo coincide com o da aceleração escalar instantânea, para qualquer intervalo de tempo. Assim, podemos escrever: α m = α α = Δv Δt (constante 0) Então: Δv = αδt

Observamos, dessa forma, que no movimento uniformemente variado, a variação da velocidade é diretamente proporcional ao intervalo de tempo correspondente. Assim, para iguais intervalos de tempo, teremos iguais variações de velocidade escalar. 3. Equação Horária da Velocidade Sendo v 0 a velocidade inicial, correspondente ao instante t = 0, a velocidade v num instante qualquer t é dada por v = v 0 + αt Portanto, a função horária da velocidade no movimento uniformemente variado é uma função do 1º grau em t.

Exemplos: 4. Equação Horária do Espaço Sendo s 0 o espaço inicial de um móvel, v 0 a sua velocidade inicial e α a sua aceleração escalar, a equação horária do espaço para esse móvel é s = s 0 + v 0 t + α 2 t2

Exemplos: Notemos que o movimento uniformemente variado pode ser reconhecido através de qualquer uma das três características seguintes. 1) A aceleração escalar é constante e não nula. 2) A velocidade escalar instantânea obedece a uma equação do 1º grau em t. 3) O espaço obedece a uma equação horária do 2º grau em t.

Exemplo 37: Uma partícula tem movimento que obedece à seguinte equação horária da velocidade: v = 8 4t (SI). Determine: a) a velocidade escalar inicial (para t=0) e a aceleração escalar instantânea; b) o valor da velocidade escalar nos instantes t 1 = 1s e t 2 = 4s; c) o instante da inversão do sentido do movimento. Solução a) O movimento proposto é um MUV, pois a equação horária da velocidade é do 1º grau em t. Comparando a expressão acima com v = v 0 + αt, concluímos que: v 0 = 8 m/s e α = 4 m/s 2

b) No instante t = 1s, a velocidade escalar é: v = 8 4. 1 = 4 v = 4 m/s No instante t = 4s, a velocidade escalar é: v = 8 4. 4 = 8 v = 8 m/s Note que, no instante t = 1s, o movimento é progressivo. Já no instante t = 4s, o movimento é retrógrado. c) No instante em que o movimento se inverte, ou seja, deixa de ser progressivo e passa a ser retrógrado, a velocidade escalar instantânea se anula: 0 = 8 4t t = 2s Logo, o movimento se inverte no instante t = 2s.

Exemplo 38: É dada a equação horária do espaço de um movimento uniformemente variado: s = 12 6t + 20t 2 (SI). a) Determine os parâmetros do movimento: s 0, v 0 e α. b) Determine a velocidade escalar para t = 3s. Solução a) Comparando a expressão acima com a expressão padrão s = s 0 + v 0 t + α 2 t2 : s 0 = 12 m, v 0 = 6 m/s, α = 40 m/s 2 (Note que, se α 2 = 20, então α = 40 m/s2 )

Exemplo 39: Um ponto material P tem aceleração escalar constante e igual a 4 m/s 2. Na origem dos tempos (t = 0), o ponto material ocupa a posição indicada na figura e tem velocidade escalar igual a 8 m/s. Determine, para o ponto P: a) as equações horárias do espaço e da velocidade escalar; b) o espaço e a velocidade escalar do móvel nos instantes t 1 = 1s e t 2 = 2s.

Solução a) A equação horária do espaço é: s = 16 8t + 2t 2 (SI). A equação horária da velocidade é: v = 8 + 4t (SI). b) No instante t = 1s, o espaço e a velocidade escalar são, respectivamente, s = 16 8. 1 + 2. 1 2 = 10 s = 10m v = 8 + 4. 1 = 4 v = 4 m/s No instante t = 3s, o espaço e a velocidade escalar são, respectivamente, s = 16 8. 2 + 2. 2 2 = 4 v = 8 + 4. 2 = 0 s = 4m v = 0 m/s

Exemplo 40: Um ciclista, partindo da origem dos espaços da ciclovia, onde estava em repouso, segue um movimento acelerado pela pista. Sua aceleração escalar tem módulo de 3,0 m/s 2 (constante). Determine: a) o seu espaço decorridos 6,0 s de movimento; b) a velocidade escalar atingida em 50 s de movimento. Solução a) Do enunciado, tiramos: s 0 = 0m, v 0 = 0 m/s e α = 3 m/s 2. Portanto, a equação horária do espaço é: s = 3 2 t2 Portanto, em 6,0 s de movimento, o espaço percorrido foi: s = 3 2. 62 = 54 Assim, s = 54m

b) A equação horária da velocidade é: v = 3 2 t Portanto, em 50 s de movimento, a velocidade atingida foi: v = 3 2. 50 = 75 Assim, v = 75 m/s

Exemplo 41: A figura ilustra o movimento de um automóvel. No instante t=0, ele passou por P 0 com velocidade escalar de 1 m/s e, no instante t 1 =2s, ele passou por P 1 com velocidade escalar v 1. Sua aceleração escalar permanece constante durante todo o movimento. Determine: a) a aceleração escalar; b) a velocidade escalar v 1 ao passar por P 1.

Solução a) A equação horária do espaço para o MUV, como sabemos, é: s = s 0 + v 0 t + α 2 t2 Adaptando essa equação para o problema em questão, vem: 8 = 2 + 1. 2 + α 2. 22 α = 2 m/s 2

b) Para o MUV, sabemos que: v = v 0 + αt Substituindo os dados do problema e a aceleração encontrada nessa equação, vem: v = 1 + 2. 2 = 5 v = 5 m/s 5. Velocidade Escalar Média Num movimento uniformemente variado, a velocidade escalar média (v m ), para um dado intervalo de tempo [t 1,t 2 ], é igual à média aritmética entre as respectivas velocidades escalares instantâneas v 1 e v 2, correspondentes aos instantes t 1 e t 2. Dessa forma, matematicamente: v m = v 1 + v 2 2

6. Equação de Torricelli Considere um móvel que inicia seu movimento com velocidade v 0, mantendo uma aceleração escalar constante igual a α, que percorre um espaço Δs. A velocidade desse móvel ao final do percurso do espaço Δs é dada por: v 2 = v 0 2 + 2α. Δs A equação acima é conhecida como Equação de Torricelli, e normalmente é usada quando não se fornece o tempo e não se pede pelo tempo.

Exemplo 42: O veículo da figura é assimilável a um ponto material. Ao passar por A, sua velocidade escalar era 6,0 m/s. Durante o percurso AB, ele manteve aceleração escalar constante e igual a 2,0 m/s 2. Considere t = 0 o instante em que ele passa por A. Determine: a) o momento da inversão do sentido do movimento; b) a velocidade escalar ao passar por B. Discuta as duas soluções.

Solução a) Pelos dados do enunciado, a equação horária da velocidade do veículo é: v = 6 2t No instante da inversão, v = 0. Logo, 0 = 6 2t t = 3s b) Pela equação de Torricelli, v 2 = v 0 2 + 2α. Δs. Assim: v 2 = 6 2 + 2. 2. 8 = 36 32 = 4 v = ±2 m/s

Para a discussão das soluções, é preciso orientar a trajetória positivamente de A para B. Tem-se velocidade escalar positiva quando o veículo passa por B no sentido de A para B. Tem-se velocidade escalar negativa quando o veículo passa por B no sentido de B para A. Exemplo 43: Um ponto material passou pelo ponto A com velocidade escalar de 6,0m/s e atingiu o ponto B com velocidade escalar de 10 m/s. Sua aceleração escalar se manteve constante. Determine: a) a aceleração escalar; b) a velocidade escalar média entre A e B.

Solução a) Usando a equação de Torricelli, temos: 2α = 64 16 10 2 = 6,0 2 + 2α. 16 = 4 α = 2 m/s2 b) Conforme exposto na teoria, a velocidade escalar média entre A e B, no caso específico do MUV, é dada por: v m = v A + v B 2 = 6 + 10 2 = 8 v m = 8 m/s

Exemplo 44: O carro da figura pode ser considerado um ponto material. Ele passou por A com velocidade escalar de 19 m/s e dirigia-se para B. Sua aceleração escalar se manteve constante e igual a 1,5 m/s 2. Determine: a) as velocidades escalares com que ele passa por B. Discuta cada caso; b) a distância entre A e o ponto de inversão do sentido do movimento; c) a velocidade escalar média entre A e B durante a ida de A para B.

Solução a) Pela equação de Torricelli, obtemos: v 2 = 19 2 + 2. 1,5. 80 = 121 v = ±11 m/s De A para B, o movimento é progressivo, ocasião em que v = 11 m/s. De B para A, o movimento é retrógrado, ocasião em que v = 11 m/s. b) No instante da inversão do movimento, temos v = 0. Assim, ainda fazendo uso da equação de Torricelli: 0 = 19 2 + 2. 1,5. Δs Δs 120,3 m Essa é a distância entre A e o ponto de inversão do movimento.

c) A velocidade média entre A e B, durante a ida de A para B, é: v m = v A + v i 2 = 19 + 0 2 = 9,5 v m = 9,5 m/s Exemplo 45: Uma partícula em MUV tem sua velocidade escalar dada pela equação v = 4,0 + 12t (SI). Determine: a) as velocidades escalares nos instantes t 1 = 1,0 s e t 2 = 4,0 s; b) a velocidade escalar média no intervalo de tempo que vai de 1,0 s a 4,0 s. Solução a) No instante t 1 = 1,0 s, a velocidade será: v = 4,0 + 12. 1 = 16 v = 16 m/s No instante t 2 = 4,0 s, a velocidade será: v = 4,0 + 12. 4 = 52 v = 52 m/s

b) A velocidade escalar média entre os instantes 1,0 s e 4,0 s é: v m = v 1 + v 2 2 = 16 + 52 2 = 34 v m = 34 m/s 7. Diagramas Horários do MUV A equação horária do espaço em um movimento uniformemente variado é: s = s 0 + v 0 t + α 2 t2 Percebe-se que o gráfico do espaço em função do tempo é um arco de parábola, já que a expressão é do 2º grau.

Sabemos que uma parábola pode ter a concavidade voltada para cima ou para baixo. Como o termo que multiplica t 2 é α/2, podemos concluir que a concavidade da parábola será voltada para baixo quando α < 0 e será voltada para cima quando α>0.

Cabe lembrar que, no instante t = 0, o móvel tem espaço inicial s = s 0. Esse ponto é representado sobre o eixo das ordenadas, como mostra a figura abaixo. Repare o ponto M nos gráficos acima. Ele corresponde ao espaço mínimo quando α > 0 e ao espaço máximo quando α > 0. Sua abscissa é t = t 1.

Quando o espaço do móvel é máximo ou mínimo, a velocidade é nula e, nesse instante, ocorre a inversão do movimento.

A equação horária da velocidade no MUV é: v = v 0 + αt Por ser uma função do 1º grau em t, ela tem como gráfico uma reta oblíqua aos eixos num sistema cartesiano ortogonal. O coeficiente de t é a aceleração escalar α. Portanto, a reta pode ser crescente ou decrescente, conforme α seja positivo ou negativo, respectivamente.

Finalmente, sabemos que, no MUV, a aceleração escalar é constante.

É oportuno, neste momento, proceder a uma análise combinando os diagramas de velocidade e aceleração.

a) Análise dos diagramas horários em que α > 0 (os dois da esquerda): a.1) Para t < t 1, temos v < 0 e α > 0 o movimento é retardado. a.2) Para t > t 1, temos v > 0 e α > 0 o movimento é acelerado. b) Análise dos diagramas horários em que α < 0 (os dois da direita): b.1) Para t < t 1, temos v > 0 e α < 0 o movimento é retardado. b.2) Para t > t 1, temos v < 0 e α < 0 o movimento é acelerado.

Exemplo 46: A velocidade escalar de um ponto em MUV é dada pelo diagrama horário abaixo. A) Calcule sua aceleração escalar e identifique no gráfico a velocidade escalar inicial. B) Escreva a equação horária do espaço e da velocidade escalar, admitindo que o ponto tenha partido da origem dos espaços.

Solução A) Percebemos claramente no gráfico que, quando t = 0, v = 50 m/s. Logo, v 0 = 50 m/s A aceleração escalar é dada por: α = Δv Δt = 20 50 3,0 0 = 10 α = 10 m/s2 B) Com os dados encontrados, já podemos escrever a equação horária da velocidade escalar: v = 50 10t Para escrever a equação horária do espaço, o enunciado informa que s 0 = 0. Portanto, a equação pedida fica: s = 0 + 50t + (10/2)t 2. Assim: s = 50t 5,0t 2

Exemplo 47: Uma partícula apresenta movimento uniformemente variado cujo diagrama horário de espaço é mostrado abaixo. Determine os parâmetros s 0, v 0 e α do movimento.

Solução Pelo gráfico, vemos que, quando t = 0, s = 0. Logo, s 0 = 0 m Vemos também que, quando t = 7 s, s = 49. Logo, 49 = 0 + v 0. 7 + α 2. 72 (1) Além disso, quando t = 14 s, s = 0. Logo, 0 = 0 + v 0. 14 + α 2 142 (2)

As equações (1) e (2) formam um sistema de duas equações e duas incógnitas (v 0 e α). Resolvendo o sistema, achamos: v 0 = 14 m/s α = 2 m/s Exemplo 48: Na figura, mostram-se as velocidades escalares dos automóveis A e B, que passam pelo ponto P no instante t = 0. Determine: a) a aceleração escalar do automóvel B; b) o instante em que B consegue alcançar A, após ambos terem passado por P.

Solução a) Pelo aspecto do diagrama, B executa um MUV. Assim, a aceleração escalar de B é: α = Δv Δt = 20 10 10 0 = 1,0 α = 1,0 m/s2 b) A possui movimento uniforme de velocidade 20 m/s. A velocidade inicial de B, pelo gráfico, é 10 m/s. As equações horárias de espaço de A e B são, respectivamente, s A = 20t s B = 10t + 1 2 t2

Fazendo s A = s B, vem: 20t = 10t + 1 2 t2 t = 0 s ou t = 20 s. Como o enunciado pede o instante após a passagem pelo ponto P, a resposta é t = 20s

UNIDADE 5 MOVIMENTO VERTICAL NO VÁCUO

1. A Queda Livre dos Corpos No final do século XVI, estudos sobre os movimentos dos astros no espaço levaram o astrônomo italiano Galileu Galilei a realizar uma de suas mais famosas experiências. Do alto da Torre de Pisa, ele soltou duas esferas de tamanhos e massas diferentes e verificou que elas atingiram o solo simultaneamente. Galileu concluiu, então, que elas foram igualmente aceleradas, embora seus pesos fossem diferentes. Hoje já se sabe que o resultado obtido por Galileu será rigorosamente verdadeiro somente se as esferas forem abandonadas em queda livre, no vácuo ou em alguma condição em que a resistência do ar possa ser considerada desprezível. Concluímos, portanto, que todo corpo abandonado em queda livre, próximo à superfície da Terra, adquire aceleração de módulo constante. Tal aceleração é chamada aceleração da gravidade (g).

A aceleração da gravidade depende fundamentalmente: da latitude; da altitude. Para um espaço limitado, podemos considerar a aceleração da gravidade praticamente constante. O valor da aceleração da gravidade utilizado como referência é tomado a uma latitude de 45º e ao nível do mar. Esse valor é chamado aceleração normal da gravidade, que é: g = 9,80655 m/s 2 Normalmente, na resolução de exercícios, considera-se g = 9,8 m/s 2 e, em alguns casos, até mesmo 10 m/s 2.

1.1 Equacionamento Todo corpo em queda livre está sujeito a uma aceleração constante de módulo igual ao da aceleração da gravidade. Tal corpo está em movimento uniformemente acelerado. Vamos orientar a trajetória do corpo em queda livre para baixo, com origem no ponto em que ele é lançado ou solto (O).

O corpo pode ter sido lançado verticalmente para baixo com velocidade inicial v 0 ou ter sido simplesmente solto, ou seja, lançado com velocidade inicial nula (abandonado em repouso). Como a aceleração escalar é g, as equações horárias do corpo podem ser assim escritas: v = v 0 + gt s = v 0 t + 1 2 gt2 Se considerarmos H a altura do lançamento, quando o corpo atingir o solo, seu espaço s será igual a H (s = H).

Exemplo 49: Do alto de um prédio de 81m de altura, atira-se verticalmente para baixo, com velocidade de módulo 3,0 m/s, uma pequena pedra. Despreze a resistência do ar e considere g = 10 m/s 2. Orientando-se a trajetória para baixo e adotando-se a origem dos espaços no ponto de lançamento: a) escreva as equações horárias do movimento; b) determine o instante em que a pedra toca o solo; c) determine o módulo da velocidade dela ao tocar o solo. Solução a) Com os dados do enunciado, escrevem-se facilmente as equações horárias: v = 3,0 + 10t s = 3,0t + 5t 2

b) Quando a pedra toca o solo, s = 81 m. Logo, 81 = 3,0t + 5,0t 2 t = 3,0 ± 32 + 4. 5,0. 81 2. 5 t 3,7 s c) Se ela leva 3,7 s para cair, substituímos este valor na expressão da velocidade: v = 3,0 + 10. 3,7 = 40 v = 40 m/s

Exemplo 50: Um helicóptero desce verticalmente em movimento uniforme com velocidade de 25 km/h. Quando se encontrava a uma altura H do solo, escapou da sua estrutura uma porca de aço. Em 5,0 s ela chegou ao solo. Sendo g = 10 m/s 2 e sendo desprezível a resistência do ar, determine a altura H. Solução Ao se desprender da estrutura do helicóptero, a porca tem a mesma velocidade dele. v 0 = 25 km h = 125 18 m s Orientemos a trajetória para baixo e tomemos como origem o local em que a porca se solta. Assim, a equação horária do Espaço fica:

s = v 0 t + 1 2 gt2 s = 125 18 t + 5t2 Para t = 5,0 s, temos s = H. Logo, 2. Lançamento Vertical para Cima H = 125 18. 5,0 + 5,0. (5,0)2 H 160 m Ao lançarmos um corpo verticalmente para cima, no vácuo ou num local onde a resistência do ar seja desprezível, verificamos que:

a) Durante a subida, o movimento é retardado (a velocidade e a aceleração têm sinais opostos); no pico da trajetória, a velocidade é nula. b) Durante a descida, o movimento é acelerado (a velocidade e a aceleração têm o mesmo sinal); o movimento de descida é iniciado em queda livre (velocidade zero).

2.1 Equacionamento e Discussão dos Sinais de v e α O passo inicial é orientar a trajetória conforme a Figura 4 abaixo. Adotemos o solo como origem dos espaços. Pelo desenho, percebe-se que, com a orientação adotada, a velocidade inicial (v 0 ) será positiva.

Durante a subida, a velocidade escalar será positiva. Como a aceleração da gravidade está orientada para baixo (negativa), corrobora-se a afirmação de que este movimento é retardado. Na descida, a velocidade muda de sinal, passando a ser negativa, assim como a aceleração. Sendo assim, verificamos que, de fato, durante a descida, o movimento é acelerado, pois a velocidade e a aceleração têm sinais iguais (ambas negativas).

Nos movimentos verticais livres, sabemos que a aceleração do corpo tem módulo igual ao da gravidade local (g). Assim, com a trajetória orientada para cima, a aceleração escalar é negativa tanto na subida como na descida e vale: α = g

Obviamente, o movimento é uniformemente variado e as equações horárias correspondentes são: s = s 0 + v 0 t + 1 2 αt2 v = v 0 + αt Vamos chamar o espaço de h, pois ele representa a altura instantânea do corpo. Também vamos chamar α de g. E finalmente obtemos: h = h 0 + v 0 t 1 2 gt2 v = v 0 gt A equação de Torricelli também pode ser usada: v 2 = v 0 2 + 2α. Δs

Adaptando a equação acima para o caso do movimento vertical, obtemos: v 2 = v 0 2 2g. Δh

Pela Figura anterior, observamos que no pico da trajetória: a) α = g (a aceleração escalar não é nula); b) v = 0 (a velocidade escalar é nula); c) A altura do móvel é máxima. Denotaremos essa altura por H: h = H 2.2 Propriedades do Lançamento Vertical para Cima 1ª ) Por um ponto P de altura h < H, o móvel passa duas vezes: uma subindo, com velocidade v s, e outra descendo, com velocidade v d. Essas duas velocidades são iguais em módulo e têm sinais contrários: v s = v d

2ª ) O intervalo de tempo decorrido na subida é igual ao intervalo de tempo decorrido na descida, até o ponto de onde foi lançado. Dessa forma, se o corpo foi lançado a partir de uma altura h 0 e demorou um tempo Δt s para atingir o pico, ele levará um tempo Δt d para voltar ao ponto de lançamento, ou seja, à altura h 0. Dessa forma, t s = t d 2.3 Gráficos do Movimento Vertical no Vácuo 2.3.1 Queda Livre Num movimento de queda livre, com a trajetória orientada para baixo, as equações horárias são:

Portanto, neste movimento, α = g (constante positiva). 2.3.2 Lançamento para Cima No movimento vertical para cima, com a trajetória orientada positivamente para cima e origem no solo, as equações horárias são:

h = h 0 + v 0 t 1 2 gt2 v = v 0 gt α = g (constante negativa)

Exemplo 51: Uma partícula é lançada verticalmente para cima a partir do solo, com velocidade inicial de módulo v 0. A aceleração da gravidade local tem módulo g e a resistência do ar é desprezível. Considere a trajetória orientada para cima. Calcule: a) o tempo de subida (t sub ); b) a altura máxima atingida (H). Solução Tomemos a origem dos espaços no solo. a) Como sabemos, a equação horária da velocidade escalar é: v = v 0 gt

No pico da trajetória, v = 0. Logo: 0 = v 0 gt sub t sub = v 0 g Essa expressão pode ser utilizada diretamente em questões de concursos que envolvam a situação do enunciado. Assim, economiza-se tempo. b) A equação de Torricelli para esse movimento fica: v 2 = v 0 2 2g. Δh

No pico da trajetória, v = 0 e Δh = H. Assim: 0 2 = v 0 2 2gH H = v 0 2 2g Essa expressão também pode ser usada diretamente em questões que tratem da situação do enunciado e peçam a altura máxima atingida. Da mesma forma, economiza-se tempo fazendo isso. Exemplo 52: No vácuo, próximo à superfície terrestre, lança-se verticalmente para cima um corpo com velocidade escalar de módulo 35 m/s. Considere a aceleração da gravidade g = 10 m/s 2. Se o corpo foi lançado do solo, determine: a) o tempo de subida (t s ); b) a altura máxima (H).

Solução Orientando a trajetória para cima e tomando a origem dos espaços no solo, as equações horárias são: h = h 0 + v 0 t 1 2 gt2 v = v 0 gt Sendo h 0 = 0, v 0 = 35 m/s e g = 10 m/s 2, vem: 1 h = 35t 5,0t 2 (SI) 2 v = v 0 10t (SI)

a) A velocidade é nula no pico da trajetória. Logo: 0 = 35 10t t s = 3,5 s b) Para calcular a altura máxima H, substituímos o tempo encontrado na equação (1): h = 35. 3,5 5,0. (3,5) 2 h = 61,25 m Obs: poderíamos ter utilizado diretamente as fórmulas encontradas no exercício anterior para calcular o tempo de subida e a altura máxima.

Exemplo 53: Do topo de um edifício, atira-se uma pedra verticalmente para cima com velocidade de 20 m/s. A posição de lançamento está a uma altura de 60 m do solo. Considere g = 10 m/s 2. Despreze os efeitos do ar. a) Determine os instantes em que a pedra passa por um ponto situado a 75 m do solo. b) Determine as respectivas velocidades escalares ao passar pelo ponto anterior. c) Determine o instante em que a pedra toca o solo. Solução Vamos orientar a trajetória para cima e adotar o solo como origem dos espaços. As equações horárias são: h = h 0 + v 0 t 1 2 gt2 v = v 0 gt

Com os dados do enunciado, essas equações ficam: 1 h = 60 + 20t 5,0 t 2 2 v = 20 10t Ressalta-se que essas duas equações cobrem tanto o movimento de subida como o de descida da pedra. a) h = 60 + 20t 5,0t 2 75 = 60 + 20t 5,0t 2 5,0t 2 20t + 15 = 0 Essa equação do 2º grau equivale a: t 2 4,0t + 3,0 = 0 Daí, tiramos: t 1 = 1,0 s t 2 = 3,0 s (quando estiver subindo) (quando estiver descendo)

b) Consequentemente, as velocidades escalares nos instantes pedidos são: v 1 = 20 10. t 1 = 20 10. 1,0 = 10 v 1 = 10 m/s v 2 = 20 10. t 2 = 20 10. 3,0 = 10 v 2 = 10 m/s c) Ao tocar o solo, h = 0. Logo, 0 = 60 + 20t 5,0t 2 5,0t 2 20t 60 = 0 Simplificando a equação: 1,0t 2 4,0t 12 = 0 t = +4,0 ± (4,0)2 4. 1,0. ( 12) 2. (1,0) = +4,0 ± 8,0 2,0

Interessa-nos somente o valor positivo de t, que é: t = 6,0 s Exemplo 54: (FUVEST-SP) A figura representa o gráfico espaço-tempo do movimento de um corpo lançado verticalmente para cima com velocidade inicial v 0 na superfície de um planeta. a) Qual é o valor da aceleração da gravidade na superfície do planeta? b) Qual é o valor da velocidade inicial v 0?

Solução A equação horária de espaço do móvel é: h = h 0 + v 0 t 1 2 gt2

Do gráfico, tiramos os seguintes valores: t = 0 h 0 = 0 t = 1s h 1 = 5m t = 2s h 2 = 8m Substituímos esses valores na equação horária do espaço: 5 = 0 + v 0. 1 1 g. 12 2 10 + 2v 0 = g (1) 8 = 0 + v 0. 2 1 g. 22 2 4 = v 0 g (2)

As equações (1) e (2) formam um sistema de duas equações e duas incógnitas (v 0 e g): 10 + 2v 0 = g 4 = v 0 g A solução desse sistema é: v 0 = 6 m/s g = 2 m/s 2

UNIDADE 6 DIAGRAMAS HORÁRIOS

1. Introdução No sistema de eixos cartesianos xoy da figura abaixo, está representada uma reta (r) de equação y = b + mx, onde b e m são números reais e m 0. O parâmetro m é denominado coeficiente angular da reta, enquanto b chama-se coeficiente linear.

O valor de m é a tangente trigonométrica do ângulo θ que mede a sua declividade em relação ao eixo das abscissas (x). m tg θ 2. Determinação Gráfica da Velocidade Escalar Média Consideremos o diagrama horário de espaço da figura abaixo, que descreve o movimento de uma partícula, e dois instantes, t 1 e t 2.

A velocidade escalar média da partícula é definida como o quociente entre a variação do espaço (Δs) e o intervalo de tempo (Δt). ou v m = Δs Δt Observemos, na figura abaixo, que foi traçado um segmento de reta do ponto P 1 ao ponto P 2, cujo ângulo com o eixo do tempo é igual a θ.

Da figura, tiramos: tg θ = Δs Δt Comparando-se com a definição de velocidade escalar média, concluímos: v m = tg θ Portanto, a velocidade escalar média é igual ao coeficiente angular da reta P 1 P 2. 3. Determinação Gráfica da Velocidade Escalar Instantânea Consideremos uma partícula em movimento numa trajetória qualquer, em relação a um dado sistema de referência. O diagrama horário dessa partícula é mostrado na figura a seguir.

Tomemos uma sequência de intervalos de tempo (Δt 1, Δt 2, Δt 3,...), em que cada intervalo seja menor que o seu antecedente (Δt 1 > Δt 2 > Δt 3...). Lembremos, também, que o coeficiente angular de cada uma das retas secantes ao gráfico (P 0 P 1, P 0 P 2, P 0 P 3,...) é a medida das velocidades escalares médias (v m1, v m2, v m3,...), nos respectivos intervalos de tempo (Δt 1, Δt 2, Δt 3,...). À medida que esses intervalos de tempo vão diminuindo, os pontos P 1, P 2, P 3,... aproximam-se de P 0 e as retas (P 0 P 1, P 0 P 2, P 0 P 3,...) tendem à tangente que passa por ele (P 0 ). Sabemos, da Unidade 2, que a velocidade escalar instantânea é definida pelo limite do quociente entre a variação do espaço Δs e o intervalo de tempo Δt quando este tende a zero: v = lim Δt 0 Δs Δt

Podemos concluir, portanto, que a velocidade escalar instantânea, no instante t 0, pode ser medida pelo coeficiente angular (tg θ) da reta tangente no ponto P 0. v = tg θ (para t = t 0 ) Observemos que o limite acima apresentado é o valor da derivada do espaço em relação ao tempo no instante t 0. Concluímos, portanto, que o valor da derivada de uma função em relação ao tempo num determinado instante também pode ser dada pelo valor do coeficiente angular da reta tangente ao gráfico da função no instante considerado.

3.1. Casos Particulares No movimento uniforme, o gráfico do espaço em função do tempo é retilíneo. Nesse caso, a velocidade escalar é constante e qualquer reta tangente ao gráfico que fosse traçada coincidiria com o próprio gráfico. Sendo assim, no movimento uniforme, determinamos a velocidade escalar calculando o coeficiente angular da reta. v = tg θ

No primeiro caso, a velocidade escalar é positiva e, no segundo, negativa.

Pela figura anterior, temos: v = tg θ = a b para v > 0 e v = tg θ = a b (para v < 0) 4. Aceleração Escalar 4.1. Caso Geral De forma análoga ao caso anterior, calculam-se as acelerações escalares média e instantânea usando, respectivamente, retas tangentes e secantes ao gráfico da velocidade escalar em função do tempo.

Na figura 18(a), calcula-se a aceleração escalar média entre os instantes t 1 e t 2 encontrando-se o coeficiente angular da reta secante ao gráfico que passa pelos pontos P 1 e P 2.

Na figura 18(b), calcula-se a aceleração escalar instantânea no instante t 0 encontrando-se o coeficiente angular da reta tangente ao gráfico que passa pelo ponto P 0. 4.2. Casos Particulares No movimento uniformemente variado, o diagrama horário da velocidade escalar é uma reta. Dessa forma, o processo de determinação da aceleração escalar torna-se simples: basta calcular o coeficiente angular da reta da velocidade em função do tempo.

Na figura da esquerda, a velocidade escalar é crescente e a aceleração angular é positiva. v = tg θ

Na figura da direita, a velocidade escalar é decrescente e a aceleração escalar é negativa. v = tg θ = tg β Mais uma vez, o problema se resume ao cálculo de uma derivada: a derivada da velocidade em relação ao tempo em determinado instante.

5. Resumo Neste ponto, é muito importante que se tenha em mente o processo global do cálculo de derivadas. Portanto: 1) a partir do gráfico do espaço, calculamos a velocidade escalar usando a tangente; 2) a partir do gráfico da velocidade escalar, calculamos a aceleração escalar usando a tangente.

Exemplo 55: A figura mostra o diagrama horário da velocidade escalar de um móvel. Determine: a) a aceleração escalar do móvel; b) a velocidade escalar no instante t = 5,0 s

Solução a) A aceleração escalar é a derivada da velocidade escalar em relação ao tempo. Logo, pode ser calculada a partir da declividade da reta da velocidade: a = tg θ a = 8,0 (3,0 1,0) a = 4,0 m/s 2 b) A equação horária da velocidade escalar é: v = v 0 + at Com os dados do gráfico e a aceleração escalar encontrada, fazemos: v = 4,0 + 4,0. 5,0 v = 16 m/s

Exemplo 56: A função horária do espaço de um ponto material está representada no diagrama cartesiano abaixo. Determine: a) a velocidade escalar do móvel; b) o espaço no instante t = 8,0 s.

Solução a) A velocidade escalar é a derivada do espaço em relação ao tempo. Portanto, equivale à tangente do ângulo θ que a reta faz com o eixo do tempo. tg θ = 0 49 7,0 0 = 7,0 m s v = 7,0 m s

b) A equação horária do espaço para a situação dada é: s = s 0 + vt s = 49 7,0. 8,0 = 7,0 s = 7,0 m 6. Cálculo da Variação de Espaço a Partir do Diagrama Horário da Velocidade 6.1. Movimento Uniforme Consideremos um movimento uniforme (MU) cujo diagrama horário da velocidade escalar está mostrado na figura abaixo.

Já sabemos que entre dois instantes t 1 e t 2, a variação de espaço é: No retângulo hachurado da Figura 21, percebemos que a sua base corresponde à variação do tempo Δt e que a sua altura corresponde à velocidade v. Portanto, o produto v. Δt representa a área do retângulo hachurado.

6.2. Movimento Uniformemente Variado A figura abaixo representa o diagrama horário da velocidade escalar de um MUV. Entre os instantes t 1 e t 2, a velocidade escalar média é dada por Δs / Δt. Assim: v m = Δs Δt Δs = v m. Δt (1)

Já vimos que uma propriedade do MUV é: v m = v 1 + v 2 2 (2) Substituindo-se (2) em (1), vem: Δs = v 1 + v 2 2. Δt (3) Observando o trapézio hachurado da Figura 13, observamos que: v 1 representa a sua base menor; v 2 representa a sua base maior; Δt representa a sua altura.

Recordando, da geometria, a fórmula da área de um trapézio, concluímos facilmente, a partir de (3), que: 7. Cálculo da Variação da Velocidade Escalar a Partir do Diagrama Horário da Aceleração O gráfico a seguir refere-se a um movimento uniformemente variado, em que a aceleração escalar é constante.

A definição de velocidade escalar, no MUV, é a = Δv Δt Assim, podemos escrever: Δv = a. Δt No retângulo hachurado, a medida da base é Δt e medida da altura é a. Daí concluímos que a variação da velocidade no intervalo de tempo de t 1 a t 2 é dada pela área do retângulo hachurado.

Essa observação vale para os casos mais gerais, como o da figura abaixo. 8. Resumo 1) A partir do diagrama horário da velocidade escalar, calcula-se a variação de espaço pela área sob o gráfico. 2) A partir do diagrama horário da aceleração escalar, calcula-se a variação de velocidade escalar pela área sob o gráfico.

Exemplo 57: A velocidade escalar de um móvel ao percorrer uma trajetória retilínea variou com o tempo, segundo o gráfico abaixo. Determine a variação de espaço entre os instantes t 0 = 0 e t 1 = 3,0 s.

Solução A variação de espaço entre os instantes t = 0 e t = 3,0 s é dada pela área A do gráfico acima. Assim: Δs = 4,0 + 2,0 2. 3,0 Δs = 9,0 m