Coltec/UFMG – Física – 1º Ano – 2015 1 Investigandoomovimentodeumparaquedista Introdução: A análise do movimento realizado por um paraquedista constitui uma excelente oportunidade para compreender como a mecânica newtoniana interpreta as características dos movimentos dos corpos, a partir das forças neles aplicadas. O salto de paraquedas é particularmente interessante, porque pode ser explicado pela atuação de duas forças contrárias que, juntas, produzem uma força resultante responsável pelas características do movimento do paraquedista. Na Parte I desta atividade, você receberá informações básicas sobre as características das forças que atuam em um paraquedista que salta de um avião. Com base nessas informações, você assistirá a um vídeo produzido pelo programa Discovery na Escola, do canal de TV por assinatura Discovery Channel. Este vídeo mostra as diversas fases do salto e apresenta dois tipos de informação: (i) setas que identificam a direção, o sentido e a intensidade das forças que atuam no paraquedista; (ii) as leituras de um velocímetro acoplado no pulso do paraquedista, que mede sua velocidade instantânea ao longo do tempo. O vídeo será exibido uma vez pelo professor, que fará comentários sobre o mesmo. Posteriormente, na Parte II desta atividade, você será convidado a identificar as diversas fases do movimento, esboçar um gráfico para mostrar como varia a velocidade do paraquedista ao longo do tempo e explicar as características do movimento a partir das forças que atuam sobre o paraquedista. Durante essa fase da atividade, o vídeo ficará sendo exibido em loop, de modo que você poderá consultar as informações nele contidas, quantas vezes julgar necessário. ParteI‐Identificaçãoecaracterizaçãodasforçasqueatuamnaquedadeumparaquedista A figura ao lado representa as duas forças que atuam durante a queda de um paraquedista, pouco tempo depois de ele ter saltado do avião, com o paraquedas inicialmente fechado. Uma das forças representadas na figura é a força gravitacional (FG) ou força peso, que é vertical, é dirigida para baixo e apresenta uma intensidade praticamente constante durante todo o movimento. A outra força é a força de resistência do ar (FR), que também é vertical, mas é dirigida para cima e apresenta uma intensidade que varia muito ao longo do movimento. Por essa razão, a situação mostrada na figura é apenas momentânea e o movimento real de um paraquedista apresenta várias e diferentes fases provocadas, justamente, pela variação da força de resistência do ar. Existem, basicamente, dois fatores que explicam a variação na intensidade da força gravitacional durante a queda de um paraquedista. Um desses fatores é a área de impacto com o ar, que varia dramaticamente quando o paraquedista pula com o paraquedas inicialmente fechado para abri-lo, posteriormente, durante a própria queda. Outro fator é a velocidade do paraquedista, que também varia durante a queda. Em termos simplificados, podemos afirmar que esses dois fatores estão relacionados à quantidade de ar que o paraquedista desloca, a cada instante de tempo. Para cair, o paraquedista age sobre o ar abaixo de si, deslocando-o enquanto cai. O ar, então, reage sobre o paraquedista, exercendo uma força vertical dirigida para cima, que é, justamente, a força de resistência do ar. Essa afirmação corresponde à aplicação da 3a Lei de Newton (Ação e Reação) na situação sob análise. Considerando que essa é a origem da força de resistência do ar, podemos explicar a influência de cada um dos fatores citados no parágrafo anterior sobre a intensidade dessa força. Se a área de impacto com o ar se torna maior (por exemplo, na situação em que o paraquedas inicialmente fechado é finalmente aberto), a quantidade de ar deslocado pelo paraquedista, a cada instante de tempo, também se torna maior. Por isso, podemos afirmar que quanto maior a área de impacto com o ar, maior é a intensidade da força de resistência do ar. Mas, um aumento na velocidade de queda do paraquedista também aumenta a quantidade de ar deslocado a cada segundo e, por conseguinte, aumentos de velocidade também aumentam a intensidade da força de resistência do ar. A explicação que acabamos de apresentar contém simplificações, mas, em essência, está correta, mas, a forma como a força de resistência do ar aumenta em função da elevação da velocidade é bastante complicada, dado que envolve fenômenos associados ao movimento de um fluido: o ar. Outro modo de explicar como a velocidade de queda do paraquedista afeta a força de resistência do ar, consiste, justamente, em colocar o referencial para o estudo do movimento junto ao paraquedista. Desde esse ponto de vista, é o ar e não o próprio paraquedista que se encontra em movimento. Assim, a força de resistência estaria associada a uma espécie de “vento”, que age exclusivamente no corpo do paraquedista. Quanto maior a velocidade desse “vento”, maior o valor da força que ele exerce sobre o paraquedista. Coltec/UFMG – Física – 1º Ano – 2015 2 ParteII‐Análisedomovimentodoparaquedista:forçasatuantesevelocidadeinstantânea Acompanhe os comentários feitos, por seu professor, ao longo do vídeo Physics of Skydiving.flv, que está disponível no endereço https://sites.google.com/site/1anofisicacoltecufmg/materiais-de-apoio-1/videosinteressantes/03--dinamica-newtoniana. Junte-se ao colega ao lado, assista ao vídeo novamente quantas vezes achar necessário e realize as seguintes ações: a) Identifique as diversas fases do movimento, que se distinguem em função do comportamento da velocidade instantânea, ao longo do tempo, bem como da intensidade da força resultante aplicada sobre o paraquedista. b) Faça um esboço mostrando como poderia ser um gráfico que mostre as variações da velocidade do paraquedista ao longo do tempo. c) Explique as características do movimento a partir do que ocorre com as forças que atuam sobre o paraquedista durante a queda. Para isso, utilize-se das leis de Newton. ParteIII‐Comparaçãodesuaanálisecomaanálisedeumespecialista Acesse na página https://sites.google.com/site/1anofisicacoltecufmg/materiais-de-apoio-1/slides-deapresentacoes/03--dinamica-newtoniana uma apresentação em slides que contém uma análise das forças que atuam no corpo do paraquedista mostrado no vídeo Physics of Skydiving.flv. Essa análise foi feita por um professor de Física e, portanto, pode ter sido estruturada de maneira diferente daquela que você realizou na Parte II desta atividade. Além disso, contém um gráfico de velocidade versus tempo que não é um simples esboço, pois, mostra os valores da velocidade instantânea do paraquedista durante o movimento. Compare a análise que você realizou com a análise contida nos slides. Aponte eventuais diferenças e faça uma crítica identificando possíveis limitações e problemas de ambas as análises.