Movimento em uma dimensão Curso de Física I Movimento em 1-D • Entender o movimento é uma das metas das leis físicas. • A Mecânica estuda o movimento e as suas causas. • A sua descrição e feita pela Cinemática. • As suas causas são descritas pela Dinâmica. • Iniciamos com o movimento em 1-D. O Paradoxo de Zenão Zenão de Eléia, o sofista (490/485 a.C – 430 a.C. ) propôs o movimento como impossibilidade lógica. Aquiles (A) em A, a tartaruga (T) está em B. Quando A chega em B a T está em C, reduzindo a distância sem jamais alcançá-la Para Zenão o tempo seria infinito. Isto é um erro! O tempo t é a soma t = T+T/2+T/4+T/8 +.. ou t = T+T( 1/2+1/4+1/8+..) que é t = 2T O deslocamento O deslocamento de um móvel em uma dimensão é a diferença entre as posições final, x2 ,e inicial , x1, entre os instantes t2 e t1, respectivamente. Exemplo: corrida de 100 metros. x = x2 - x1 deslocamento t = t2 – t1 intervalo de tempo Velocidade média Velocidade média de 0s até 5.01s: x2 x1 x vm t 2 t1 t vm = 40m / 5.01s = 8.0 m/s de 5.01s até 10.5s: vm = 60m / 5.49s = 10.9 m/s Em todo o intervalo, de 0s até 10.5s: vm = 100m / 10.5s = 9.5 m/s Apesar de útil em alguns casos, como esportes, a velocidade média é um conceito impreciso. Velocidade instantânea Velocidade média entre t0 e t0 t x(t ) x(t ) vm tan t x(t ) vm 0,6 m / s t t0 t 0 t t Velocidade instantânea Velocidade média entre t0 e t0 t x(t ) x(t ) vm tan t x(t ) t t0 t 0 t vm 0,7 m / s t Velocidade instantânea Velocidade média entre t0 e t0 t x(t ) x(t ) vm tan t x(t ) vm 1,1 m / s t t 0 t 0 t t Velocidade instantânea Velocidade média entre t0 e t0 t x(t ) x(t ) vm tan t x(t ) t t 0 t 0 t vm 1,2 m / s t Velocidade instantânea Velocidade média entre t0 e t0 t x(t ) x(t ) vm tan t t 0t 0 t vm 1,5 m / s t Velocidade instantânea Velocidade instantânea em t0 x(t ) dx(t ) tan t 0 t dt v(t ) lim x(t ) t0 v(t0 ) 1,5 m / s t Velocidade instantânea Conceito Derivada x dx t 0 t dt vt lim Exemplo: Na corrida, de 100 m, a velocidade em t = 2s é 90 m v( t 2s) 8 .0 m s 11.2s Geometricamente Tangente Velocidade instantânea A velocidade instantânea é a derivada da posição em relação ao tempo dx(t ) x(t t ) x(t ) lim t 0 dt t x(t t ) x(t ) t t Algumas derivadas importantes f (t ) a f (t ) b g (t ) a const. t n sin t cos t e t ln t df (t ) / dt a df (t ) / dt b dg (t ) / dt 0 nt n 1 cost sin t e t t 1 Velocidade instantânea Um caso particular; a posição é uma função linear do tempo x(t t ) x(t ) x(t ) a bt v(t ) b t x(t ) v(t ) t t t t t t O cálculo de x(t) a partir de v(t) Este é o problema inverso. Considere inicialmente o caso de velocidade constante. Então, x x0 v (t t0 ) Note que v( t - t0 ) é a área sob a curva da velocidade v em função do tempo. Este é um resultado geral como veremos a seguir. Para demonstrá-lo usaremos que para intervalos de tempo muito curtos podemos escrever x v (t ) t onde v(t) é a velocidade instantânea em t. O cálculo de x(t) a partir de v(t) Este resultado pode ser visto graficamente x(t ) x(t t ) x(t ) x x(t ) t dx t t 0 x dx v(t ) dt O cálculo de x(t) a partir de v(t) xi v(ti )t xi x(t ) x(t ) x(t0 ) x x(t ) x(t0 ) t0 ti t x i i v(t )t i i O cálculo de x(t) a partir de v(t) Se aplicada ao gráfico da velocidade em função do tempo, a relação anterior descreve a área sob a curva v(t ) t t0 t N x x0 v1 v2 vN t t t0 ti t v(t ) N x x0 vi t i 1 No limite N e t0 t x x0 vt dt t0 t0 t O cálculo de x(t) a partir de v(t) dx(t ) v(t ) dt t e x(t ) x0 v(t ) dt t0 A velocidade é obtida derivando-se a posição; geometricamente, calcula-se o coeficiente angular da reta tangente à função posição no ponto considerado. A posição é obtida pela anti-derivação , ou integração, da velocidade; geometricamente, calcula-se a área sob a curva da função velocidade. Algumas integrais importantes f (t ) a f (t ) b g (t ) a const. t n sin t cos t e t t 1 F (t ) a F (t ) b G(t ) at / n 1 cos t / sin t / t n 1 e / t ln | t | Aceleração média Aceleração média A corredora acelera uniformemente até 10 m/s em t = 4s. Mantem a velocidade nos próximos 4.7s e reduz a velocidade para 8m/s. v2 v1 v am t 2 t1 t de 0s até 4s: am = 10m/s / 4s = 2.5 m/s2 de 4s até 8s: am = 0m/s / 4s = 0 m/s2 de 8s até 12.7s: am = -2m/s / 4.7s = -0.42 m/s2 Aceleração instantânea Aceleração média entre t0 e t0 t v(t ) v(t ) am tan t v (t ) t t0 t 0 t t Aceleração instantânea Aceleração instantânea em t0 v(t ) v(t ) dv(t ) a(t ) lim tan t 0 t dt t0 t Aceleração instantânea A aceleração instantânea é a derivada da velocidade em relação tempo dv(t ) v(t t ) v(t ) lim t 0 dt t v(t t ) v(t ) t t Aceleração instantânea Conceito v dv a lim t 0 t dt Gráficos Derivada Segunda derivada Note que dv d dx d x a 2 dt dt dt dt 2 Exemplo: Na corrida de 100 m, a aceleração em t = 2s é a ( t 2s) 5.9 m s 2.2 m s 2 2.7s Aceleração constante Se a aceleração é constante vt vt0 a am t t0 Se t0 = 0 e v(t0) = v0, temos que a velocidade fica v v0 at Note que neste movimento a velocidade média é dada por x x0 v0 v vm t 2 Como x x0 vmt temos at 2 x x0 v0t 2 Jogo de Boliche Jogador joga bola com v0 = 2m/s e aceleração a = -0.2m/s2. Qual a distância percorrida pela bola até parar? x x0 usando v 2 v 20 2a temos 2 2 0 m s 2 m s x 0m 10m 2 2 0.2 m s e 2 2 0 m s 2 m s t 0.2 m s 2 10s Resumo, aceleração constante As equações de movimento para o caso de aceleração constante são: v v0 at 1 2 x x0 v0t at 2 v 2 v02 2a x x0 1 x x0 v0 v t 2 Aceleração da Gravidade Galileo, o primeiro físico moderno, estudou a queda dos corpos. Refutou Aristóteles. Usando experimentos mostrou que os corpos caem com a mesma velocidade e independente de sua massa. x ~ t2 , v ~ t ; consequências de uma aceleração constante! Aceleração da Gravidade Mas... devemos notar que há, em geral, outras forças atuando no corpo considerado, o que pode frustrar uma experiência se não formos suficientemente cuidadosos. a resistência do ar!! Corpos em queda livre Para cima diminuindo v Para baixo Bola para Bola jogada para cima v aumenta Resumo, aceleração constante As equações de movimento para o caso de aceleração da gravidade -g são (ao longo do eixo y): v v0 gt 1 2 y y0 v0t gt 2 v 2 v02 2 g y y0 1 y y0 v0 v t 2 Exemplo Um corpo cai livremente; calcule a sua posição e velocidade em t = 1.0, 2.0 e 3.0 s. y gt2 / 2 e v gt Em t = 1.0 y = - 4.9 m e v = -9.8m/s Continuando temos O cálculo de v(t) a partir de a(t) Este é novamente o problema inverso. Considere inicialmente o caso de aceleração constante. Então, v v0 a (t t0 ) Note que a( t - t0 ) é a área sob a curva da aceleração a em função do tempo. Este também é um resultado geral como veremos a seguir. Para demonstrá-lo usaremos que para intervalos de tempo muito curtos podemos escrever v a(t ) t onde a(t) é a aceleração instantânea em t. O cálculo de v(t) a partir de a(t) Este resultado pode ser visto graficamente v(t ) v(t t ) v(t ) v v(t ) t dv t t 0 v dv a(t ) dt O cálculo de v(t) a partir de a(t) vi a (ti )t vi a(t ) v v(t ) v(t0 ) t0 ti t v(t ) v(t0 ) v i i a(t )t i i O cálculo de v(t) a partir de a(t) Se aplicada ao gráfico da aceleração em função do tempo, a relação anterior descreve a área sob a curva a(t ) t t0 t N v v0 a1 a2 aN t N v v0 ai t i 1 No limite N e t0 t t0 t t0 t a(t ) t v v0 at dt t0 O cálculo de v(t) a partir de a(t) dv(t ) a(t ) dt t e v(t ) v0 a(t ) dt t0 A aceleração é obtida derivando-se a velocidade; geometricamente, calcula-se o coeficiente angular da reta tangente à função velocidade no ponto considerado. A velocidade é obtida pela anti-derivação , ou integração, da aceleração; geometricamente, calculase a área sob a curva da função aceleração.