Vetores e movimento em duas dimensões Posição e deslocamento A trajetória é o caminho percorrido por um objeto (planeta , cometa, foguete, carro..). Qualquer ponto da trajetória pode ser descrito pelo vetor posição que denotamos por r(t). O deslocamento r entre os pontos rP e rQ é dado por r = rQ – rP Note que r não depende da origem Posição e deslocamento O vetor posição em 2-D fica definido em termos das suas coordenadas cartesianas por r(t) = x(t)i + y(t)j No caso espacial, 3-D, temos r(t) = x(t)i + y(t)j + z(t)k Velocidade e aceleração Similar ao caso de 1-D, a velocidade média é r (t t ) r (t ) r x y vm i j t t t t A velocidade instantânea é v lim t 0 r (t t ) r (t ) dr t dt ou em termos de componentes d r (t ) dx dy v i j dt dt dt ou v vx i v y j Velocidade e aceleração Similar ao caso de 1-D, a aceleração média é v y v (t t ) v (t ) v v x am i j t t t t A aceleração instantânea é em termos de componentes v (t t ) v (t ) dv t 0 t dt a lim dv d 2 r (t ) a dt dt 2 dv y d v (t ) dv x a i j dt dt dt ou a ax i a y j Componentes da aceleração Componentes cartesianas Componentes tangencial e perpendicular O problema inverso Conhecida a aceleração, podemos integrá-la e a (t ) t obter a velocidade, que se integrada v (t ) v0 a (t ) dt t0 t nos fornece a posição r (t ) r0 v (t ) dt t0 Este processo deve ser efetuado para cada componente cartesiana do vetor considerado Aceleração constante • Aceleração constante movimento no plano: plano formado pela velocidade inicial e pelo vetor aceleração. • Movimento fora do plano não é possível. • A gravidade é um bom exemplo. • Como ax e ay são constantes dois problemas unidimensionais independentes. Aceleração constante componente x de r componente x de v componente y de r componente y de v em t =0 1 2 x x0 v0 x t a x t 2 v x v0 x a x t 1 2 y y0 v0 y t a y t 2 v y v0 y a y t r0 x0 i y0 j v0 v0 x i v0 y j Aceleração da gravidade Nesse caso ay = -g e ax=0. Na direção x, vx é constante! componente x de r componente x de v (constante) componente y de r componente y de v em t =0 x x0 v0 x t v x v0 x 1 2 y y0 v0 y t gt 2 v y v0 y gt r0 x0 i y0 j v0 v0 x i v0 y j Aceleração da gravidade Se tomamos x0 = y0 = 0 (saindo da origem) de x = v0x t temos t = x/v0x substituindo na equação para y encontramos a equação da trajetória y v0 y v0 x 1 g 2 x x 2 2 v0 x Equação de uma parábola! Foto estroboscópica do movimento parabólico Aceleração da gravidade A coordenada y é independente da velocidade vx. Isto é ilustrado na figura ao lado onde duas bolas são jogadas sob ação da gravidade. A vermelha é solta e a amarela tem velocidade inicial vx. Em cada instante elas têm a mesma altura!! Aceleração da gravidade Ex.: Bola sai do penhasco com v = 10 m/s na horizontal Descreva o movimento. A velocidade é vx = 10 m/s vy = (-9.8 m/s2) t A posição é x = (10 m/s) t y = (-4.9 m/s2) t2 Aceleração da gravidade Vetores r, v e a para t = 1s e t = 2s. Enquanto a é constante r e v variam com o tempo. Como varia o ângulo dos vetores r e v? vetor r: tan = y/x = (-0.49 s-1)t vetor v: tan ’ = vy/vx = (-0.98 s-1)t Alcance Tempo para atingir altura máxima h. v0 y v0 sin 0 th g g Alcance Tempo para atingir altura máxima h. v0 y v0 sin 0 th g g 1 2 v0 sin 0 h v0 sin 0t h gt h 2 2g 2 O alcance R acontece em t = 2 th: 2v0 sin 0 R v0 x 2t h v0 cos 0 sin 2 0 g g v2 0 Alcance Alcance máximo R v 2 0 g sin 2 0 Para um valor fixo do módulo da velocidade inicial o alcance máximo acontece para 20 / 2 ou seja 0 450 Rmax v 20 g Exemplo Bola sobre a mesa cai de altura H = 80 cm com velocidade inicial v0 = 2.1 m/s. Qual a distância D onde ela atinge o piso? A altura H é dada por 1 2 2H H gt H , t H 2 g A vel. horizontal se mantém constante D v0t H v0 2H g 2 0.80m D 2.1m / s 85 cm 2 9.8m / s Exemplo Canhão atira bolas com vel. v0 portanto seu raio máximo é Rmax =v02/g. Mostre que para atirar em um alvo com menor distância existem dois ângulos 0 possíveis. v0 = 100 m/s, D = 800m gR R sin 2 0 2 v Rmax 0 Usando os dados numéricos temos Rmax = 1019 m 800 sin 2 0 0.785 1019 2 01 520 , 2 02 1280 ou 01 260 , 01 640 Movimento circular e uniforme Este movimento tem velocidade com módulo constante porém sua direção muda continuamente Exemplos: Movimento de satélites artificiais. Pontos em um disco de vitrola. Disco rígido de computador. Nós como partículas girando com o movimento da terra. Movimento circular e uniforme Usamos coordenadas polares ( , ) Daí, o arco fica onde s R R ; fixo Como o raio é constante, a única variável é Movimento circular e uniforme Como o raio é constante, a única variável é . A posição angular é uma função do tempo, (t ) . O arco descrito em t é dado por s R . Então, ds d vR dt dt Definimos assim a velocidade angular ds v R dt d dt Movimento circular e uniforme Uma volta completa 2 R vT Período do movimento 2 R 2 T v Frequência Velocidade angular e frequência 1 f T Unidades T s 2 f 1 f s 1 Hz T Interpretação da velocidade angular ω O modulo da velocidade v R δφ O vetor associado vem de um produto vetorial ω v R v ω R Movimento circular e uniforme r v r v v v r Aceleração média t r t No limite t 0 v v r a lim lim t 0 t r t 0 t Aceleração instantânea v2 a r 2 r Movimento circular e uniforme Aqui podemos também usar um vetor unitário (note que este vetor varia com o movimento) r rˆ r A aceleração cujo módulo vimos, fica: 2 v a rˆ r Tem direção do vetor posição e aponta para o centro do movimento. Está é a aceleração centrípeta. Movimento circular e uniforme Exemplo: Peão roda uniformemente com 16 Hz. Qual é a aceleração centrípeta de um ponto no raio do peão em R = 3 cm Velocidade angular é 2 f 2 rad(16 Hz ) 101rad/s Daí a aceleração fica a r 303 cm s 2 2 Movimento helicoidal Exemplo de movimento tridimensional: considere uma partícula cuja posição varia como r (t ) R cos t i R sin t j v z t k R, e v z constantes. A velocidade v (t ) R sin t i R cos t j v z k A aceleração a (t ) R cos t i R sin t j 2 2 Movimento helicoidal No plano xy a partícula tem x(t ) R cos t O módulo da velocidade v xy (t ) v xy (t ) R y (t ) R sin t Movimento periódico onde T 2 / A aceleração a xy (t ) 2 rxy (t ) O módulo a xy (t ) R 2 Movimento helicoidal Podemos compor este movimento no plano com o movimento em z. Note que a partícula anda uma altura h em um período do movimento no plano h v zT 2 v z / A cada período T a partícula se desloca de h no plano z descrevendo um movimento helicoidal! Movimento circular acelerado Consideremos agora o caso em que a velocidade angular não é constante. Então, ds d v(t ) R dt dt é o módulo da velocidade que também varia no tempo e a velocidade angular é dada por d (t ) const. dt Movimento circular acelerado Como o módulo da velocidade também varia há uma componente tangencial da aceleração dada por dv(t ) d (t ) R R (t ) dt dt onde (t ) é a aceleração angular d (t ) (t ) dt Movimento circular acelerado A aceleração do corpo é dada por v N (t ) v (t ) vT (t ) lim lim lim t 0 t t 0 t 0 t t v (t t ) R v N dv (t ) a (t ) a N (t ) aT (t ) dt v v (t ) vT Movimento circular acelerado Aceleração total; soma de uma componente tangencial e uma normal dv (t ) a (t ) a N (t ) aT (t ) dt ou ainda v a (t ) R v r ˆ ˆ R a (t ) a N (t ) R v (t ) aT (t ) 2 T aN (t ) a (t ) a N2 (t ) aT2 (t ) Movimento circular acelerado Pelas definições da aceleração e velocidade angulares temos d (t ) (t ) (t ) 0 (t )dt dt t0 t d (t ) (t ) (t ) 0 (t )dt dt t0 t Movimento circular acelerado Quando a aceleração angular é constante temos o chamado movimento circular uniformemente acelerado d (t ) (t ) 0 (t t0 ) dt d (t ) 1 (t ) (t ) 0 0 (t t0 ) (t t0 ) 2 dt 2 e 2 02 2 ( 0 ) 2 Em perfeita analogia com movimento linear uniformemente acelerado! Exemplo Um disco possui uma aceleração angular de 2 rad/s2. Supondo que o disco inicie o seu movimento com velocidade angular nula, pede-se: a) a velocidade angular do disco depois que ele girou de 200, e b) o tempo gasto para ele atingir esta velocidade angular. 2 a) 2 2(2 ) / 9 rad / s (2 / 3) rad / s b) t t ( 2 / 3) / 2 s (1 / 3) s Movimento relativo • O movimento de um determinado objeto é conhecido em um dado sistema de coordenadas A • Conhecemos o movimento de um segundo sistema de coordenadas B com respeito ao primeiro • Desejamos conhecer o movimento do objeto em relação ao novo sistema de coordenadas Movimento relativo B r r rAB A r rAB rA r r Mas se são todas funções do tempo r (t ) r (t ) rAB (t ) rB r Movimento relativo v v Velocidade relativa dr drAB dr dt dt dt v v AB v vA v vB v v AB v AB v v Movimento relativo a a Aceleração relativa dv dv AB dv dt dt dt a a AB a aA a aB a a AB a AB a a Exemplo Um indivíduo deixa cair um objeto dentro de um elevador que sobe com velocidade de 1/2 m/s. Pede-se: a) A aceleração do objeto relativa ao elevador tão logo deixe a mão do 1/2 m/s indivíduo b) A velocidade do objeto com relação ao solo após 1/10 s. a) a a AB a ; a AB 0 g zˆ a a g 10m / s 2 zˆ A B zˆ xˆ b) v v AB v v v AB v0 a t v 0,5 m / s zˆ