MOVIMENTO DE ROTAÇÃO Corpo rígido Movimentos de um corpo rígido Movimento de rotação de um corpo rígido Momento da força Energia cinética rotacional Momento de inércia Momento angular de uma partícula Momento angular de N partículas Momento angular do corpo rígido Conservação do momento angular Momento angular variável Rolamento de um corpo rígido Tabela de equivalências 1 CORPO RÍGIDO São corpos cuja dimensões não são desprezáveis Um corpo é rígido quando a distância entre duas partículas quaisquer do corpo é constante O Corpo rígido conserva a sua forma durante o seu movimento 2 MOVIMENTOS DE UM CORPO RÍGIDO 1º - O movimento de translação quando todos os pontos percorrem trajetórias paralelas No movimento de translação do corpo rígido, todas as partículas sofrem o mesmo deslocamento durante o mesmo intervalo de tempo, de modo que todas possuem, em qualquer instante, a mesma velocidade e aceleração. 3 2º - O movimento de rotação quando todos os pontos percorrem trajetórias circulares Movimento rotacional puro 4 3º - Combinação do movimento de rotação e de translação Movimento translacional + rotacional 5 MOVIMENTO DE ROTAÇÃO DE UM CORPO RÍGIDO Estudaremos a rotação de um corpo rígido em torno de um eixo fixo O eixo fixo é denominado eixo de rotação z y x é a posição angular do corpo rígido 66 Exemplos de movimento de rotação 7 MOMENTO DA FORÇA ( ou TORQUE) O momento da força é responsável pelo movimento de rotação como o movimento que se faz com as mãos para desarrolhar a tampa de uma garrafa de refrigerante quando abrimos ou fechamos uma porta 8 O sentido da rotação é dado pela regra da mão direita Na regra da mão direita, o polegar aponta para a direção do momento da força e, enquanto os demais dedos devem apontar para o sentido da rotação z positivo negativo 9 PRODUTO VETORIAL (revisão) A B B A 10 MOMENTO DA FORÇA ( ou TORQUE) Quando empurramos uma porta, estamos aplicando uma força sobre a porta como consequência a porta vai girar em torno dum eixo fixo que passa pelas dobradiças. A tendência da força de rodar o corpo em torno de um eixo é medida por uma grandeza vetorial denominada momento da força (ou torque) r O momento da força é a causa dos movimentos rotacionais É análogo a força que causa variações no movimento translacional Definimos o momento da força por M rF O módulo do momento da força é M F M rF sin Corresponde ao produto da distância até o ponto de aplicação da força e a componente perpendicular da força. r 11 APLICAÇÃO DUMA FORÇA EM PONTOS DIFERENTES NUMA PORTA Quando fechar uma porta, experimente fechá-la, empurrando-a no centro da porta (Figura a) e depois, aplicando a mesma força, empurre a porta na extremidade (Figura b). M rF sin A porta é fechada mais facilmente quando a força é aplicada na extremidade da porta 12 O que é uma alavanca? É uma barra rígida apoiada (ponto de apoio O) utilizada para facilitar o deslocamento de um corpo pesado. A distância do ponto de apoio O, por onde passa o eixo de rotação, à linha de acção da força F, é denominada braço de alavanca, (L) Arquimedes disse: “Dê-me uma alavanca que moverei o mundo” M rF sin M (r sin ) F LF 13 ENERGIA CINÉTICA ROTACIONAL Suponhamos um corpo rígido que gira ao redor de um eixo z Cada partícula de massa mi do corpo rígido descreve uma trajectória circular de raio ri com velocidade tangencial v i Energia cinética de uma partícula do corpo rígido 1 K i mi vi2 2 Relação entre a velocidade tangencial e velocidade angular vi ri Substituindo em Ki Ki 1 1 mi 2 ri 2 mi ri 2 2 2 2 Energia cinética total 1 K total mi ri 2 2 2 i Unidade: joule (J) Não é uma nova forma de energia. A forma é diferente porque é aplicada a um corpo em rotação 14 MOMENTO DE INÉRCIA 1 K R I 2 2 I mi ri 2 onde é o momento de inércia i Unidade: kg m 2 O momento de inércia representa uma resistência ao movimento de rotação No movimento rotacional o momento de inércia exerce o mesmo papel que a massa no movimento translacional Podemos reescrever a expressão do momento de inércia em termos de dm lim 2 2 I mi r m r 0 i i dm i 15 MOMENTO DE INÉRCIA DE ALGUNS CORPOS RÍGIDOS 16 MOMENTO ANGULAR Vimos anteriormente, que as variáveis angulares de um corpo rígido girando em torno de um eixo fixo (eixo z) têm sempre correspondentes lineares: M F a I m Vamos definir mais uma grandeza angular que nos será extremamente útil: o momento angular Ampliaremos a definição de momento de uma força para aplicá-la a uma partícula, que se move em uma trajetória qualquer, em relação a um ponto fixo (em vez de um eixo). O momento de uma força F M F r , que age sobre a partícula, em relação ao ponto O é : M rF zˆ O yˆ xˆ 17 O MOMENTO ANGULAR Definimos o momento angular L r p L de uma partícula com momento linear é o momento angular instantâneo L p . em relação à origem O L r p m p r Note que a partícula não precisa estar girando em torno de O para ter momento angular em relação a este ponto a rotação não é necessária para o momento angular 18 Mostraremos agora que o movimento rotacional tem uma lei de movimento semelhante à segunda lei de newton: Derivando o momento angular L em relação ao tempo: dL d dr dp (r p) p r dt dt dt dt como ou f dp dt dL M dt =0 dL r f M dt análogo à segunda lei de Newton f dp dt 19 O MOMENTO ANGULAR DE N PARTÍCULAS Para um sistema de N partículas, o momento angular é a soma vetorial dos momentos angulares de cada partícula em relação ao mesmo ponto fixo O L Li ri pi mi ri vi i i i zˆ p N mN v N Lembrando que a posição do CM é mi ri e podemos escrever: R i i mi mi R mi ri i ri ri R i rN o mi ri mi r mi R i i i r2 R r2 CM yˆ r1 p1 m1v1 xˆ i mi ri ' 0 mi vi pi 0 i p2 m2v2 i 20 Se vi viV onde V é a velocidade do CM: L mi (ri R) ( vi V ) mi (ri vi ) i i R mi vi mi ri V mi R V i i i =0 =0 =M L L R P Ou seja, o momento angular de um sistema de partículas é a soma do momento angular em relação ao CM com o momento angular do CM. Note que o momento linear interno de um sistema de partículas se anula. 21 O MOMENTO ANGULAR DE UM CORPO RÍGIDO Suponhamos um corpo rígido que gira ao redor de um eixo z Lembrando que L r p O momento angular total do corpo rígido será L m v r i i i i como vi ri obtemos L 2 m ( r ) r ( m r i i i i i ) i e I i 2 m r ii é o momento de inércia e o momento angular pode ser escrito como que é análogo à p mv L I O momento de inércia representa uma resistência ao movimento de rotação 22 A relação dL M dt Também é válida para um corpo rígido, em rotação em torno de um ponto O. A soma dos momentos das forças internos são nulos M corresponde à um momento da força externo resultante 23 CONSERVAÇÃO DO MOMENTO ANGULAR Quando dL M r f 0 L constante dt Isto acontece em três situações: i) f 0 ii) r 0 iii) quando a força é colinear com o vetor posição 24 Para os casos i) f 0 ii) r 0 ou L constante M 0 Li L f Análogo ao que acontece com o momento linear : pi p f 25 CONSERVAÇÃO DO MOMENTO ANGULAR Exemplo 1 Li L f I mR 2 L I Quando a bailarina faz pirueta o momento de inércia I diminui a velocidade angular aumenta L I cte. Iii I f f 26 iii) quando a força é colinear com o vetor posição teremos também M 0 FORÇAS CENTRAIS, que são forças da forma F (r ) f (r ) u Neste caso: dL M r f (r )u 0 dt L constante 27 Exemplo 2 Dados R e vi pede-se: a) vf em função do raio r; b) o trabalho da força F. vi Como a força é central, o momento angular em relação a O se conserva: m vi R m v f r F Rvi vf r O trabalho da força é dado por rf 2 1 1 1 2 2 2 R r F (r )dr 2 m v f 2 m vi 2 m vi r 1 i 28 Exemplo 3 p Lei das áreas A Força gravitacional entre dois corpos, por exemplo, Sol e Terra é dada por: r Sol GMm F (r ) 2 rˆ r Como a força gravitacional é central, o momento angular da Terra se conserva (Sol estático, centro de atração gravitacional para a Terra) M 0 L const. o movimento se dá num plano normal a L. Terra Exemplo 3 (cont.) Área do triângulo colorido: 1 dA r dr 2 Sol dA = metade da área do paralelogramo dA 1 dr L r m dt 2m dt 2m dA dt L constante 2m r dr dr r p Terra Exemplo 3 (cont.) 2a Lei de Kepler: “O raio vetor que liga um planeta ao Sol descreve áreas iguais em tempos iguais”. 31 Exemplo 4: Conservação do momento angular No sistema homem - halteres só há forças internas e, portanto: L I constante f I f i I i Com a aproximação dos halteres ( I i i I f f If < Ii ) a velocidade angular do sistema aumenta 32 Exemplo 5: Conservação do momento angular Queremos calcular a velocidade angular final do sistema após o homem inverter o eixo de rotação da roda de bicicleta Dados Ibic 1, 2 kg.m2 ; Itot 6,8 kg.m2 e i 3,9 rot/s Momento angular inicial do sistema bicicleta-homem (+ banco) roda de Li Lbic I bici Agora o homem inverte o eixo de rotação da roda de bicicleta Lbic Li 33 Exemplo 5 (cont): Conservação do momento angular Momento angular final do sistema: L f Lbic Lmen Lmen Li Há conservação do momento angular uma vez que só há forças internas no sistema L f Li Lmen Li Li Lmen 2 Li I tot 2I bici 2 I bic i 1,4 I tot rot/s 34 Exemplo 6: Conservação do momento angular No caso da mergulhadora da figura ao lado o CM segue um movimento parabólico I mi ri i LL onde dL 0 L const. dt Mg Mg L e o momento angular da nadadora é constante durante o salto. Juntando braços e pernas, ela pode aumentar sua velocidade angular em torno do eixo que passa pelo CM, às custas da redução do momento de inércia em relação a este eixo 35 QUANDO O MOMENTO ANGULAR VARIA COM O TEMPO dL d d ( I ) I I dt dt dt ou M I que é semelhante à equação de Newton F ma 36 ROLAMENTO DE UM CORPO RÍGIDO Consideramos que um cilindro gira de um ângulo O centro de massa desloca-se de . s r PARA O MOVIMENTO DE ROLAMENTO PURO Velocidade do centro de massa vCM ds d R R dt dt Aceleração do centro de massa aCM dvCM d R R dt dt 37 A Figura mostra as velocidades translacionais dos vários pontos sobre o cilindro Observe que a velocidade translacional (velocidade linear) de cada ponto do cilindro está numa direcção perpendicular à linha que une esse ponto ao ponto de contacto O ponto P’ desloca-se com uma velocidade v 2vCM ENERGIA CINÉTICA DE ROLAMENTO É a soma da energia cinética de rotação em torno do CM com a energia cinética associada ao movimento de translação do CM. 1 1 2 2 K I CM M vCM 2 2 38 COMBINAÇÃO DO MOVIMENTO DE TRANSLAÇÃO E ROTAÇÃO Translação pura Rotação pura vCM vCM vCM v vCM R Translação + Rotação 2 vCM v R v 0 = v R v R acima do centro v R abaixo do centro vCM v 0 O ponto de contacto está sempre em repouso 39 FOTOGRAFIA DE UMA RODA EM ROLAMENTO Os raios de cima estão menos nítidos que os de baixo porque estão se movendo mais depressa 40 Rolamento sobre um plano inclinado Exemplo 7 Na direção y: N Mg cos 0 (1) Na direção x: Mg sin Fa MaCM (2) vCM A força de atrito produz um momento da força (MO) em relação ao CM: M O Fa R I CM (3) Da condição de rolamento sem deslizamento: aCM R aCM R Tiro o valor de Fa em (3): (4) N y x Fa I CM aCM /R 2 Fa Mg cos Substituindo em (2) a fica: I Mg sin CM2 aCM MaCM R vCM I CM Mg sin 2 aCM MaCM R Mg sin Mg 41 Exemplo 7 (continuação) aCM Mg sin g sin I CM M 2 R 1 / 2 M 2 / 3 I M CM2 5 / 7 R Temos ainda : Fa N y vCM onde x Fa anel Mg sin Mg cos Mg cilindro esfera I CM I CM Mg sin Mg sin a CM 2 2 2 MR 2 R M ( I CM / R ) R 1 I CM À medida que aumenta a inclinação do plano a força de atrito estático (N) necessária para evitar o deslizamento vai aumentando. No limite, antes do deslizamento, temos Fa Fe max assim Fa Fe max e Mg cos MR 2 tan e ( 1 ) tan r I CM Mg sin e Mg cos MR 2 1 r I CM e ângulo máximo (limiar) para que haja rolamento sem deslizamento 42 ROTAÇÃO EM TORNO DE UM EIXO FIXO Tabela de equivalências Rotação em torno de um eixo fixo Energia cinética Equilíbrio 2a lei de Newton 2a lei de Newton Momento Conservação Potência 1 KR I2 2 Movimento de translação 1 K mv 2 2 M 0 f 0 M I f ma L I Li L f P M p mv p i p f dL M dt Momento de inércia dp f dt P F v I massa m 43