Física Setor B Prof.: Bienal – Caderno 4 – Código: 828182410 Índice-controle de Estudo Aula 37 (pág. 94) AD TM TC Aula 38 (pág. 94) AD TM TC Aula 39 (pág. 94) AD TM TC Aula 40 (pág. 94) AD TM TC Aula 41 (pág. 98) AD TM TC Aula 42 (pág. 100) AD TM TC Aula 43 (pág. 100) AD TM TC Aula 44 (pág. 102) AD TM TC Aula 45 (pág. 102) AD TM TC Aula 46 (pág. 105) AD TM TC Aula 47 (pág. 106) AD TM TC Aula 48 (pág. 106) AD TM TC Aulas 37 a 40 Teorema da energia mecânica • Teorema da energia mecânica • Sistema conservativo τ Fnão cons. = 0 → τ Fnão cons. = ΔEmec. → i εfmec = εmec 1. Numa montanha-russa, um carrinho com 300 kg de massa é abandonado do repouso de um ponto A, que está a 5,0 m de altura. Supondo que o atrito seja desprezível e g = 10 m/s2, pergunta-se: a) Qual a velocidade do carrinho no ponto B? b) Quanto vale a energia cinética do carrinho no ponto C, que está a 4,0m de altura? VA 0=0 A C 5,0 m 4,0 m B a) Como o sistema é conservativo, podemos escrever: εBmec = εAmec 0 0 ε +ε B p B c= ε A p+ ε A c 1 mV2B = mghA 2 VB = 公僓僓僓僓 2ghA 2 ⋅ 10 ⋅ 5 VB = 公僓僓僓僓僓僓僓僓僓僓 VB = 10 m/s b) εCmec = εAmec 0 ε ε ε ε ε C c C c C c C c C c +ε ε +ε =ε ε = mg(hA – hC) = 300 ⋅ 10 ⋅ (5,0 – 4,0) = 3 000 J C p= A P– A P C p A C ensino médio – 1ª- série – bienal 94 sistema anglo de ensino 3. Um corpo de massa m = 2 kg e velocidade V = 5,0 m/s choca-se com uma mola de constante elástica k = 20 000 N/m, conforme indicado na figura. O corpo comprime a mola até parar. 2. Um pêndulo simples de massa 10kg possui energia cinética de 100 J no ponto mais baixo de sua trajetória. Considerando g = 10 m/s2 e o sistema conservativo, qual a altura máxima que o pêndulo atinge? V Supondo que a superfície horizontal sobre a qual o corpo desliza é perfeitamente lisa, determine: a) a energia potencial armazenada no sistema quando o bloco para. b) a deformação da mola com o bloco parado. hmáx. V B VB = 0 A hmáx. A Nível de referência VB = 0 Como o sistema é conservativo: εBmec = εAmec 0 ε +ε B p B c= B 0 ε A p+ Como o sistema é conservativo, vem: a) εBmec = εAmec εAc mg hmáx. = 100 10 ⋅ 10 ⋅ hmáx. = 100 hmáx. = 1 m 0 ε +ε B p B c= 0 ε A p+ εAc εBp = 1 mV2 2 ε = 25 J B p b) εBp = 1 kx2 2 25 = x= 1 20 000 ⋅ x2 2 公 僓僓僓僓僓僓僓僓 25 10 000 = 5 100 x = 0,05 m = 5 cm ensino médio – 1ª- série – bienal 95 sistema anglo de ensino 4. Um corpo alfa (α) de massa m é abandonado do repouso do ponto A indicado na figura no mesmo instante em que o corpo beta (β) de massa 2m é abandonado do repouso do ponto C. O corpo α cai em queda livre e o corpo β percorre o plano inclinado CD de comprimento 3,6m. Pede-se, desprezando a resistência do ar e o atrito entre o corpo β e o apoio: 5. Um corpo de massa 1,0 kg é abandonado do repouso do ponto A de um plano inclinado, como mostrado na figura. Determine a velocidade com que o corpo chega no ponto B sabendo-se que durante todo o trajeto atua uma força de atrito de intensidade 2 N. a) a velocidade do corpo α ao chegar no ponto B; b) a velocidade do corpo β ao chegar no ponto D; c) construir o gráfico da velocidade em função do tempo desses dois movimentos. A d = 11 m h = 7,2 m C A B h = 1,8 m B plano de referência De acordo com o teorema da energia mecânica: D τFNC = (εmec)B – (εmec)A V(m/s) α 6 (1) Na expressão acima: β τFNC é o trabalho das forças não conservativas (atrito). Logo: 4 2 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 (2) (εmec)A = mgh = 72 J (3) (εmec)A é a energia mecânica no ponto A, que é igual à potencial (o corpo é abandonado do repouso). Logo: t(s) a, b) Nos dois casos: ΔτFNC = 0 ⇔ εmec = constante (εmec)B é a energia mecânica no ponto B, que é igual à cinética (tomando-se como referência de energia potencial o plano horizontal que passa por B). Logo: i f ε mec = ε mec (mgh + τFNC = – A ⋅ d = – 22 J 1 1 mV2)i + (mgh + mV2)f 2 2 (εmec)B = Em relação ao plano indicado na figura: 1 mgh + 0 = 0 + mV2 2 1 1 ⋅ ⋅ 2 mV2 = 1 V = (lembrar que m = 1kg) (4) 2 2 Substituindo-se (2), (3) e (4) em (1), vem: – 22 = V = 公僓僓僓僓 2gh V = 6 m/s c) O deslocamento do corpo α é 1,8 m. 1 ⋅ 6 ⋅ t1 ⇒ t1 = 0,6 s 1,8 = 2 1 2 V – 72 2 Daí vem: V = 10 m/s O deslocamento do corpo β é 3,6 m. Portanto: 1 3,6 = ⋅ 6 ⋅ t2 ⇒ t2 = 1,2 s 2 ensino médio – 1ª- série – bienal 96 sistema anglo de ensino 6. A figura a seguir representa a pista de um brinquedo. Considerando o sistema conservativo, qual deverá ser o valor mínimo da altura h para que o carrinho abandonado do repouso no ponto A consiga passar pelo ponto B, o mais alto da parte circular? A B r h Como o sistema é conservativo: εBmec = εAmec 0 ε +ε B p B c= ε A p+ ε A c 1 mg2r + mVB2 = mgh 2 h = 2r + VB2 2g (I) O menor valor de h corresponde à menor velocidade no ponto B. Então: B Rmín. = P VB mín. m P = Rmín. 2 VBmin. = mg r VBmín. = 公僓僓僓 gr Consulte Livro 1 – Capítulo 8 Caderno de Exercícios 1 – Capítulo 8 (II) Tarefa Mínima Substituindo (II) em (I), vem: AULA 37 1. Leia os itens de 17 a 19. 2. Faça os exercícios de 42 a 44. (公僓僓 g r )2 h = 2r + 2g h = 2,5 r AULA 38 Faça os exercícios 47, 45 e 49 (só parte B). AULA 39 Faça os exercícios 46 e 52. AULA 40 Faça os exercícios 53 e 48. Tarefa Complementar AULA 40 Faça os exercícios 50, 54, 55 e 56. ensino médio – 1ª- série – bienal 97 sistema anglo de ensino Aula 41 Potência (2ª- parte) Potência média (Pm) em um dado intervalo de tempo Δt: Pm = Se uma força realiza um trabalho τ num intervalo de tempo Δt, a potência média dessa força no intervalo de tempo considerado vale: Δε Δt Sendo Δε a energia transferida ou transformada no intervalo Δt. Pm = τ Δt 1. Um corpo de massa 200 kg é erguido por um guincho, verticalmente, com velocidade constante a uma altura de 5 m gastando 2,5 s nesse processo. Pede-se determinar: (g = 10 m/s2) a) o trabalho da força de tração no fio; b) a variação de energia mecânica do corpo; c) a potência média no trecho considerado. a) Como o movimento é retilíneo uniforme, a resultante é nula, a intensidade da força de tração vale T = 2 000 N O trabalho da força de tração será: b) A velocidade é constante, a energia cinética é constante, a variação de energia mecânica é devida exclusivamente à variação de energia potencial: Δε = mgh = 10 000 J T c) A potência média pode ser calculada de três modos: 1) Pm = τ Δt V Pm = 4 000 W = 4 kW 2) Pm = h P = 14444244443 τ = T ⋅ h = 10 000 J Δt Δε = Δt Pm = 4 000 W = 4 kW 3) Pm = T ⋅ Vm = 2000 ⋅ 5 = 2,5 Pm = 4 000 W = 4 kW ensino médio – 1ª- série – bienal 98 sistema anglo de ensino 2. Um sitiante resolve tirar proveito de uma queda d’água existente em um rio que corta sua propriedade para obter energia elétrica. Para isso precisa instalar uma turbina hidráulica, que tem a finalidade de transformar a energia cinética da água em energia cinética de rotação (figura 1). Um gerador elétrico tem de ser acoplado à turbina com a função de transformar a energia cinética em energia elétrica (figura 2). Para avaliar a potência elétrica que poderia obter com esse sistema, o sitiante realiza as seguintes medidas: Altura da queda d’água: h = 10 m Vazão do rio: z = 2 m3/s Adotando-se g = 10 m/s2 e sabendo-se que a densidade da água é d = 103 kg/m3, determine: a) a máxima potência que ele poderia obter com esse sistema; b) a potência elétrica que ele vai obter sabendo-se que o rendimento da turbina é de 90% e o do gerador é de 95%. Δε = Δ mgh Como a densidade é a massa dividida pelo volume, a expressão anterior pode ser assim escrita: Δε = d ⋅ Δ Vgh sendo Δ V o volume da massa Δ m A potência (P) nessa transformação vale: Δm ΔV h P P = Δε = d ⋅ ΔVgh Δt Δt O quociente figura 2 14444244443 a) Δm é a massa de água que vai do topo até a base da queda d’água num intervalo Δt arbitrariamente escolhido. Δε é a energia potencial da água transformada em cinética no intervalo considerado: figura 1 Δt ΔV é a vazão z. Logo: Δt P=d⋅z⋅g⋅h P = 2 ⋅ 105 W = 200 kW b) Pelét. = Ptotal ⋅ η1 ⋅ η2 Pelét. = 171 kW Consulte Livro 1 – Capítulo 8 Caderno de Exercícios 1 – Capítulo 8 Tarefa Mínima 1. Leia os itens de 20 a 25. 2. Faça os exercícios 57 e 61. Tarefa Complementar Faça os exercícios 59, 60 e 63. ensino médio – 1ª- série – bienal 99 sistema anglo de ensino Aulas 42 e 43 2. Uma criança está debruçada sobre uma ponte segurando um brinquedo em repouso. De repente, o brinquedo desprende-se da mão da criança, levando 2s para atingir o solo. Desprezando a resistência do ar, determine (g = 10N/kg): a) a altura aproximada da ponte; b) a velocidade do brinquedo imediatamente antes de tocar o solo. Queda livre • Os movimentos à nossa volta: a confusão gerada pelo meio. • Histórico: Galileu e a torre de Pisa. • Newton e a queda livre. • As equações da queda livre. a) O V0 = 0 a = 10 m/s2 h 1. Dois corpos de peso P1 = 10 N e P2 = 15 N são abandonados simultaneamente a partir do repouso e do mesmo nível, próximos à superfície da Terra. Determine, durante a queda (g = 10 N/kg): a) a resultante sobre cada corpo; b) a aceleração de cada corpo. s (m) solo s = 5t2 s = 5 × 22 s = 20 m. b) V = 10t ∴ V = 10 × 2. V = 20 m/s. a) P1 = R1 = 10 N P2 = R2 = 15 N b) P1 = R1 = m1 ⋅ a1 10 = 1 ⋅ a1 a1 = 10 m/s2 b) P2 = R2 = m2 ⋅ a2 m1 = 3. Um viajante espacial, ao chegar a um planeta desconhecido, fez experiências e obteve a tabela a seguir, que mostra as alturas em que o mesmo corpo foi abandonado a partir do repouso e no vácuo, próximo da superfície do planeta, em função dos respectivos intervalos de tempo da queda. P1 g m1 = 1 kg m2 = P2 g h (m) m2 = 1,5 kg 15 = 1,5 ⋅ a2 a2 = 10 m/s2 Portanto, a1 = a2 . (Não depende da massa.) t (s) 4 1 16 2 36 3 64 4 a) Faça um gráfico h × t para o corpo de 0 s a 4 s. b) Calcule a g do planeta. c) Faça o gráfico V × t de 0 s a 4 s. ensino médio – 1ª- série – bienal 100 sistema anglo de ensino a) 4. Um corpo é lançado verticalmente para cima com velocidade de 20 m/s. Desprezando-se a resistência do ar e adotando-se g = 10 m/s2, determinar: a) o instante em que o corpo atinge a altura máxima; b) a altura máxima que ele atinge; c) a velocidade com que retorna ao solo. h (m) 64 36 Equações do movimento v = v0 + at ⇒ v = 20 – 10t 1 s = s0 + v0t + at2 2 16 S = 20t – 5t2 4 1 2 3 t (s) 4 1 2 g t , e tomando-se o par de valores 2 b) Como h = V0 = 20 m/s h = 4 m e t = 1 s, da tabela, vem: 1 4 = g x 12 ∴ g = 8 m/s2. 2 a) No instante em que atinge a altura máxima v = 0 0 = 20x – 10te ⇒ te = 2s b) Hmáx = s(te) Hmáx = 20(2) – 5(2)2 Hmáx = 20 m c) Ao retornar ao solo (t = 4s) v = 20 – 10(4) v = – 20 m/s c) Como V = 8 t, podemos fazer a tabela: V (m/s) t (s) 0 0 8 1 16 2 24 3 32 4 Portanto, o gráfico V × t é: V (m/s) 32 24 Consulte 16 Livro 1 – Capítulo 9 Caderno de Exercícios 1 – Capítulo 9 8 Tarefa Mínima 0 AULA 42 1. Leia os itens 1 e 2. 2. Faça os exercícios de 1 a 3. 1 2 3 4 t (s) AULA 43 Faça os exercícios de 4 a 6. Tarefa Complementar AULA 43 Faça os exercícios de 7 a 10. ensino médio – 1ª- série – bienal 101 sistema anglo de ensino Aulas 44 e 45 b) pode-se afirmar que, durante o movimento, o corpo se desloca horizontalmente para a direita, 5m em cada segundo. Por que isso ocorre? Lançamento horizontal Como não há forças atuando sobre o corpo na direção horizontal, podemos afirmar, de acordo com a Lei da Inércia, que, na horizontal, o corpo se desloca em movimento retilíneo e uniforme. • A simultaneidade dos movimentos. • A equação fundamental e o lançamento horizontal. • As equações do lançamento horizontal. c) qual a aceleração do corpo na direção vertical? Explique por que, nessa direção, o corpo executa uma queda livre. 1. A figura a seguir representa o movimento de um corpo lançado horizontalmente com velocidade V0 = 5 m/s próximo à superfície da Terra, em um local onde g = 10 N/kg. Despreze a resistência do ar. A Como, na direção vertical, R = P, tem-se: m ⋅ a = m ⋅ g ⇒ a = g (constante). Portanto, como Voy = 0, nessa direção o corpo executa uma queda livre. V0 = 5 m/s d) considerando t0 = 0 como o instante inicial de lançamento, quanto tempo o corpo leva para chegar ao solo? B h = 45 m 0 V0y = 0 solo Com base no enunciado: a) represente a resultante das forças sobre o corpo quando ele passa pelos pontos A e B; 45 y (m) A y= P=R B 1 gt2 2 45 = 5t2 t = 3 s. P=R e) com que velocidade horizontal o corpo chega ao solo? solo Na direção horizontal, temos um MRU, portanto, Vx = 5 m/s. ensino médio – 1ª- série – bienal 102 sistema anglo de ensino 2. Um corpo P de massa m é lançado horizontalmente de uma determinada altura. No mesmo instante, um outro corpo Q, de massa 2 m, é solto em queda livre, a partir do repouso, dessa mesma altura, como mostra a figura. f) qual a componente vertical da velocidade do corpo? 0 Vy = V0y + gt Vy = 10 × 3 = 30 m/s. V0 P (m) Q (2 m) g) com que velocidade o corpo atinge o solo? Vx solo V Sejam VP e VQ os módulos das velocidades dos corpos P e Q, respectivamente, imediatamente antes de tocarem o solo, e ΔtP e ΔtQ os intervalos de tempo decorridos para que cada corpo cubra esse percurso. Despreze os efeitos do ar. Nessas condições, pode-se afirmar que: ➜ a) VP ⬎ VQ e ΔtP = ΔtQ. b) VP ⬎ VQ e ΔtP ⬎ ΔtQ. c) VP = VQ e ΔtP = ΔtQ. d) VP = VQ e ΔtP ⬎ ΔtQ. e) VP = VQ e ΔtP ⬍ ΔtQ. Vy V= 公僓僓僓僓僓僓 V2x + x2y = 52 + 302 ≈ 30,4 m/s. 公僓僓僓僓僓僓僓僓 Como o corpo P foi lançado horizontalmente no mesmo instante em que o corpo Q foi abandonado do repouso, da mesma altura, tem-se que, na direção vertical, o movimento do corpo P é idêntico ao do corpo Q, independentemente de suas massas. Então: ΔtP = ΔtQ. Ao atingirem o solo, os dois corpos têm a mesma velocidade vertical. Entretanto, o corpo P possui a componente horizontal da velocidade igual à inicial do seu lançamento. Então: h) na figura a seguir, represente a posição do corpo nos instantes t0 = 0, t1 = 1 s, t2 = 2 s, t3 = 3 s e represente a trajetória do corpo por uma linha tracejada. 5m t0 = 0 0 V0 5 10 Escala 5m x(m) 15 t1 = 1s corpo P corpo Q V0 VP t2 = 2s VP = 公僓僓僓僓僓僓 V02 + V2y Vy = VQ Vy ⬎ VQ Portanto, a alternativa correta é a. trajetória A comparação de VP com VQ também pode ser feita por Energia. t3 = 3s 45 solo y(m) ensino médio – 1ª- série – bienal 103 sistema anglo de ensino 3. Um canhão apoiado sobre um muro, conforme a figura abaixo, dispara horizontalmente uma bala com uma velocidade de 80 m/s. Ela atinge o chão a uma distância de 160 m da base do muro. V2y = V2oy + 2gy (Olimpíada Brasileira de Física) V2y = 0 + 2 ⋅ 10 ⋅ 10 = 200 Vy = 公僓僓僓僓 200 ≈ 14,1 m/s V Determine: a) o tempo do deslocamento da bala desde o instante do disparo até atingir o chão; b) a altura do muro; c) a velocidade da bala na metade de sua trajetória na direção vertical. Vx h h/2 Vy V A a) Tempo do deslocamento da bala; Como a velocidade é constante no eixo x, tem-se que: X Vx = V0x = t t= Consulte X 160 = Vx 80 Livro 1 – Capítulo 9 Caderno de Exercícios 1 – Capítulo 9 t = 2s Tarefa Mínima b) Altura do muro: 2 10 ⋅4 h = gt = 2 2 AULA 44 Leia os itens 4 e 5. AULA 45 Faça os exercícios 15 e 16. h = 20 m c) A velocidade da bala no meio da trajetória na direção vertical: h y= = 10 m 2 Tarefa Complementar AULA 44 Faça os exercícios 17 e 18. Como o movimento é uniformemente variado na direção y, tem-se que: ensino médio – 1ª- série – bienal AULA 45 Faça o exercício 19. 104 sistema anglo de ensino Aula 46 A – Momento de uma força em relação a um ponto P = 150 N Módulo do momento: (MF)0 = F ⋅ b a = 0,2 m O a) (MP)O = – P(a) ⇒ (MP)O = – 150 (0,2) ⇒ (MP)O = – 30N ⋅ m (MR)O = R(0) ⇒ (MR)O = 0 (MF)O = + F(b) ⇒ (MF)O = + 100(0,3) ⇒ (MP)O = + 30 N ⋅ m la F b A P O Sinal do momento (dado por uma convenção): Se → a força F, agindo sozinha no corpo, causar uma rotação no sentido anti-horário, o seu momento é po→ sitivo; se a força F, agindo sozinha no corpo, causar uma rotação no sentido horário, o seu momento é negativo. R O F = 100 N A + b = 0,3 m Numa haste OA de comprimento 0,5 m, que está articulada na extremidade O, agem as três forças indicadas na figura. O peso da barra é → 150 N, e a força F tem intensidade 100 N. F O b) Momento do sistema de forças é a soma dos momentos de cada uma das forças: (Msist)O = (MP)O + (MR)O + (MF)O = = – 30 + 30 + 0 = O (Msist)O = 0. A b = 0,3 m R P O a = 0,2 m a = 0,2 m Supondo que a haste seja homogênea, pedese, tomando o sentido anti-horário como positivo: a) determine o momento de cada uma das forças que agem sobre a barra em relação ao ponto O; b) determine o momento do sistema de forças em relação ao mesmo ponto O. ensino médio – 1ª- série – bienal Consulte Livro 1 – Capítulo 10 Tarefa Mínima Leia os itens de 1 a 7. Tarefa Complementar Refaça o exercício da aula. 105 sistema anglo de ensino Aulas 47 e 48 Equilíbrio de um corpo extenso A condição necessária e suficiente para o equilíbrio de um corpo extenso é que → ΣF = 0 e ΣM = 0. 1. Uma barra de peso G = 600 N é articulada no centro. Um corpo de peso P = 500 N é colocado em um ponto A da barra, a uma distância de 1,5 m da articulação. Um outro corpo, de peso Q = 1 500 N, é colocado em um ponto B, a uma distância x da articulação. Determine: a) a intensidade da força aplicada pela articulação à barra; b) a distância x, para que a barra permaneça em equilíbrio. B A O x 1,5 m a) F = P + Q + G F = 2 600 N. (MP)0 = + P ⋅ (OA) (MP)0 = + 500 ⋅ 1,5 = + 750 N ⋅ m NB = Q NA = P F P B Q O A NA = P G O – B x NB = Q Q (MQ)0 = – Q ⋅ (OB) = – 1 500 ⋅ x (MQ)0 = – 1 500 ⋅ x b) (Msist)0 = 750 + (–1 500x) + 0 Msist = 0 750 + (– 1500x) = 0 x = 0,5 m. F O O A + G 1,5 m (MF)0 = + F ⋅ (0) = 0 (MG)0 = + G ⋅ (0) = 0 P ensino médio – 1ª- série – bienal 106 sistema anglo de ensino 2. Uma barra AB, de comprimento 0,8 m, está apoiada nos pontos C e B em equilíbrio, como indicado na figura (não considerar quaisquer ações horizontais sobre a barra). A barra é homogênea e prismática e tem peso P = 180 N. Um corpo de peso Q = 60 N e de pequenas dimensões está apoiado na barra em um ponto D, situado a uma distância de 0,2 m da extremidade B. Determine: a) a força aplicada pelo apoio à barra no ponto C; b) a força aplicada pelo apoio à barra no ponto B. A D C 0,2 m 0,2 m 0,2 m B 0,2 m P+Q=X+Y X + Y = 240 N (1) (MP)B = +P(EB) = + 180 ⋅ (0,4) = 72 N ⋅ m (MQ)B = +Q(DB) = + 60 ⋅ (0,2) = 12 N ⋅ m (MX)B = – X(CB) = – X ⋅ (0,6) = – 0,6X (MY)B = Y(0) = 0 72 + 12 – 0,6 ⋅ X = 0 X = 140 N Y = 100 N N=Q Q X C Y D E A B P 0,2 m 0,2 m N=Q 0,2 m 0,2 m Consulte Livro 1 – Capítulo 10 Caderno de Exercícios 1 – Capítulo 10 Tarefa Mínima AULA 47 1. Leia os itens 8 e 9. 2. Faça os exercícios 5 e 6. AULA 48 Faça os exercícios 2, 7 e 8. Tarefa Complementar AULA 48 Faça os exercícios de 9 a 13. ensino médio – 1ª- série – bienal 107 sistema anglo de ensino