Universidade Estadual do Sudoeste da Bahia Departamento de Ciências Exatas e Naturais 4.1- Rotações, Centro de Massa e Momento Física I Prof. Roberto Claudino Ferreira Índice 1. 2. 3. 4. 5. Movimento Circular Uniformemente Variado; Movimento Circular Variado não Uniforme; Centro de Massa; Momento e Colisões; Lei da Conservação do Momento. Prof. Roberto Claudino 2 OBJETIVO GERAL Alcançar um entendimento sobre os conceitos e grandezas que envolvem os movimentos rotacionais, centro de massa, momento e lei da conservação do movimento, assim como suas expressões, unidades de medida e aplicações. Prof. Roberto Claudino 3 MOVIMENTO CIRCULAR UNIFORMEMENTE VARIADO (MCUV) MCUV, apresenta: Trajetória circular; Velocidade escalar varia de acordo com v = vo + at, e (a = constante ≠ 0); cuja intensidade = aceleração tangencial (at); Aceleração centrípeta não - nula, pois a velocidade varia em direção e sentido. Aceleração resultante: ar at acp Prof. Roberto Claudino 4 ACELERAÇÕES (MCUV) Aceleração tangencial tem sempre a direção da velocidade do móvel ar at acp at r Aceleração angular d dt Prof. Roberto Claudino Aceleração centrípeta é perpendicular a v 5 FUNÇÕES DO MCUV Forma linear: a S So vot t ² 2 v vo at v² vo² 2aS Sendo: S r v r a r Forma angular: o ot t ² o t 2 ² o² 2 d Ou, analogamente às deduções lineares, partir dt dos conceitos ao lado e d chegar às equações dt angulares. Prof. Roberto Claudino 6 1º Problema: Um objeto inicia seu movimento, a partir do repouso, deslocando-se em trajetória circular de raio 20 m. A aceleração tangencial em relação à Terra tem módulo de 2m/s². Após 10s, pede-se: a) Velocidade tangencial; b)Aceleração angular; g) Aceleração total; c)Velocidade angular; h) Direção d)Deslocamento; aceleração total. e)Deslocamento angular; f)Aceleração centrípeta; Prof. Roberto Claudino 7 MOVIMENTO CIRCULAR VARIADO NÃO UNIFORME A velocidade angular e a aceleração angular variam segundo suas funções que podem mudar de uma situação para outra. 2º Problema: Um pião gira com aceleração α = 5t³ - 4t, onde t está em (s) e α está em (rad/s²). Em t = 0 a velocidade angular do pião é 5 rad/s e uma reta de referência traçada no pião está na posição angular θ = 2 rad. a) Obtenha uma expressão para a velocidade angular do pião, ω(t). b) Obtenha uma expressão para a posição angular do pião, θ(t). Prof. Roberto Claudino 8 2º Problema: Resolução d dt d dt t d dt o to t 5 0 d (5t ³ 4t )dt 5 5 t 4 t0 4 t ²t0 4 2 5 5 t 4 2t ² 4 5 4 5 2t ² t 4 d dt d dt 5 4 d t 5 2t ² 4 t dt o o t 2 3t 5 1 5 2 5t t 0 . t 3 4 5 2t ³ t 5 2 5t 3 4 2t ³ t 5 2 5t 3 4 t 0 Prof. Roberto Claudino t 0 9 ACELERAÇÕES (MCUV) Aceleração tangencial tem sempre a direção da velocidade do móvel ar at acp at r Aceleração angular d dt Prof. Roberto Claudino Aceleração centrípeta é perpendicular a v 10 FUNÇÕES DO MCUV Forma linear: a S So vot t ² 2 v vo at v² vo² 2aS Sendo: S r v r a r Forma angular: o ot t ² o t 2 ² o² 2 d Ou, analogamente às deduções lineares, partir dt dos conceitos ao lado e d chegar às equações dt angulares. Prof. Roberto Claudino 11 CENTRO DE MASSA PARA UM SISTEMA DE PARTÍCULAS Num sistema de partículas, trata-se de um ponto que se move como se: (1º) toda a massa do sistema estivesse concentrada nesse ponto e (2º) todas as forças externas estivessem aplicadas nesse ponto. Sistema com 2 partículas. xCM Sistema com n partículas. Em 1 D xCM 1 M n m x i 1 i i m1 x1 m2 x2 m1 m2 Sistema com n partículas. Em 3 D 1 rCM M n m r i 1 i i Sendo M a massa total do sistema. Prof. Roberto Claudino 12 CENTRO DE MASSA PARA UM CORPO MACIÇO 1 xdm M Para objetos sólidos. xCM Onde dm é o elemento de massa. Para objetos com massa específica uniforme. dm M dV V MdV dm V xCM 1 MdV x M V xCM 1 xdV V Aqui dV é o volume ocupado por um elemento de massa dm e V é o volume total do objeto. Prof. Roberto Claudino 13 3º Problema: Três partículas de massas m1 = 1,2 kg, m2 = 2,5 kg e m3 = 3,4 kg formam um triângulo equilátero de lado a = 140 cm. Onde fica o centro de massa desse sistema? Prof. Roberto Claudino 14 MOMENTO LINEAR Também chamado de quantidade de movimento. É uma das duas grandezas criadas para a correta descrição do inter-relacionamento entre dois entes ou sistemas físicos. Para uma partícula: Pelo conceito de diferencial da força: dp F dt p m.v momento Prof. Roberto Claudino chegamos a forma 15 4º Problema: Um caminhão de 2100 kg viajando para o norte a 41 km/h vira para leste e acelera até 51 km/h. (a) Qual é a variação da energia cinética do caminhão? Quais são (b) o módulo e (c) o sentido da variação do momento? Prof. Roberto Claudino 16 MOMENTO LINEAR DE UM SISTEMA DE PARTÍCULAS O sistema como um todo tem momento linear total p que é a soma vetorial dos momentos de todas as partículas. p p1 p2 ... pn p m1v1 m2 v2 ... mn vn p MvCM Prof. Roberto Claudino 17 COLISÕES e IMPULSO Consiste no choque entre duas partículas, surgindo uma força suficiente para mudar o momento. F dp dp F (t )dt dt Definindo o intervalo de tempo: pf tf dp F (t )dt pi ti p p f pi J tf J F (t )dt Impulso ti p J Teorema do momento linear e impulso Prof. Roberto Claudino 18 5º Problema: Um carro colide com um muro de proteção conforme figura. Antes da colisão o carro está se movendo com uma velocidade escalar vi = 70 m/s, ao longo de uma linha reta que faz um ângulo de 30º com o muro. Após a colisão o carro está se movendo com velocidade escalar v f = 50 m/s, ao longo de uma linha reta que faz um ângulo de 10º com o muro. A massa m do piloto é 80 kg. (a) Qual é o impulso a que o piloto é submetido no momento da colisão? (b) A colisão dura 14 ms. Qual é o módulo da força média que o piloto experimenta durante a colisão? Prof. Roberto Claudino 19 CONSERVAÇÃO DO MOMENTO LINEAR Se um sistema de partículas não está submetido a nenhuma força externa, o momento linear total do sistema não pode variar. p f 1 m.v f 1 pi m.vi p f 2 m.v f 2 pi p f pi p f 1 p f 2 Prof. Roberto Claudino 20 6º Problema: Uma urna de votação de massa m = 6,0 kg desliza com velocidade v = 4,0 m/s em um piso sem atrito no sentido positivo de um eixo x. A urna explode em dois pedaços. Um pedaço de massa m1 = 2,0 kg, se move no sentido positivo do eixo x com v1 = 8,0 m/s. Qual é a velocidade do segundo pedaço, de massa m2? Prof. Roberto Claudino 21