UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA
CENTRO DE CIÊNCIAS AGROVETERINÁRIAS
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA RURAL
FÍSICA BÁSICA PARA CIÊNCIAS AGRÁRIAS
Profª. Angela Emilia de Almeida Pinto
Departamento de Engenharia Rural
2006
ÍNDICE
i
ÍNDICE
CAPÍTULO 1
SISTEMA DE UNIDADES E ANÁLISE DIMENSIONAL....................................................................1
1.1 O QUE É A FÍSICA ? .........................................................................................................................1
1.2 INSTRUMENTOS PARA O ESTUDO DA FÍSICA .......................................................................................2
1.3 O MÉTODO EXPERIMENTAL .............................................................................................................3
1.4 INTRODUÇÃO AO SISTEMA DE UNIDADES..........................................................................................5
1.5 UNIDADES FUNDAMENTAIS E DERIVADAS.........................................................................................5
1.6 SISTEMAS LMT E LFT .....................................................................................................................5
1.7 O SISTEMA CGS..............................................................................................................................6
1.8 O SISTEMA MKS .............................................................................................................................6
1.9 O SISTEMA MKGFS.........................................................................................................................6
1.10O SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES .......................................................................................6
1.11OUTROS SISTEMAS USADOS .............................................................................................................7
1.11.1 SISTEMA MTS..............................................................................................................................7
1.11.2 SISTEMA INERCIAL INGLÊS E NORTE AMERICANO ..........................................................................7
1.11.3 SISTEMA GRAVITACIONAL INGLÊS E NORTE AMERICANO ...............................................................7
1.12CONVERSÃO DE UNIDADES ..............................................................................................................7
1.13ANÁLISE DIMENSIONAL..................................................................................................................12
1.14DENSIDADE E MASSA ATÔMICA......................................................................................................13
CAPÍTULO 2
VETORES ..........................................................................................................................................17
2.1 VETORES E ESCALARES ..................................................................................................................17
2.2 SOMANDO VETORES GEOMETRICAMENTE .......................................................................................18
2.3 COMPONENTES DE VETORES ...........................................................................................................20
2.4 VETORES UNITÁRIOS .....................................................................................................................26
2.5 SOMANDO VETORES COMPONENTE A COMPONENTE .......................................................................27
2.6 O PRODUTO ESCALAR ...................................................................................................................29
2.7 O PRODUTO VETORIAL ..................................................................................................................30
Apostila elaborada pela Profª. Ângela Emilia de Almeida Pinto-CAV/UDESC
ii
ÍNDICE
CAPÍTULO 3
CINEMÁTICA ..... ............................................................................................................................38
3.1 MOVIMENTO EM UMA DIMENSÃO .........................................................................................38
3.1.1 Deslocamento.....................................................................................................................38
3.1.2 Velocidade Média ..............................................................................................................38
3.1.3 Velocidade Média(Interpretação Geométrica)..................................................................39
3.1.4 Velocidade Instantânea......................................................................................................40
3.1.5 Aceleração Média ..............................................................................................................42
3.1.6 Aceleração Instantânea .....................................................................................................42
3.2 MOVIMENTO EM DUAS E TRÊS DIMENSÕES ....................................................................................46
3.2.1 Vetor Posição.....................................................................................................................46
3.2.2 Vetores Velocidade Média e Instantânea ..........................................................................47
3.2.3 O Vetor Aceleração............................................................................................................49
3.3 LEIS DE NEWTON...........................................................................................................................50
3.3.1 Primeira Lei de Newton .....................................................................................................50
3.3.2 Segunda Lei de Newton......................................................................................................50
3.3.3 Terceira Lei de Newton......................................................................................................51
3.3.4 A Força da Gravidade: O Peso .........................................................................................51
3.3.5 Diagrama de Forças ..........................................................................................................51
3.4 ATRITO .........................................................................................................................................53
3.4.1 Atrito Estático ....................................................................................................................53
3.4.2 Atrito Cinético....................................................................................................................54
CAPÍTULO 4
TRABALHO E ENERGIA ...............................................................................................................67
4.1 MOVIMENTO UNIDIMENSIONAL COM FORÇAS CONSTANTES.........................................67
4.2 O TEOREMA DA ENERGIA CINÉTICA ....................................................................................67
4.3 TRABALHO DE UMA FORÇA VARIÁVEL..................................................................................69
4.4 TRABALHO E ENERGIA EM TRÊS DIMENSÕES.....................................................................71
4.5 ENERGIA POTENCIAL E FORÇAS CONSERVATIVAS............................................................71
4.6 POTÊNCIA .................................................................................................................................72
4.7 POTÊNCIA CONSTANTE COM ACELERAÇÃO.......................................................................73
4.8 RENDIMENTO ...........................................................................................................................73
Apostila elaborada pela Profª. Ângela Emilia de Almeida Pinto-CAV/UDESC
ÍNDICE
iii
CAPÍTULO 5
ROTAÇÃO.........................................................................................................................................77
5.1 INTRODUÇÃO ................................................................................................................................77
5.2 AS VARIÁVEIS DA ROTAÇÃO ............................................................................................................77
5.2.1Posição Angular..................................................................................................................77
5.2.2Deslocamento Angular........................................................................................................78
5.2.3Velocidade Angular ............................................................................................................79
5.2.4Aceleração Angular ............................................................................................................80
5.3 RELACIONANDO AS VARIÁVEIS LINEARES COM AS ANGULARES .........................................................80
5.3.1Posição................................................................................................................................80
5.3.2Velocidade...........................................................................................................................81
5.3.3Aceleração ..........................................................................................................................82
5.4 TORQUE, MOMENTO DE INÉRCIA E SEGUNDA LEI DE NEWTON PARA A ROTAÇÃO .............................82
5.5 ENERGIA CINÉTICA DE ROTAÇÃO ...................................................................................................84
5.6 ROTAÇÃO SEM ESCORREGAMENTO .................................................................................................85
CAPÍTULO 6
MECÂNICA DOS FLUIDOS...........................................................................................................90
6.1 DEFINIÇÃO ...................................................................................................................................90
6.2 DENSIDADE ..................................................................................................................................90
6.3 PRESSÃO NUM FLUIDO ..................................................................................................................91
6.4 PRESSÃO NUM LÍQUIDO (PRINCÍPIO DE STEVIN).............................................................................92
6.5 PRINCÍPIO DE PASCAL ...................................................................................................................93
6.6 EMPUXO E O PRINCÍPIO DE ARQUIMEDES ......................................................................................96
6.7 FLUIDOS EM MOVIMENTO .............................................................................................................98
6.8 EQUAÇÃO DE BERNOULLI ............................................................................................................100
Apostila elaborada pela Profª. Ângela Emilia de Almeida Pinto-CAV/UDESC
iv
ÍNDICE
CAPÍTULO 7
TERMODINÂMICA .......................................................................................................................110
7.1 A TEMPERATURA .........................................................................................................................110
7.2 A DILATAÇÃO TÉRMICA LINEAR DOS SÓLIDOS ..............................................................................113
7.3 A DILATAÇÃO TÉRMICA SUPERFICIAL DOS SÓLIDOS .....................................................................114
7.4 A DILATAÇÃO TÉRMICA VOLUMÉTRICA DOS SÓLIDOS ...................................................................115
7.5 CONDUÇÃO DE CALOR ................................................................................................................115
7.5.1 Condução .........................................................................................................................115
7.5.2Convecção.........................................................................................................................119
7.5.3Radiação ...........................................................................................................................119
7.6 A TEORIA CINÉTICA DOS GASES ...................................................................................................120
7.6.1Definições .........................................................................................................................120
7.6.2 Gases Ideais .....................................................................................................................121
7.6.3 Trabalho feito por Gás Ideal à Temperatura Constante .................................................121
7.7 CALOR ........................................................................................................................................121
7.7.1 Unidades de Calor ..........................................................................................................122
7. 8 CAPACIDADE CALORÍFICA E CALOR ESPECÍFICO..........................................................................122
7.9 CALOR LATENTE .........................................................................................................................124
7.10 TRABALHO E CALOR NOS PROCESSOS TERMODINÂMICOS .............................................................127
7.11 A PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA .........................................................................................129
7.12 A SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA ..........................................................................................130
7.12.1Primeira forma da 2ª lei da Termodinâmica ..................................................................130
7.12.2Segunda forma da 2ª lei da Termodinâmica...................................................................133
7.13 O CICLO DE CARNOT ..................................................................................................................134
7.14 MOTOR A GASOLINA ...................................................................................................................136
CAPÍTULO 8
ELETRICIDADE E MAGNETISMO............................................................................................144
8.1 RESISTÊNCIA ELÉTRICA ...............................................................................................................144
8.1.1Resistores ..........................................................................................................................144
8.2 FORÇA ELETROMOTRIZ ...............................................................................................................147
8.3 ASSOCIAÇÃO DE RESISTORES EM SÉRIE ........................................................................................149
8.4 ASSOCIAÇÃO DE RESISTORES EM PARALELO .................................................................................150
Apostila elaborada pela Profª. Ângela Emilia de Almeida Pinto-CAV/UDESC
ÍNDICE
v
8.5 CAPACITORES .............................................................................................................................155
8.5.1Capacitância .....................................................................................................................155
8.6 CÁLCULO DA CAPACITÂNCIA .......................................................................................................157
8.6.1Capacitor de Placas Paralelas .........................................................................................157
8.6.2Capacitor cilíndrico..........................................................................................................158
8.6.3Capacitor Esférico ............................................................................................................159
8.7 CAPACITORES EM PARALELO .......................................................................................................160
8.8 CAPACITORES EM SÉRIE ...............................................................................................................162
8.9 CAMPOS MAGNÉTICOS ................................................................................................................165
8.9.1Definição e Propriedades do Campo Magnético..............................................................166
8.10 CÁLCULO DO CAMPO MAGNÉTICO ..............................................................................................171
8.10.1 Campo Magnético Devido a um Fio Retilíneo Longo ...................................................171
8.10.2 Campo Magnético Devido a um Solenóide....................................................................173
8.10.3 Campo Magnético Devido a um Toróide.......................................................................175
BIBLIOGRAFIA.. .............................................................................................................................182
Apostila elaborada pela Profª. Ângela Emilia de Almeida Pinto-CAV/UDESC