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1.1. Exercício sobre Dilatação Térmica (Parte 1)

— 1. Exercício sobre Calor e Temperatura —

— 1.1. Exercício sobre Dilatação Térmica —

Exercício 1 Um quadrado de área interna de {2,35 \ m^{2}} foi montado com duas hastes de alumínio {(\alpha_{Al}=2,4 \cdot 10^{-5} \ ^{o}C^{-1} )} e duas hastes de aço {(\alpha_{Aco}=1,2 \cdot 10^{-5} \ ^{o}C^{-1})}, todos inicialmente à mesma temperatura de {27 \ ^{o}C}, conforme a figura abaixo. O sistema é, então, submetido a um processo de aquecimento, de forma que a variação de temperatura é a mesma em todas as hastes, até a temperatura final de {100 \ ^{o}{\mathbb C}}.

Considerando que no final as hastes de alumínio continuam perpendiculares as hastes de aço, determine a área do plano limitado pelas hastes após o aquecimento.

NÍVEL DE DIFICULDADE: Regular.

Resolução 1 .

O problema em questão trata de dilatação térmica dos corpos (expansão dos corpos). É dada uma área { A_{o}=2,35 \ m^{2}} limitada por duas hastes de alumínio e duas hastes de aço sob uma temperatura { t_{o}=27\ ^{o}C}.

Dado que a área limitada é a área de quadrado, então, de acordo a definição da área de um quadrado, temos que:

\displaystyle A_{o}=l_{o Aco} \cdot l_{o Al} \ \ \ \ \ (1)

Onde:
{ l_{o Aco}} – Comprimento da haste de aço.

{ l_{o Al}} – Comprimento da haste de alumínio.

Por outro lado, para que as hastes de alumínio e de aço formem ou limitem a área de um quadrado deve-se cumprir a seguinte condição:

\displaystyle l_{o Aco}=l_{o Al}=l_o \ \ \ \ \ (2)

Então, cada haste de alumínio e/ou de aço possui um comprimento { l_{o}} inicialmente.

Entretanto, depois de aquecidas as hastes de aço e alumínio, de modo que a variação de temperatura é a mesma em todas as hastes, até a temperatura de { 100\ ^{o}C}, cada uma das hastes, de alumínio e aço, dilatam e ganham novos comprimento { l_{Al}} e { l_{Aco}} que são diferentes, pois os seus coeficientes de dilatação linear são diferentes, com { \alpha_{Al}=2,4 \cdot 10^{-5} \ ^{o}C^{-1}} e { \alpha_{Aco}= 1,2 \cdot 10^{-5} \ ^{o}C^{-1}}.

Dados:
{ A_{0}=2,35 \ m^{2}}
{ t_{0}=27\ ^{o}C}
{ \alpha_{Al}=2,4 \cdot 10^{-5} \ ^{o}C^{-1}}
{ \alpha_{aco}=1,2 \cdot 10^{-5} \ ^{o}C^{-1}}
{ t=100 \ ^{o}C}

Depois do aquecimento até { t=100 \ ^{o}C}, as hastes de alumínio ainda permanecem perpendiculares as hastes de aço, conforme enunciado. Logo, como o aumento nos comprimentos nas hastes, temos uma nova área.

Então, a nova área limitada pelas hastes de alumínio e aço é dada como sendo o produto dos comprimento finais das hastes, { l_{Al}} e { l_{Aco}}, de alumínio e aço respectivamente.

\displaystyle A=l_{Al} \cdot l_{Aco} \ \ \ \ \ (3)

Pela figura acima percebe-se que:

\displaystyle l_{Al}=l_{o} + \Delta l_{Al} \ \ \ \ \ (4)

\displaystyle l_{Aco}=l_{o} + \Delta l_{Aco} \ \ \ \ \ (5)

Onde: { \Delta l_{Al}} e { \Delta l_{Aco}} são os aumentos nos comprimentos das hastes, devido o aquecimento, do alumínio e do aço, respectivamente.

Para determinarmos a área que as hastes de alumínio e aço vão limitar após o aquecimento, substituímos as equações 4 e 5 na equação 3. Obtemos:

\displaystyle A= (l_{o}+\Delta l_{Al}) \cdot (l_{o}+ \Delta l_{Aco}) \ \ \ \ \ (6)

Determinamos { l_{o}} pela equação 3:

\displaystyle A_{o}=l_{o} \cdot l_{o} \Rightarrow A_{o}=l^{2}_{o}

Invertendo a igualdade:

\displaystyle l^{2}_{o}=A_{o} \Rightarrow l_{o} = \sqrt{A_{o}}

Substituindo os dados:

\displaystyle l_{o}=\sqrt{2,35}=1,533 \ m

\displaystyle \\ l_{o}=1,533 \ m

Determinemos { \Delta l_{Al}} e { \Delta l_{Aco}} através da relação da dilatação linear.

Para o alumínio:

\displaystyle \Delta l_{Al}=l_{o} \cdot \alpha_{Al} \cdot (t-t_{o}) \ \ \ \ \ (7)

Substituindo os dados:

\displaystyle \Delta l_{Al}=1,533 \cdot 2,4 \cdot 10^{-5} \cdot (100-27)

\displaystyle \Delta l_{Al}=2,685 \cdot 10^{-3} \ m

Para o aço:

\displaystyle \Delta l_{Aco}=l_{Aco} \cdot \alpha_{Aco} \cdot (t-t_{o}) \ \ \ \ \ (8)

Substituindo os dados:

\displaystyle \Delta l_{Aco}=1,533 \cdot 1,2 \cdot 10^{-5}(100-27)

\displaystyle \Delta l_{Aco}=1,343 \cdot 10^{-3} \ m

Portanto, a área limitada pelas hastes após o aquecimento é:

\displaystyle A=(l_{Al}+\Delta l_{Al}) \cdot (l_{Aco}+ \Delta l_{Aco})

\displaystyle A=(1,533+2,685 \cdot 10^{-3}) \cdot (1,533+1,343 \cdot 10^{-3})

\displaystyle A=2,356 \ m^{2}

Exercício 2 Uma ponte tem comprimento {L_1 = 145 \ m} à temperatura de {{26} \ ^oC}. É construída de uma liga metálica especial com o coeficiente de expansão térmica {\alpha = 1 \cdot 10^{-5} \ (^o{\mathbb C}^{-1})}. Calcule o comprimento {L_2} da ponte quando a temperatura for de {{43} \ ^oC}.

NÍVEL DE DIFICULDADE: Elementar.

Resolução 2 .

Trata-se do fenómeno de dilatação térmica que um corpo sofre quando é submetido a variações de temperatura.

Dados

{L_1=145 \ m}

{t_1 ={26} \ ^oC}

{\alpha=1 \cdot 10 \ ^{-5} \ ^oC^{-1}}

{L_2 \longrightarrow?}

{t_2 ={43} \ ^oC}

A equação da dilatação térmica de um sólido é:

\displaystyle \Delta L = \alpha L_1\Delta t

Mas {\Delta L=L_2 - L_1 \ } e {\Delta t = t_2 - t_1}.
Substituindo na equação anterior temos:

\displaystyle \Delta L = \alpha L_1\Delta t \Rightarrow L_2 - L_1 = \alpha L_1(t_2 - t_1)

Isolando {L_2}, tem-se:

\displaystyle L_2 = \alpha L_1(t_2 - t_1) + L_1 \Rightarrow L_2 = L_1[\alpha (t_2 - t_1) + 1]

Substituindo os valores:

\displaystyle L_2= 145 \ [1 \cdot 10^{-5} \ (43 - 26) + 1]

\displaystyle L_2 = 145,025 \ m

Exercício 3 Na temperatura ambiente ({26 \ ^oC}) os carris dos caminhos de ferro são montados em unidades de {12 \ m} de comprimento. Entre duas destas unidades fica sempre uma distância de {8,7 \ mm} livre para compensar expansão térmica dos carris. Calcule a temperatura máxima {T}, que considerou o projectista? O coeficiente da expansão térmica do aço utilizado é de {\alpha = 1,1 \cdot 10^{-5} \ (^oC^{-1})}.

NÍVEL DE DIFICULDADE: Elementar.

Resolução 3 .

Trata-se do fenómeno de dilatação térmica numa linha férrea. Para sabermos a temperatura máxima {T} considerada pelo projectista é suficiente que a variação do comprimento de cada peça seja igual a distância livre entre elas.

Dados

{t_o ={26} \ ^oC}

{l_o = 12\ m}

{d = 8,6\ mm = 8,6\cdot 10^{-3}\ m}

{t \longrightarrow?}

{\alpha = 1,1 \cdot 10^{-5} \ (^oC^{-1})}

A equação da dilatação linear é:

\displaystyle \Delta l = \alpha l_o \Delta T)

\displaystyle \Rightarrow \Delta l = \alpha l_o (t - t_o)\

Note que a variação de temperatura em Graus Celcius é igual a variação da temperatura em Kelvins.

Para se saber a temperatura máxima considerada pelo projetista é suficiente que, {\Delta l = d}. Substituindo na relação anterior, obtemos:

\displaystyle \Delta l = \alpha l_o (t - t_o) \Rightarrow d = \alpha l_o (t - t_o)

Isolando {t}:

\displaystyle t - t_o = \dfrac{d}{\alpha l_o} \Rightarrow t = \dfrac{d}{\alpha l_o} + t_o

Substituindo os valores de {t}, {l_o}, {d} e {\alpha} na equação anterior, obtemos:

\displaystyle t = \dfrac{8,6 \cdot 10^{-3}}{1,1 \cdot 10^{-5} \cdot 12} + 26

\displaystyle t = 91,15 \ ^oC

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1.2. Exercícios sobre sistema massa-mola (Parte 1)

— 1.2. Sistema massa-mola —

Exercício 16 .

Um corpo está pendurado em uma mola de { k= 600 \ N/m} e oscila com uma amplitude de {5 \ cm}.

Qual é a velocidade máxima desta oscilação e a massa do corpo, se o seu período for de {1 \ s} ?

NÍVEL DE DIFICULDADE: Elementar.

Resolução 16 .
Dados
{k= \ 600 \ N/m}
{A= \ 5 \ cm= \ 0,05 \ m}
{T= \ 1 \ s}
{v_M \rightarrow ?}
{m \rightarrow ?}

A velocidade máxima de um MHS é dada na forma:

\displaystyle v_M= A \cdot\omega

Por sua vez, sabemos que, para qualquer evento período:

\displaystyle \omega= \dfrac{2 \pi}{T}

Logo, substituindo na equação anterior, obtemos:

\displaystyle v_M= A \cdot \dfrac{2 \pi}{T}

\displaystyle \Rightarrow v_M=0,05 \cdot \dfrac{2 \pi}{1}

\displaystyle \Rightarrow v_M= \ 0,314 \ m/s

Para determinarmos a massa, podemos usar a relação de {\omega} para o sistema massa-mola. Sabemos que neste sistema, a relação o {\omega} é dado por:

\displaystyle \omega = \sqrt{ \dfrac{k}{m} }

Ou:

\displaystyle \omega^2 = \dfrac{k}{m}

Então, isolando a massa, obtemos:

\displaystyle m= \dfrac{k}{\omega^2}

Substituindo {\omega} pela sua relação com o período, obtemos:

\displaystyle m= \dfrac{k}{(2 \pi / T)^2}

\displaystyle \Rightarrow m= \dfrac{600}{(2 \pi / 1)^2}

\displaystyle \Rightarrow m= \ 15 \ kg

Exercício 17 .
Um corpo de { 0,1 \ kg} preso em uma mola ideal de rigidez elástica de {200 \ N/m} oscila em MHS com {5 \ cm} de amplitude. Qual é a velocidade do corpo no momento em que a energia cinética do corpo é o dobro da energia potencial?

NÍVEL DE DIFICULDADE: Regular.

Resolução 17 .
Dados
{m= \ 0,1 \ kg}
{k= \ 200 \ N/m}
{A= \ 5 \ cm= \ 0,05 m}
{m \rightarrow ?} ({E_c=2E_p})

Em qualquer ponto do percurso em uma oscilação, a energia total do corpo é a soma da energia cinética com a energia potencial do corpo naquele ponto, ou seja:

\displaystyle E_c + E_p = E_{Total} \ \ \ \ \ (1)

Pretende-se saber qual é a velocidade do corpo no ponto onde a energia cinética é o dobro da energia potencial,ou seja:

\displaystyle E_c=2 E_p \ \ \ \ \ (2)

Substituindo a equação 2 na equação 1, temos:

\displaystyle 2E_p + E_p = E_{Total}

\displaystyle 3E_p = E_{Total}

Substituindo as energias cinéticas e total pelos seus equivalentes, obtemos:

\displaystyle 3\dfrac{mv^2}{2}= \dfrac{kA^2}{2}

Isolando a velocidade, obtemos:

\displaystyle v= \sqrt{ \dfrac{k}{3m} \cdot A^2}

\displaystyle \Rightarrow v=1,29 \ m/s

Exercício 18 .
Um corpo caindo de uma altura de {10 \ cm } (em relação ao topo da mola), comprime a mola (ficando presa nesta) e inicia um MHS .Sendo a massa do corpo de {100 \ g} e a constante da mola {20 \ N/m}, determine a amplitude desta oscilação.

NÍVEL DE DIFICULDADE: Complexo.

Resolução 18 .
Dados
{h=10 \ cm= \ 0,1 \ m }
{m= \ 100 \ g= 0,1 \ kg}
{k= \ 20 \ N/m}
{g= \ 9,8 \ m/s^2}
{A \longrightarrow ?}

Na figura ilustramos o sistema em 3 situações diferentes:

  • Situação 1 – O corpo está na altura de 10 cm e a mola está relaxada. O corpo, inicialmente em repouso, cai em direcção a mola.
  • Situação 2 – O corpo chega na mola (e fica preso nela). A partir daqui a mola e o corpo movem-se como um só. até o momento do encontro, o movimento era acelerado e com aceleração constante. Após esse encontro, no corpo começa a actuar a força elástica e portanto a sua aceleração começa a diminuir. A medida em que o corpo desce, a mola se vai comprimindo mais, a força elástica vai aumentando e a aceleração do corpo diminui até zero e em seguida aumenta negativamente. Ai o corpo começa a fazer um movimento retardado.
  • Situação 3 – Após a sua velocidade reduzir até zero, o corpo pára momentaneamente (e em seguida faz o movimento de retorno a posição de equilíbrio).

Vamos adoptar a posição da situação 3 como referencial de altura.

De acordo com a ilustração do fenómeno é possível concluir que:

  • A oscilação começou no ponto de equilíbrio;
  • Na posição da situação 1 o corpo estava em repouso. Existe apenas a energia potencial gravítica (devido a altura de {h + A});
  • Na posição da situação 2, após cair aos { 10 \ cm}, o corpo está em movimento com uma velocidade definida pela altura de queda. O sistema possuí energia cinética (do corpo) e energia potencial gravítica (devido a altura {A});
  • Após comprimir a mola até ao máximo, o corpo para. Nesse momento o sistema só tem a energia potencial elástica.

Usando a descrição acima, para a situação 1, a energia do sistema será:

\displaystyle E_1=E_{c1}+E_{pel1}+E_{pgrav1}

\displaystyle \Rightarrow E_1=0+0+E_{pgrav1}

\displaystyle \Rightarrow E_1= m \cdot g \cdot (h+A)

Para a situação 2, a energia do sistema será:

\displaystyle E_2=E_{c2}+E_{pel2}+E_{pgrav2}

\displaystyle \Rightarrow E_2=E_{c2}+0+E_{pgrav2}

\displaystyle \Rightarrow E_2=\dfrac{m \cdot v_2^2}{2}+0+m \cdot g \cdot A

\displaystyle \Rightarrow E_2=\dfrac{m \cdot v_2^2}{2}+m \cdot g \cdot A

Para a situação 3, a energia do sistema será:

\displaystyle E_3=E_{c3}+E_{pel3}+E_{pgrav3}

\displaystyle \Rightarrow E_3=0+E_{pel3}+0

\displaystyle \Rightarrow E_3=E_{pel3}

\displaystyle \Rightarrow E_3=\dfrac{k \cdot A^2}{2}

Sabemos que neste movimento apenas actuam as forças de gravida e elástica, que são ambas conservativas. Então, a energia mecânica deste sistema permanece constante:

\displaystyle E_1=E_2=E_3=E

Obtemos a partir desta análise um sistema de 3 equações. Resolvendo-o, podemos obter todos os valores desconhecidos ({v_2}, {A} e {E}). Para obter a amplitude, podemos igualar as equações de {E_1} e {E_3}. Neste caso, obteremos:

\displaystyle E_1=E_3

\displaystyle \Rightarrow m \cdot g \cdot (h+A)=\dfrac{k \cdot A^2}{2}

\displaystyle \Rightarrow m \cdot g \cdot h+m \cdot g \cdot A=\dfrac{k \cdot A^2}{2}

\displaystyle \Rightarrow 0=\dfrac{k \cdot A^2}{2} - m \cdot g \cdot A - m \cdot g \cdot h

\displaystyle \Rightarrow \dfrac{k \cdot A^2}{2} - m \cdot g \cdot A - m \cdot g \cdot h =0

Substituindo os dados, obtemos:

\displaystyle \Rightarrow \dfrac{20 \cdot A^2}{2} - 0,1 \cdot 9,8 \cdot A - 0,1 \cdot 9,8 \cdot 0,1 =0

\displaystyle \Rightarrow 10 \cdot A^2 - 0,98 \cdot A - 0,098 =0

Em seguida, resolvemos a equação do segundo grau obtida pela fórmula resolvente ou por qualquer outro método conveniente.

Obtemos os seguintes resultados: {A_1=0,159 \ m} e {A_2=-061 \ m}.

como sabemos, a amplitude não pode ser negativa, então o valor aceite para amplitude deste MHS é:

\displaystyle A=0,159 \ m

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