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1.1. Exercícios sobre Introdução à Física: Vectores, Grandezas e Unidades (Parte 4)

 — 1.1. Exercícios sobre Introdução à Física: Vectores, Grandezas e Unidades (Parte 4) —

 

Exercício 10 A massa de um átomo de Urânio é de {4,0\cdot10^{-26} \ kg}. Quantos átomos de urânio existem em {8 \ g} de Urânio puro.

NÍVEL DE DIFICULDADE: Regular.

Resolução 10 .

É um problema cujo método de resolução é muito comum (3 simples).

Vamos começar por converter todas as grandezas para as mesmas unidades.

Neste caso, vamos converter a massa do átomo de urânio para gramas. Como é uma unidade com prefixo k (kilo), podemos converter de mondo simples, substituindo o prefixo pelo seu valor({k = 10^3}):

\displaystyle 4,0\cdot10^{-26} \ kg = 4,0 \cdot 10^{-26}\cdot 10^{3} \ g = \ 4,0\cdot10^{-23} \ g

Em seguida, fazemos a relação de proporção.

Chamamos de {x} ao número de átomos que pretendemos calcular. Neste caso:

\displaystyle 1 \ atomo \longrightarrow 4,0\cdot10^{-23} \ g

\displaystyle x \longrightarrow 8,0 \ g

Fazendo a multiplicação cruzada, obtemos:

\displaystyle x \cdot 4,0 \cdot10^{-23} \ g = 1 \ atomos(u) \cdot 8,0 \ g

Isolando o x, obtemos:

\displaystyle x = \frac{1 \ atomo(u)\cdot 8,0 \ g}{4,0\cdot10^{-23} \ g}

Resolvendo, temos:

\displaystyle x = 2,0\cdot 10^{23} \ atomos

Em {8 \ g} de urânio puro, existem {2,0\cdot 10^{23}} átomos de Urânio.

 

 

Exercício 12 Determine a partir da representação dada, o vector {\vec{c} \ = 3 \ \vec{a} \ + 2 \ \vec{b}} .

NÍVEL DE DIFICULDADE: Elementar.

Resolução 12 .

Podemos resolver este exercício utilizando a regra do paralelogramo.

Temos uma adição de 2 vectores onde nos é dado graficamente os módulos dos vectores e o ângulo entre eles.

A resolução aqui é feita apenas graficamente.

Desta feita, aplicando a regra do paralelogramo, teremos:

  • Em primeiro lugar, vamos traçar os vectores {3 \ \vec{a} } e { 2 \ \vec{b}}. Para tal, vamos na extremidade de {\vec{a}}, traçar outro vector idênticos à {\vec{a}}. Na extremidade deste segundo {\vec{a}}, traçar outro vector idênticos à {\vec{a}}. Neste caso, teremos o vector {3 \ \vec{a} }. Para o caso do vector { 2 \ \vec{b}}, o procedimento é análogo. Vamos na extremidade de {\vec{b}}, traçar outro vector idênticos à {\vec{b}}.Neste caso, teremos o vector {2 \ \vec{b} }. Veja a figura a seguir.

  • Em seguida, na extremidade do vector {3\vec{a}} traçamos uma imagem do vector {2\vec{b}} e na extremidade do vector {2\vec{b}} traçamos uma imagem do vector {3\vec{a}}.Veja a figura a seguir.

  • Em seguida, traçamos o vector resultante que terá como origem o ponto onde ambas origem dos dois vectores ({3 \vec{a}} e {2 \vec{b}}) se encontravam, e terá como extremidade o ponto de intercessão das extremidades das imagens ({3 \vec{a'}} e {2 \vec{b'}}).

    Então, na figura anterior, obtemos o vector {\vec{c}}.

 

 

Exercício 13 Determine a distância entre os corpos A e B na figura:

Resolução 13

Este é um Problema simples de Geometria Analítica. Trazemos aqui, a titulo de exemplo para aplicação em movimentos, como veremos a seguir.

Para determinarmos a distância entre os dois pontos, usaremos a formula apresenta na Geometria Euclidiana, para distância entre dois pontos num sistema de coordenadas cartesiano.

A Relação é:

\displaystyle d(A;B)=\sqrt{(x_B-x_A)^2+(y_B-y_A)^2}

Neste caso, {x_A=5; \ y_A=15; \ x_B= 25; \ y_B=5}.

Então, substituindo os valores na relação anterior, teremos:

\displaystyle d(A;B)=\sqrt{(25-5)^2+(5-15)^2}

Resolvendo, teremos:

\displaystyle d(A;B) = \sqrt{(20)^{2} \ + \ (-10)^{2}}

\displaystyle d(A;B) = \ 22,36 \ m

Logo, a distância entre os corpos A e B é igual a {22,36 \ m}.

 

 

Exercício 14

Sendo {\vec{v_{1}} \ = \ 3 \vec{e_{x}} \ + \ 2 \vec{e_{y}} \ + \ 4 \vec{e_{z}}} e {\vec{v_{2}} \ = \ 5 \vec{e_{y}} \ - \ 2 \vec{e_{z}}} Determine o módulo de {\vec{v} \ = \ \vec{v_{1}} \ + \ \vec{v_{2}}}

.

NÍVEL DE DIFICULDADE: Elementar.

Resolução 14 Para determinarmos o módulo do vector {\vec{v}}, é necessário que se conheça ou que se determine o vector {\vec{v}}

Sendo este vector{(\vec{v})} a soma entre os vectores {\vec{v_{1}}} e {\vec{v_{2}}}, teremos:

\displaystyle \vec{v} \ = \vec{v_{1}} \ + \ \vec{v_{2}}

Substituindo as componentes, obtemos:

\displaystyle \vec{v} \ = (\ 3 \vec{e_{x}} \ + \ 2 \vec{e_{y}} \ +?\ 4 \vec{e_{z}}) \ + \ (5 \vec{e_{y}} \ - \ 2 \vec{e_{z}})

Efectuando a operação, teremos:

\displaystyle \vec{v} \ = \ 3 \vec{e_{x}} \ + \ 7 \vec{e_{y}} + \ 2 \vec{e_{z}}

Nota: Lembre-se que, para obtermos esta expressão, somou-se os números da mesma coordenada de ambos os vectores, ou, se quisermos usar a linguagem da álgebra, os termos semelhantes.

Então, podemos determinar o módulo do vector {\vec{v}} a partir da seguinte relação:

\displaystyle |\vec{v}| \ = \ \sqrt{x^{2} \ + \ y^{2} \ + \ z^{2}}

Onde: x, y e z são os componentes deste vectores, portanto, substituindo os valores destes componentes do vector {\vec{v}} , teremos:

\displaystyle |\vec{v}| \ = \ \sqrt{(3)^{2} \ + \ (7)^{2} \ + (2)^{2}}

Resolvendo:

\displaystyle |\vec{v}| \ = \ 7,87

Logo, o vector {\vec{v}} tem o módulo igual a {7,87} unidades.

Note: No calculo do módulo de {\vec{v}} não usamos os vectores {e_{x}, \ e_{y}, \ e \ e_{z}}. Estes vectores são unitários. Só servem para indicar as direcções.

 

Exercício 15 A soma dos módulos de dois vectores é igual a 7 m. Quando colocados perpendicularmente, o módulo da soma destes vectores é de 5 m. Quais são os módulos destes vectores?

NÍVEL DE DIFICULDADE: Regular.

Resolução 15

Este exercício é um problema simples de Geometria Analítica.

Para resolve-lo, vamos atribuir duas variáveis aos modelos dos vectores, e usaremos as condições do enunciado para formarmos um sistema de equações.

Consideramos que {x \ } é o módulo de um dos vectores e {\ y}O módulo de outro vector, então:

  • {x \ + \ y \ = \ 7} De acordo com a primeira condição dada no problema.

Quando colocados perpendicularmente estes dois vectores, o vector resultante forma a hipotenusa de um triângulo rectângulo com esses dois vectores. Então, teremos a situação da figura.

Se { | \vec{v_{1}}|= \ x}, {|\vec{v_{2}} | = \ y} e o {|\vec{v}|=5}, então, pelo Teorema de Pitágoras, teremos :

{x^{2} \ + \ y^{2} \ = \ (5)^{2}}

Formando um sistema de equações com duas equações obtidas das condições, teremos:

\displaystyle \left\{\begin{array}{cccccc} x & + y & = & 7\\ x^{2} & + & y^{2} & = & 25\\ \end{array}\right.

Isolando {y} na equação 1 substituindo na equação 2, teremos:

\displaystyle \left\{\begin{array}{cccccc} y & = 7 & - & x\\ x^{2} & + & y^{2} & = & 25 \end{array}\right. \Rightarrow \left\{\begin{array}{cccccc} y & = 7 & - & x\\ x^{2} & + & (7 \ - \ x)^{2} & \ = \ & 25 \end{array}\right.

\displaystyle \Rightarrow x^{2} \ + \ (7 \ - \ x)^{2} \ = \ 25

Desfazendo a diferença de quadrado e efectuando as operações, teremos:

\displaystyle x^{2} \ - \ 7 \ x \ + \ 12 \ = \ 0

Resolvendo esta equação utilizando a Fórmula de Resolvente, obtemos:

\displaystyle x_{1,2} \ = \dfrac{-b \pm \ \sqrt{b^{2} \ - \ 4 \ a \ c}}{2 \ a}

,onde {a \ = \ 1} , {b \ = \ - \ 7} e {c \ = \ 12}.

Substituindo os valores e resolvendo, teremos como resultado {x_{1} \ = \ 3} e {x_{2} \ = \ 4}

Substituindo os valores de {x_{1}} e de {x_{2}} na primeira equação do sistema, e calculando os valores correspondentes de {y}, teremos as seguintes valores para {y } : {y_1 \ = \ 4 \ e \ y_2 \ = \ 3}

Logo, temos como solução : s = { \left\{\begin{array}{cccccc} (x = 4, &y = 3)\\ (x = 3, &y = 4) \end{array}\right. }

Ambas as as soluções são aceitáveis e permutadas entre si.

Desta feita, dois vectores são: {4 \ m \ e \ 3 \ m}.

OBS: Como qualquer trabalho, esta publicação pode estar sujeita a erros de digitação, falta de clareza na imagem ou alguma insuficiência na explicação. Neste sentido, solicitamos aos nossos leitores o seguinte:

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1.1. Exercícios sobre Introdução à Física: Vectores, Grandezas e Unidades (Parte 3)

Exercício 8 Se uma grandeza fictícia {K} tem unidade {\dfrac{ab^2}{c}} num certo sistema de unidade: Se as correspondências no SI são:

{1 \ a = 95 \ x}

{1 \ b = 57 \ y}

{1 \ c = 0,5 \ z}

Qual é o valor de {K = 18 \dfrac{ab^2}{c}} no SI ?

NÍVEL DE DIFICULDADE: Elementar.

Resolução 8 .

O objectivo do exercício é converter a unidade de {K} para o SI.

Vamos converter para o SI, substituindo o valor de {a}, {b}, {c} na expressão de {K = 18\dfrac{ab^2}{c}}.

.

\displaystyle K = 18\dfrac{ 95x \cdot (57y)^2}{0,5z}

\displaystyle \Rightarrow K = \dfrac{18 \cdot 95 \cdot (57)^2}{0,5} \cdot \dfrac{x \cdot y^2}{z}

\displaystyle K = 11111580\dfrac{x \cdot y^2}{z}

Exercício 9 Duas forças {\vec{F_1}} e {\vec{F_2}} de {10 \ N} e {20 \ N} respectivamente actuam sobre um corpo.

Qual deverá ser o modulo e a direcção da 3ª força ({\vec{F_3}}) para que a resultante seja nula?.

NÍVEL DE DIFICULDADE: Elementar.

Resolução 9 .

Teremos que inicialmente que a resultante entre as forças {\vec{F_1}}, {\vec{F_2}} e {\vec{F_3}} deve ser nula. Quer dizer que as três forças fazem parte do mesmo sistema bidimensional. A nível de análise gráfica, poderíamos determinar a resultante (parcial) das forças {F_{1}} e {F_{2}}. Chamamos ela de {F_{1/2}}. A força três, neste caso, terá sentido contrário ao vector força {F_{1/2}}, para que equilibre este resultante.

Neste caso:

\displaystyle \vec{F_3} = -\vec{F_{2/1}} \ ; \ F_3 = F_{1/2}

Para calcular a força {F_{1/2}}, vamos aplicaras componentes:

\displaystyle F_{1/2x} = F_{1x} + F_{2x}= F_{1} + 0 = F_{1} = 10 N

\displaystyle F_{1/2y} = F_{1y} + F_{2y}= 0 + F_{2} = F_{2} = 20 N

Então:

\displaystyle \vec{F_{1/2}} = F_{1/2x} \vec{i} + F_{1/2y} \vec{j} = 10 \vec{i} + 20 \vec{j} [N]

Logo:

\displaystyle \vec{F_3} = -\vec{F_{2/1}}= - 10 \vec{i} - 20 \vec{j} [N]

Em modulo:

\displaystyle F_3 = \sqrt{(-10)^2 + (-20)^2} = \sqrt{500} [N]

\displaystyle F_3 = 22,36 \ N

A direcção é definida pelos ângulos:

\displaystyle \alpha_1 = \arctan \frac{F_{3y}}{F_{3x}}

\displaystyle \alpha_2 = 180^o + \arctan \frac{F_{3y}}{F_{3x}}

Calculando:

\displaystyle \alpha_1 = \arctan{(\frac{-20}{-10})}=63 ^o

\displaystyle \alpha_2 = 180^o + \arctan{(\frac{-20}{-10})}= 243^o

Como o vector pertence ao 3º quadrante (as componentes são ambas negativas), a direcção e sentido são definidas por:

\displaystyle \alpha_2 = 243^o

Exercício 10 Um móvel percorre um troço de {400 \ km} em {2 \ dias}. Qual é a velocidade média desta viagem ? NÍVEL DE DIFICULDADE: Elementar.
Resolução 10 .

Dados

{v_m = \ ?}

{\Delta s = 400 \ km}

{\Delta t = 2 \ dias}

O exercício trate de um movimento genérico. Quando queremos analisar o movimento como um todo, usamos a velocidade e aceleração média. Então, a análise do movimento assemelha-se a um M.R.U, onde que a velocidade média é:

\displaystyle v_m = \dfrac{\Delta s}{\Delta t}

Antes de calcular a {v_m}, vamos converter os {2 \ dias} para {h}, para usarmos unidades habituais em movimentos desta natureza. Vamos utilizar o sistema de “3 simples”:

\displaystyle 1 \ dia \longrightarrow 24 \ h

\displaystyle 2 \ dias \longrightarrow t

Multiplicado de forma cruzada, obtemos:

\displaystyle t \cdot 1 \ dia = 2 \ dias \cdot 24 \ h

\displaystyle t = 48 \ h

Agora podemos calcular a {v_m}:

\displaystyle v_m = \dfrac{\Delta s}{\Delta t} = \dfrac{400 \ km}{48 \ h}

\displaystyle v_m = 8,33 \ km/h

Também poderíamos apresentar o valor da {v_m} em {m/s}, basta para isso dividir o valor em {km/h} por 3,6 e teremos em {m/s}.

\displaystyle v_m = \dfrac{8,33}{3,6} \ m/s

\displaystyle v_m = 2, 31 \ m/s

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1.1. Exercícios sobre Introdução à Física: Vectores, Grandezas e Unidades (Parte 2)

Exercício 5 Converter para o SI s seguintes unidades:

  1. { 10 \ km/s }.
  2. { 20 \ polegadas }.
  3. { 25 \ km/h^2 }.

NÍVEL DE DIFICULDADE: Elementar.

Resolução 5 .

Para converter-mos no SI, vamos utilizar o sistema de “3 simples”.

  1. –    { \dfrac { 10 \ km}{s}\rightarrow \dfrac {m}{s} }Neste Caso, temos de converter apenas o numerador, de {km} para {m}.

    \displaystyle 1 \ km \longrightarrow 1000 \ m

    \displaystyle 10 \ km \longrightarrow x

    Então, fazendo multiplicação cruzada, obteremos:

    \displaystyle x \cdot 1 \ km = 1000 \ m \cdot 10 \ km

    \displaystyle x = 10000 \ m

    Quer dizer que {10 \ km = 10000 \ m} logo, {10 \ km/s } no Sistema Internacional equivale a {10000 \ m/s }.

    .

  2. –      { 20 \ polegadas \rightarrow m }Sabemos que: { 1 \ polegada \approx 0,025 \ m } Então, usando o sistema de “3 simples”

    \displaystyle 1 \ polegada \longrightarrow 0,025 \ m

    \displaystyle 20 \ polegadas \longrightarrow x

    fazendo multiplicação cruzada, obteremos:

    \displaystyle x \cdot 1 \ polegada = 0,025 \ mc \cdot 20 \ polegadas

    \displaystyle x = 0,5 \ m

    Quer dizer que {20 \ polegadas} no Sistema Internacional equivale a {0,5 \ m }.

    .

  3. –    { \dfrac {25 \ km}{h^2} \rightarrow \dfrac {m}{s^2}}.Vamos começar por converter {km} em {m} e depois {h} em {s}, então: {2}

    \displaystyle 1 \ km \longrightarrow 1000 \ m

    \displaystyle 25 \ km \longrightarrow x

    \displaystyle x \cdot 1 \ km = 1000 \ m \cdot 25 \ km

    \displaystyle x = 25000 \ m

    \displaystyle 1 \ h \longrightarrow 60 \ min

    \displaystyle 1 \ min \longrightarrow 60 \ s

    \displaystyle 1 \ h = 60 \times 60 \ s = 3600 \ s

    \displaystyle (1 \ h)^2 = (3600 \ s)^2 = 12960000 \ s^2

    \displaystyle 1 \ h^2 = 12960000 \ s^2

    Vamos substituir as equações {25 \ km = 25000 \ m} e {1 \ h^2 = 12960000 \ s^2} na expressão inicial:

    \displaystyle 25 \ km/h^2 =\dfrac {25 \ km}{h^2} = \dfrac {25000 \ m}{ 12960000 \ s^2}

    \displaystyle = \dfrac{25000 \ m}{12960000 \ s^2} =0,0019 \ m/s^2

    Quer dizer que, no SI { \dfrac {25 \ km}{h^2} = 0,0019 \ m/s^2}.

Exercício 6 Numa partícula actuam 3 forças conforme indica a figura abaixo:

Determine a força resultante sabendo que {F_1 = 3 \ N, F_2 = 5 \ N, F_3 = 8 \ N  \ e  \  \alpha = 10^o}

NÍVEL DE DIFICULDADE: Regular.

Resolução 6 .

Para sabermos a força resultante, devemos encontrar as componentes das forças aplicadas nos eixos Ox e Oy. Como as Forças primeiramente devemos traçar as correspondestes das {F_1} e {F_3} são paralelas aos eixos Ox e Oy, respectivamente, elas só têm uma componente não nula, que corresponde ao eixo a que são paralelas. A componente no outro eixo é nula. Para da força {F_2}, devemos projecta-la nos eixos e calcular as componentes para cada eixo (Ox e Oy).

Calculamos as componentes usando as razões trigonométricas:

\displaystyle F_{2x} = F_2 \sin \alpha \ ; \ F_{2y} = F_2 \cos \alpha

\displaystyle F_{2x} = 0,86 \ N \ ; \ F_{2y} = 4,92 \ N

Vamos agora Fazemos então a soma vectorial das componentes Ox e Oy:

\displaystyle \vec{F_{Rx}} = \vec{F_1} + \vec{F_{2x}} \ ; \ F_{Rx} = F_1 - F_{2x} = 3 - 0,86 = 2,14 \ N

\displaystyle \vec{F_{Ry}} = \vec{F_{2y}} - \vec{F_3} \ ; \ F_{Ry} = F_{2y} - F_3 = 4,92 - 8 = -3,08 \ N

O módulo força resultante é dada pelo teorema de Pitágoras:

\displaystyle F_R = \sqrt{F_{Rx}^2 + F_{Ry}^2}

\displaystyle F_R = \sqrt{(2,14)^2 + (-3,08)^2} = \sqrt{14,066}

\displaystyle F_R = 3,75 \ N \approx 4 \ N

Exercício 7 Se as componentes da velocidade de um móvel são {v_x = 10 \ m/s}, {v_y = 5 \ m/s} e {v_z = 2v_x + 3v_y}.

Determine: o modulo deste vector velocidade.

NÍVEL DE DIFICULDADE: Elementar.

Resolução 7 .

Dados

{v_x = 10 \ m/s}

{v_y = 5 \ m/s}

{v_z = 2v_x + 3v_y}

{v_z\rightarrow \ ? }

{|v| \rightarrow \ ? }

Para determinar o modulo do valor velocidade, primeiramente devemos determinar o valor da coordenada da velocidade em z ({v_z}), substituindo o valor das velocidades de {v_x} e {v_y} em {v_z}.

\displaystyle v_z = 2v_x + 3v_y \Rightarrow v_z = 2 \cdot 10 + 3 \cdot 5

\displaystyle v_z = 35 \ m/s

Neste caso, a velocidade será obtida de modo seguinte:

\displaystyle |\vec{v}| = \sqrt{v_x^2 + v_y^2 + v_z^2} = \sqrt{10^2 + 5^2 + 35^2}

\displaystyle |\vec{v}| = \sqrt{100 + 25 + 1225} = \sqrt{1350}

\displaystyle |\vec{v}| = 36,74 \ m/s

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