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1.2. Exercícios sobre sistema massa-mola (Parte 2)

10/23/2020 11:57 am / Deixe um comentário

Exercício 1 Um móvel executa MHS e obedece a função horária ${x = 3 \cdot cos(0,5 \pi t + \pi)}$ , no SI.

Determine o tempo necessário para que este móvel vá da posição de equilíbrio para a posição de elongação máxima.
Obtenha o valor da aceleração no instante ${t = 1 \ s}$ .

Nível de dificuldade: Regular.

Resolução 1 .

Sabemos que num MHS o tempo que o corpo leva a sair do extremo para a posição de equilíbrio ou vice-versa é igual a um quarto do período ${t= \dfrac{T}{4}}$ . Neste caso, precisamos calcular o período e depois calcular o ${t}$ .
Na equação obtemos que:
$\displaystyle \omega=0,5 \pi \ rad/s$

Mas sabemos que ${ \omega= \dfrac{2 \pi}{T}}$ . Então:

$\displaystyle \omega=0,5 \pi$

$\displaystyle \Rightarrow \dfrac{2 \pi}{T}=0,5 \pi$

$\displaystyle \Rightarrow \dfrac{2}{T}=0,5$

$\displaystyle \Rightarrow 2 = 0,5 T$

$\displaystyle \Rightarrow T = \dfrac{2}{0,5}$

$\displaystyle \Rightarrow T = 4 \ s$

Neste caso, o tempo é:

$\displaystyle t= \dfrac{T}{4}$

$\displaystyle \Rightarrow t = 1 \ s$
Precisamos saber primeiro a função da aceleração desse movimento, que é dada pela segunda derivada da posição em função do tempo, ou seja
$\displaystyle a = \dfrac{d^2x}{dt^2}$

Logo:

$\displaystyle a = \dfrac{d}{dt} \Bigg[ \dfrac{d x}{dt} \Bigg]$

$\displaystyle a = \dfrac{d}{dt} \Bigg[ \dfrac{d}{dt}[3 \cos(0,5 \pi t + \pi)] \Bigg]$

$\displaystyle a = \dfrac{d}{dt} \Bigg [-3 \cdot 0,5 \pi sen (0,5 \pi t + \pi) \Bigg]$

$\displaystyle a = \dfrac{d}{dt} \Bigg [-1,5 \cdot \pi sen (0,5 \pi t + \pi) \Bigg]$

$\displaystyle a = -1,5 \pi \cdot0,5 \pi \cos(0,5 \pi t + \pi)$

$\displaystyle a = -0,75 \pi^2 \cdot \cos(0,5 \pi t + \pi)$

Considerando ${t = 1 \ s}$ , logo:

$\displaystyle a = -0,75 \pi^2 \cdot \cos(0,5 \pi \cdot 1 + \pi)$

$\displaystyle a = 0$

Exercício 2 Na figura ao lado, dois blocos ( ${m = 2 \ kg}$ e ${M = 16 \ kg}$ ) e uma mola ( ${k = 250 \ N/m}$ ) estão dispostos em uma superfície horizontal sem atrito. O sistema oscila em MHS com amplitude de ${10 \ cm}$ . Qual deverá ser o coeficiente de atrito mínimo para que o bloco menor fique na eminência de deslizar sobre o bloco maior ?

Nível de dificuldade: Regular.

Resolução 2 .

Dados:

${m=2 \ kg}$

${M=16 \ kg}$

${k=250 \ N/m}$

${A=10 \ cm = 0,1 \ m}$

${ \mu \longrightarrow ? }$ (eminência de cair).

Para que o bloco menor fique fique em repouso relativo ao bloco maior, deslizando conjuntamente com ele, (na iminência de deslizar sobre bloco maior, mas não deslizando) é necessário que haja uma igualdade entre a força que o bloco maior aplica ao bloco menor (determinada a partir da aceleração) e a força de atrito existente na superfície de contacto entre eles (1ª Lei de Newton).

$\displaystyle Diagrama \ do \ corpo \ livre$

Como estamos a tratar de um MHS, a força aplicada pelo bloco de baixo ao bloco de cima é:

$\displaystyle F_M = m \cdot a_{mhs}$

Onde ${a_{mhs}}$ é a aceleração do MHS.

Logo:

$\displaystyle F_M = F_a$

$\displaystyle m \cdot a_{mhs} = \mu \cdot N$

Como o bloco ${m}$ não está inclinado nem em relação a horizontal, logo:

$\displaystyle N = m \cdot g$

Então:

$\displaystyle F_M = F_a$

$\displaystyle \Rightarrow m \cdot a_{mhs} = \mu \cdot m \cdot g$

$\displaystyle a_{mhs} = \mu \cdot g$

Nota: O enunciado não sugere que o bloco deslize, mas sim que ele fique prestes a deslizar. Esta situação só pode ser analisada quando os dois blocos atingem o extremo. Neste ponto a força exercida pela mola é máxima e consequentemente a ${a_{mhs}}$ também é máxima. logo:

$\displaystyle a_{mhs} = A \cdot \omega^2$

Num sistema massa-mola:

$\displaystyle \omega^2 = { \dfrac{k}{m_{sist}}}$

Além disso, a frequência angular não depende somente do bloco ${m}$ , mas sim dos dois, pois a mola desloca os dois em conjunto. Então:

$\displaystyle \omega^2 = { \dfrac{k}{m + M}}$

$\displaystyle a_{mhs} = \mu \cdot g$

Voltando a igualdade entre as forças, teremos:

$\displaystyle A \cdot \omega^2 = \mu \cdot g$

$\displaystyle A \cdot \dfrac{k}{m + M} = \mu \cdot g$

$\displaystyle \mu = \dfrac{A \cdot k}{g(m + M)}$

$\displaystyle \mu = \dfrac{0,1 \cdot 250}{9,8(16 + 2)}$

$\displaystyle \mu = 0,142$

Exercicío 3 Um corpo de ${60 \ g}$ , preso a uma extremidade de uma mola ideal ( ${k = 3,2 \ N/m}$ ) comprimida de ${32 \ cm}$ , é abandonado do repouso na posição “A” da figura. A partir desse instante o corpo inicia o MHS. Despreze o atrito e adote o ponto de equilíbrio do corpo (ponto O) e sentido para a direita como referencial. Nessas condições, determine a equação da posição e da velocidade desse MHS.

Nível de dificuldade: Regular.

Resolução 3 .

Dados

${k = 3,2 \ N/m}$

${A = 32 \ cm = 0,32 \ m}$

${m = 60 \ g = 0,06 \ kg}$

O corpo inicialmente se encontra no extremo negativo (de acordo com a figura inicial). Estando neste extremo, de acordo com a situação (mola comprimida) ao ser solto vai movimentar-se para a posição de equilíbrio e continuar a oscilar. Veja o gráfico analítico abaixo:

A equação geral da posição de um MHS é:

$\displaystyle x = Asen ( \omega t + \varphi_0)$

Considere o gráfico genérico da função ${x=sen (\varphi)}$ .

Para a função ${sen}$ o extremo negativo é atingido para a fase ${- \dfrac{ \pi}{2}}$ ou ${ \dfrac{3 \pi}{2}}$ .

Sendo que a oscilação começa a partir do extremo negativo (Ponto A), logo ${ \varphi_0 = - \dfrac{ \pi}{2}}$ .

Sabemos que, num sistema corpo-mola:

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

Então:

$\displaystyle \omega = \sqrt{ \dfrac{3,2}{0,06}} = 7,30 rad/s$

Logo, substituindo na equação geral, obtemos:

$\displaystyle x = 0,32sen \ (7,30 \ t - \dfrac{ \pi}{2}) \ [SI]$

A velocidade de um movimento é dada como a derivada da equação da posição, ou seja:

$\displaystyle v = \dfrac{dx}{dt}$

Logo:

$\displaystyle v = \dfrac{d}{dt} \Big[0,32sen \ (7,30 \ t - \dfrac{ \pi}{2}) \Big]$

$\displaystyle v = 0,32 \cdot 7,30 \cdot \cos \ (7,30 \ t - \dfrac{ \pi}{2})$

$\displaystyle v = 2,337 \cos \ (7,3 \ t - \dfrac{ \pi}{2}) \ [SI]$

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 Carga, Forças Eléctricas (Parte 4)

08/03/2020 4:52 pm / Deixe um comentário

— 1.1. Exercícios sobre Carga e Forças Eléctricas —

Exercício 10 Um conjunto de 4 cargas iguais, de ${5 \ \mu C}$ estão dispostas da base de uma pirâmide de base quadrada, dada na figura.

${a= \ h= \ 20 \ mm}$ .

Qual deverá ser a massa da carga de prova (de valor igual) para que ela flutue em equilíbrio dinâmico?

NÍVEL DE DIFICULDADE: Complexo.

Resolução 10 .

O exercício nos apresenta uma carga de prova ${(q_{o})}$ que está acima de um arranjo quadrado de cargas, formando assim uma pirâmide. As cargas se encontram nos vértices da pirâmide.

A carga flutua por interacção electrostática. Sendo que todas as cargas são positivas, existem forças repulsivas constantes entre as cargas.Dados

${K \approx \ 9 \cdot 10^9 \ Nm^2/C^2}$

${H= \ a= \ 20 \ mm= \ 20 \cdot 10^{-3} m}$

${q_0=q_1=q_2=q_3=q_4= \ 5 \ \mu C= \ 5 \cdot 10^{-6} \ C}$

${m-?}$

Sendo que a figura geométrica é regular e simétrica, a distancia entre a carga ${q_0}$ com as outras cargas é igual. Chamamos a esta distancia de ${d}$ .

Veja a figura abaixo.

Considerando o triângulo rectângulo formado entre as cargas ${q_1}$ , ${q_2}$ e o centro do quadrado da base ${O}$ , teremos:

$\displaystyle b^2+b^2=a^2$

$\displaystyle \Rightarrow 2 \cdot b^2=a^2$

$\displaystyle \Rightarrow \cdot b^2=\dfrac{a^2}{2}$

Isolando ${b}$ , teremos:

$\displaystyle b=\sqrt{\dfrac{a^2}{2}}$

Analisando o triângulo rectângulo formado pelas cargas ${q_1}$ , ${q_0}$ e o centro do quadrado da base ${O}$ , teremos:

$\displaystyle b^2+h^2=d^2$

Ou:

$\displaystyle d^2=b^2+h^2$

$\displaystyle \Rightarrow d^2= \dfrac{a^2}{2}+a^2$

$\displaystyle \Rightarrow d^2= \dfrac{3a^2}{2}$

Na carga ${q_0}$ actuam ao todo 4 forças repulsivas, da sua interacção com as outras cargas (1, 2, 3 e 4).

Chamamos a estas forças ${F_{01}}$ , ${F_{02}}$ , ${F_{03}}$ e ${F_{04}}$ .

Então:

$\displaystyle F_{01}=F_{02}=F_{03}=F_{04}$

O facto de as distâncias serem todas iguais e de as cargas terem o mesmo valor absoluto, pela lei de Coulomb, nos leva a concluir que as forças electrostáticas de repulsão entre ${q_0}$ e as outras cargas (1, 2, 3 e 4) são todas iguais.

Os seus módulos serão:

$\displaystyle F_{01} \ = F_{02} \ = F_{03} \ =F_{04} \ = \ k\dfrac{|q_{1}|.|q_{0}|}{d^{2}}$

Substituindo ${d^2}$ , teremos:

$\displaystyle F_{01} = \ k\dfrac{|q_{1}|.|q_{0}|}{3a^{2}/2}$

Calculando:

$\displaystyle F_{01} = \ 9 \cdot 10^9 \dfrac{5 \cdot 10^{-6} \cdot 5 \cdot 10^{-6}}{3(20 \cdot 10^{-3}) ^{2}/2}$

$\displaystyle \longleftrightarrow F_{01} = 375 \ N$

Lembre que:

$\displaystyle F_{01} \ = F_{02} \ = F_{03} \ =F_{04}$

$\displaystyle \Rightarrow F_{01} \ = F_{02} \ = F_{03} \ =F_{04} \ = 375 \ N$

As forças ${F_{01}}$ , ${F_{02}}$ , ${F_{03}}$ e ${F_{04}}$ , além de terem o mesmo modulo, são todas respectivamente paralelas a diagonal formada pelo segmento que une as cargas que as originam. Neste caso, pela simetria do problema, todas estas diagonais formam o mesmo ângulo ${\theta}$ com o plano horizontal ${xOy}$ .

Neste caso, todas estas forças formarão também o mesmo ângulo ${\theta}$ com o plano horizontal ${xOy}$ .

Se inserirmos um sistema de coordenadas cartesiano em ${q_0}$ e projectarmos as forças, as projecções destas forças no plano ${xOy}$ vão anular-se mutuamente.

Na figura, só representamos as projecções para ${F_{03}}$ e para ${F_{04}}$ . Pela simetria do problema, poderemos deduzir as outras.

O eixo ${x}$ foi traçado de modo a ser paralelo a diagonal que contem ${q_1}$ e ${q_3}$ .

O eixo ${y}$ foi traçado de modo a ser paralelo a diagonal que contem ${q_4}$ e ${q_2}$ .

O eixo ${x}$ foi traçado de modo a ser paralelo a vertical que contem o ponto O e ${q_0}$ .

Neste caso:

${F_{01}}$ pertence ao plano ${xOz}$ ,
${F_{02}}$ pertence ao plano ${yOz}$ ,,
${F_{03}}$ pertence ao plano ${xOz}$ ,
${F_{04}}$ pertence ao plano ${zOz}$ .

As componentes horizontais (no plano ${xOy}$ ) anulam-se:

${F_{01x}}$ anula ${F_{03x}}$ ,
${F_{02y}}$ anula ${F_{04y}}$ .

Sobram apenas as componentes verticais. As projecçõpes verticais das forças ${F_{01}}$ , ${F_{02}}$ , ${F_{03}}$ e ${F_{04}}$ podem ser calculadas pelas seguintes relação:

$\displaystyle F_{01z}=F_{01z} \sin \theta$

Temos de obter o ângulo ${\theta}$ . Considerando o triângulo rectângulo formado pelas cargas ${q_1}$ , ${q_0}$ e o centro do quadrado da base ${O}$ , teremos:

$\displaystyle tg \theta = \dfrac{h}{b} \Rightarrow \theta = arctg \dfrac{h}{b}$

Substituindo ${h}$ e ${b}$ pelos seus valores, obtemos:

$\displaystyle \theta = arctg \dfrac{a}{a/\sqrt{2}}$

$\displaystyle \Rightarrow \theta = arctg \sqrt{2}$

$\displaystyle \Rightarrow \theta = 54,7^o$

Sabemos que, pela simetria do problema ${F_{01z}=F_{02z}=F_{03z}=F_{04z}}$ . Então:

$\displaystyle F_{01z}=F_{01} \sin \theta = 375 cos 54,7^o$

$\displaystyle F_{01z}=216,7 \ N$

As resultante das componentes verticais será igual a força eléctrica resultante em ${q_0}$ , que chamamos de ${F_{el}}$ .

Neste caso:

$\displaystyle F_{el}=F_{01z} + F_{02z} +F_{03z} + F_{04z}$

$\displaystyle F_{el}=4 \cdot F_{01z}$

$\displaystyle F_{el}=4 \cdot 216,7$

$\displaystyle F_{el}=866,8 \ N$

Para quê a carga de prova flutue em equilíbrio dinâmico é necessário que a força eletrostática resultante que atua nela seja igual a força de gravidade:

$\displaystyle F_{el} \ = \ F_{g}$

Então:

$\displaystyle F_{el} \ = \ m \ . \ g$

Ou:

$\displaystyle \ m \ . \ g = F_{el}$

$\displaystyle \Rightarrow m \ = \dfrac{F_{el}}{g}$

$\displaystyle \Rightarrow m \ = \dfrac{866,8}{9,8}$

$\displaystyle \Rightarrow m \ = \ 88,44 \ kg$

Exercício 11 Uma carga de prova ${q_0= \ 10 \ \mu C}$ de massa depressível, esta presa numa mola também de massa depressível, com constante ${K'= \ 10 \ N/m}$ , conforme a figura abaixo.

Uma outra carga ${q_1 \ =50 \ \mu C}$ é fixada abaixo desta. qual devera ser a distância entre as cargas para que a mola seja comprimida em 3 cm.

NÍVEL DE DIFICULDADE: Regular.

Resolução 11 .

O sistema apresenta um arranjo de cargas, onde a carga ${q_0}$ está presa a uma mola. Actuam nela a força eléctrica ${F_{01}}$ e a força elástica ${(F_k)}$ .

A mola está comprimida devido a força de repulsão. A massa da mola é depressível. ${K'}$ -constante elástica e ${K}$ – constante electrostática. O uso de ${K'}$ em vez do habitual ${K}$ para a constante elástica da mola é para distingui-lo da constante electrostática do meio ${K}$ .

As duas cargas são positivas, logo a força de interacção entre elas é de repulsão. Esta força tenderá a comprimir a mola. A compressão termina quando se atinge o equilíbrio entre a força deformadora (força eléctrica) e a força restauradora (força elástica).

Aplicaremos a condição de equilíbrio, substituiremos a força eléctrica pela relação obtida da lei de Coulomb, e isolaremos a distância d.

Dados

${K'= \ 10 \ N/m}$

${K \approx \ 9 \cdot 10^9 \ Nm^2/C^2}$

${x= \ 3 \ cm= \ 3 \cdot 10^{-2}}$

${q_0= \ 10 \ \mu C= \ 10 \cdot 10^{-6} \ C}$

${q_1= \ 50 \ \mu C= \ 50 \cdot 10^{-6} \ C}$

${d-?}$

Sabemos que, pela lei de Hook:

$\displaystyle F_{k}=K' \cdot x ($

Sabemos também, pela Lei de Coulomb, que:

$\displaystyle F_{01}=K\dfrac{|q_0| \cdot |q_1|}{d^2}$

Considerando que na carga ${q_0}$ as duas forças estão em equilíbrio, temos:

$\displaystyle \vec{F_{k}}+\vec{F_{01}}=0$

Em módulo, teremos:

$\displaystyle F_{k}-F_{01}=0$

$\displaystyle \Rightarrow F_{k}=F_{01}$

Substituindo as forças pelas suas relações, temos:

$\displaystyle K' \cdot x=K\dfrac{|q_0| \cdot |q_1|}{d^2}$

Passando o ${d^2}$ no membro esquerdo e a ${K' \cdot x}$ para o membro direito, obtemos:

$\displaystyle d^2=\dfrac{K \cdot |q_0| \cdot |q_1|}{K' \cdot x}$

$\displaystyle \Rightarrow d=\sqrt{\dfrac{K \cdot |q_0| \cdot |q_1|}{K' \cdot x}}$

Substituindo os valores:

$\displaystyle \Rightarrow d=\sqrt{\dfrac{9 \cdot 10^9 \cdot 10 \cdot 10^{-6} \cdot 50 \cdot 10^{-6}}{10 \cdot (3 \cdot 10^{-2})}}$

$\displaystyle d= \ 3, 87 \ m$

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2.1. Exercícios sobre Reflexão da Luz e Espelhos Planos (Parte 2)

07/23/2020 7:15 pm / 1 comentário em 2.1. Exercícios sobre Reflexão da Luz e Espelhos Planos (Parte 2)

Exercício 11 Três espelhos interceptam-se em ângulos rectos.Um feixe de luz atinge o primeiro deles com um ângulo ${\theta}$ (ver figura ao lado) .a)Mostre que quando esse raio é refletido pelos outros dois espelhos e cruza o raio original,o ângulo entre esses dois raios será ${\alpha = \ \ 180^{o}-2\theta}$ e determine o ângulo ${\theta}$ para o qual os dois raios serão perpendiculares quando se cruzam?

.NÍVEL DE DIFICULDADE: Regular.

Resolução 11 .

Redesenhando a figura. Na figura o ponto de intersecção entre o raio incidente e o primeiro espelho espelho chamamos de ${B}$ .

O raio que se reflecte deste ponto vai incidir no outro ponto do segundo espelho, que chamamos de ${C}$ .

Raio reflectido do ponto ${C}$ vai incidir no outro ponto do terceiro espelho que chamamos de ${D}$ .

O raio reflectido do ponto ${D}$ vai cruzar-se com o raio incidente num ponto que chamamos ${A}$ .

O ângulo de incidência e reflexão no ponto ${C}$ chamamos de ${z}$ . O complementar de ${z}$ chamamos de ${\varphi}$ .

O ângulo de incidência e reflexão no ponto ${D}$ chamamos de ${\beta}$ . O complementar de ${\beta}$ chamamos de ${\Psi}$ .

O complementar de ${\theta}$ chamas de ${\chi}$ .

Marcamos ainda os .s é eficaz conforme indicado na figura.

Da figura, no ponto B, analisando entre o espelho e a sua normal, temos:

$\displaystyle \chi \ + \theta = \ \ 90^{o}$

pelo triângulo BHC, pelo teorema da soma dos ângulos internos, temos temos :

$\displaystyle \chi \ + \varphi \ + \ 90^{o} = \ \ 180^{o}$

$\displaystyle \chi \ + \varphi = \ \ 90^{o}$

Subtraindo ambas equações dos passos anteriores, obtemos :

$\displaystyle \varphi = \ \theta$

Pelo teorema de ângulos internos no triângulo CDG, temos :

$\displaystyle \varphi \ + \Psi \ + \ 90^{o} = \ \ 180^{o}$

$\displaystyle \varphi \ + \Psi = \ \ 90^{o}$

Pelo teorema de ângulos internos no triângulo ADF, temos :

$\displaystyle y \ + \ 90^{o} \ + \Psi = \ \ 180^{o} \Rightarrow$

$\displaystyle y \ + \Psi = \ \ 90^{o}$

Subtraindo esta última pela equação do passo anterior, obtemos :

$\displaystyle y = \ \varphi$

Como ${\varphi = \ \theta}$ , obtermos:

$\displaystyle y = \ \theta$

No quadrilátero ${ABCD}$ temos :

$\displaystyle 2y \ + \alpha = \ \ 180^{o} \Rightarrow \alpha = \ \ 180^{o} \ - \ 2y$

Substituindo ${y = \ \theta}$ , obtemos:

$\displaystyle \alpha = \ 180^{o} \ - \ 2\theta$

Exercício 12 Um feixe de luz emitido por um laser,incide sobre a superfície da água de um aquário,como representado nesta figura :

O fundo desse aquário é espelhado ,a profundidade da agua é de 40 cm e o ângulo de incidência do feixe de luz é de ${50^{o}}$ . Qual é a distância entre os pontos A e C da figura?

NÍVEL DE DIFICULDADE: Regular.

Resolução 12 .

Dados

${n_{agua} = \ \ 1,33}$

${h = \overline{BO}= \ \ 40 \ cm}$

${\varphi = \ \ 50^{o}}$

${ \overline{AC} \rightarrow \ ?}$

No problema, a luz incide a partir do ar para a água. Toca na água no ponto A e refracta-se na água. É reflectida no ponto B(no espelho que está no fundo) e retorna à superfície de separação água-ar. No ponto C, faz refracção novamente para o Ar.

Para acharmos a distância AC devemos calcular o ângulo que o feixe de luz faz com a normal na água (usando a lei de Snell-Descartes), e combinando estes valores com a profundidade, no triângulo ABC.

Redesenhando a figura,temos :

Pela lei de Snell, no ponto A, podemos determinar o ângulo de refração. Temos :

$\displaystyle n_{ar} \ sen 50^{o} = \ \ n_{agua} \ . sen \theta$

Isolando o seno, no membro esquerdo, temos:

$\displaystyle sen \theta = \ \dfrac{n_{ar} \ sen 50^{o}}{n_{agua}} = \ \dfrac{1. \ sen 50^o}{1,33}$

$\displaystyle \Rightarrow \theta =\ arcsen({ \dfrac{1. \ sen 50^o}{1,33}}) = \ 35,15^{o}$

Se considerarmos o ponto médio do segmento ${\overline{AB}}$ , que chamamos de ${D}$ , então o triângulo ABD é rectângulo. O ângulo interno do vértice B é igual a ${\theta }$ e ${\overline{AD}=\overline{AC}/2}$ . Então:

$\displaystyle tg \theta= \ \dfrac{\overline{AD}}{\overline{BD}} = \ \dfrac{\dfrac{\overline{AC}}{2}}{h} = \ \dfrac{\overline{AC}}{2h}$

$\displaystyle \Rightarrow \overline{AC} = \ 2h \ . \ tg \theta$

Substituindo valores, obtemos:

$\displaystyle \overline{AC} = \ 2 \ . \ 40 \ cm \ . \ tg \ (35,15^o) \Rightarrow \overline{AC} = \ 56,37 \ cm$

Exercício 13 Um rapaz em repouso na rua,vê sua imagem reflectida por um espelho plano preso verticalmente na traseira de um autocarro que se afasta com a velocidade escalar constante de ${20 \ m/s}$ . Qual é a velocidade de afastamento da imagem em relação ao rapaz?

NÍVEL DE DIFICULDADE: Regular.

Resolução 13 Neste problema temos de analisar não só a velocidade com o espelho se afasta do rapaz, mas também a velocidade com que a sua imagem (que o espelho produz) se afasta dele.

O melhor raciocínio mais simplificado, consiste em estabelecer o espelho como referencial de analise e depois achar a velocidade relativa.

A medida que o autocarro se move para a direita, automaticamente o espelho também se move para a direita. como o movimento é relativo, podemos considerar que o autocarro e o espelho estão em repouso e o rapaz ( ${AB}$ ) é que se está a mover no sentido oposto (para a esquerda), com a mesma velocidade.

Se o rapaz, que é o nosso objecto óptico( ${AB}$ ), se move para esquerda com velocidade v, então a sua imagem formada pelo espelho ( ${A'B'}$ ) se afasta do espelho para direita com velocidade ${v'}$ .

Vamos estabelecer as equações do movimento no 1ª referencial (com origem no espelho) e depois amos fazer a transformação de Galileu par o 2º Referencial (com origem no rapaz). Veja a figura.

Pela lei da reflexão, em qualquer momento:

$\displaystyle \Delta x_{e} = \Delta x_{i}$

Portanto :

$\displaystyle -v \cdot t = v' \cdot t$

$\displaystyle \Rightarrow -v = v'$

$\displaystyle \Rightarrow |v| = |v'|$

Então , neste referencial (Referencial 1), temos:

$\displaystyle x_{Rap-Ref1}=x_{0Rap} - v. t$

$\displaystyle x_{Esp-Ref1}=0$

$\displaystyle x_{Rap-Ref1}=x_{0Rap} + v.t$

Se estabelecermos um novo referencial (no rapaz), então este referencial 1 (com origem no espelho) está em movimento em relação ao novo referencial 2 (com origem no rapaz), com velocidade v.

A transformação de galileu diz que: ${x_{Ref2}=x_{Ref 1} - v. t}$ .

Então para o rapaz( que no referencial 1 estava em movimento regressivo com velocidade v) teremos:

$\displaystyle x_{Rap-Ref2}=x_{Rap-Ref 1} + v. t$

$\displaystyle x_{Rap-Ref2}=(x_{0Rap}-v.t) + v. t$

$\displaystyle x_{Rap-Ref2}=x_{0Rap}$

Neste novo referencial, o rapaz está repouso.

Para o espelho/autocarro( que no referencial 1 estava em repouso na origem) teremos:

$\displaystyle x_{Esp-Ref2}=x_{Esp-Ref 1} + v. t$

$\displaystyle x_{Esp-Ref2}=0 + v. t$

$\displaystyle x_{Esp-Ref2}= v. t$

Neste novo referencial, o espelho/autocarro estão em movimento com velocidade v (conforme enunciado).

Para a imagem (que no referencial 1 estava em movimento progressivo com velocidade v) teremos:

$\displaystyle x_{Im-Ref2}=x_{Im-Ref 1} + v. t$

$\displaystyle x_{Im-Ref2}=(x_{0Im}+v.t) + v. t$

$\displaystyle x_{Im-Ref2}= x_{0Im} + 2 v t$

Neste novo referencial,imagem está em movimento com velocidade 2v .

Neste caso, a velocidade da imagem é:

$\displaystyle v_{im}= \ 2.v= \ 2.20=40 \ m/s$

Exercício 14 Um nativo de uma aldeia pesca em uma lagoa de água transparente. Para isso usa uma lança. Ao observar um peixe, ele atira a sua lança na direcção em que o observa. O jovem está fora da água e o peixe está em 1 m abaixo da superfície. O peixe está a uma distancia horizontal de ${0,9 \ m}$ do ponto aonde a lança atinge a superfície da água. Para essas condições determine :

a)O ângulo ${\alpha}$ ,de incidência da luz na superfície da agua-ar.

b)O ângulo ${\beta}$ que a lança faz com a superfície da água quando tenta alcançar o peixe.

c)A profundidade aparente y,da superfície da água em que o nativo vê o peixe.

NÍVEL DE DIFICULDADE: Regular.

Resolução 14

Dados

${n_{ar} = \ \ 1}$

${n_{agua} = \ \ 1,33}$

${\alpha \ - \ ?}$

${\beta \ - \ ?}$

${y = \ \overline{DE} - \ ?}$

Neste problema, temos analise baseadas na refracção da luz. O Peixe está no Ponto O nativo, na beira do rio, vê como se o peixe estivesse no ponto D (que é a imagem virtual do ponto C) formada pela refracção da luz na superfície. O ponto A é o ponto onde ocorre a refracção. O ângulo ${\alpha}$ é o ângulo de incidência da luz que sai do peixe e incide no ponto A. O ângulo ${\theta }$ é o ângulo de refracção da luz no ponto A. ângulo ${\beta }$ é complementar de ${\theta}$

Para encontramos o ângulo ${\alpha}$ , vamos aplicar a relação para as razões trigonométricas no triângulo rectângulo ABC. Sendo ${\overline{AB}}$ cateto adjacente, ${\overline{BC}}$ cateto oposto e ${\overline{AC}}$ a hipotenusa, teremos:
$\displaystyle tg \alpha = \ \dfrac{\overline{BC}}{\overline{AB}} = \ \dfrac{0,9}{1}$

$\displaystyle \Rightarrow \alpha =arctg ( \ \dfrac{0,9}{1})= \ 41,99^{o}$

$\displaystyle \alpha = \ 41,99^{o}$
Como ${\beta}$ é o complementar de ${\theta}$ , então, acharemos primeiro o ${\theta}$ e com ele acharemos o ${\beta}$ . O ${\theta}$ será obtido pela lei da refracção:
$\displaystyle n_{ar} \ sen \theta = \ \ n_{agua} \ sen \alpha$

Insolando o seno de ${ \theta }$ , temos:

$\displaystyle \ sen \theta = \ \ \dfrac{ \ n_{agua} \ . \ sen \alpha}{n_{ar}} = \ \dfrac{ \ 1,33. \ sen(41,99)}{1}$

Neste caso:

$\displaystyle \theta = arcsen ( \dfrac{1,33. \ sen(41,99)}{1})$

$\displaystyle \Rightarrow \theta = \ \ 62,85^{o}$

Como ${\theta \ + \beta = \ \ 90^{o}}$ , então:

$\displaystyle \beta = \ \ 90^{o} \ - \theta = \ \ 90^{o} \ - \ 62,85^{o}$

$\displaystyle \Rightarrow \beta = \ 27,15^{o}$
A profundidade aparente do peixe, neste caso, corresponde ao segmento ${\overline{DE}}$ . Para achar o seu valor, usaremos o triângulo ADE. Para este triângulo, temos:
$\displaystyle tg \beta = \ \dfrac{\overline{DE}}{\overline{AE}} \ \dfrac{y}{x}$

$\displaystyle \Rightarrow y = \ x \ tg \ (\beta)$

$\displaystyle \Rightarrow y = \ 0,9\ tg \ ( 27,15^{o})$

$\displaystyle y = \ 0,46 \ m$

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1.1. Exercícios sobre Generalidades do MHS (Parte 1)

07/22/2020 8:21 pm / Deixe um comentário

— 1. Oscilações —

— 1.1. Generalidades do MHS —

Exercício 1 .

A equação de um MHS é dada por ${ x=0,5 \sin 10 \pi t (SI)}$ .

Determina o número de ciclos feitos em ${ 10 \ s }$ de oscilação.

NÍVEL DE DIFICULDADE: Elementar.

Resolução 1 .

A equação de um MHS é geralmente dada na forma ${ x= A \cdot \sin (\omega \cdot t+\varphi_0 }$ . .

Comparando, termo a termo, com a equação dada no enunciado, temos que:

$\displaystyle A=0,5 \ m$

$\displaystyle w=10 \ \pi \ rad/s$

$\displaystyle \varphi_0=0 \ rad$

As unidades dos resultados estão no SI pois o enuanciado assim indica.

Para conseguir calcular o número de ciclos feitos em ${ 10 \ s}$ precisasse saber quantas oscilações são feitas em ${1 \ s}$ (a frequência da oscilação).

Para o MHS, ${\omega}$ é dado por:

$\displaystyle \omega=2 \pi \cdot f$

Logo:

$\displaystyle \omega=2 \cdot \pi \cdot f$

Substituindo o valor de ${\omega}$ dos dados, obtemos:

$\displaystyle 10 \pi = 2 \cdot \pi \cdot f$

Isolando ${f}$ :

$\displaystyle f= \frac{10 \pi}{2 \pi}=5 \ Hz$

Ou seja, em cada segundo são realizadas 5 oscilações. Para o MHS, a frequência é definida por:

$\displaystyle f= \frac{N}{t}$

$\displaystyle \Rightarrow N= f \cdot t$

substituindo valores, obtemos:

$\displaystyle N=5 \cdot 10$

Em ${ 10 \ s}$ de oscilações são realizados 50 ciclos.

Exercício 2 Uma partícula realiza um MHS, cuja equação horária é ${ x=5 \cos (\dfrac{\pi}{4} t }$ SI.

Determine o período do MHS.
Esboce o gráfico da velocidade em função do tempo.

NÍVEL DE DIFICULDADE: Elementar

Resolução 2 .

Este exercício está relacionado com o movimento harmónico simples. Determinaremos o período pela relação entre período e frequência angular. Determinaremos a velocidade derivando a equação da posição, dada no enunciado.

A equação horária de um MHS pode ser dada na forma ${ x=A \cos(\omega t+\varphi_0)}$ .Comparando, termo a termo, com a equação dada no enunciado ( ${x=5 \cos (\dfrac{\pi}{4} t }$ ), obtemos:
$\displaystyle \omega=\frac{\pi}{4} \ rad/s$

Sabendo que ${ \omega=\frac{2\pi}{T} }$ ,logo:

$\displaystyle T=\frac{2\pi}{\omega}$

Substituindo os dados:

$\displaystyle t= \frac{2\pi}{\pi /4}$

$\displaystyle T=8 \ s$
Para se esboçar o gráfico da velocidade em função do tempo precisamos construir uma tabela que relaciona as duas grandezas( ${v}$ e ${t}$ ).Para isso, precisamos escrever a equação da velocidade em função do tempo.
Sabe-se que a velocidade é dada pela derivada da posição em função do tempo, temos:

$\displaystyle v=\frac{dx}{dt}$

$\displaystyle \Rightarrow v=\frac{d}{dt} [5 \cos(\frac{\pi}{4}t)]$

$\displaystyle \Rightarrow v= -5 \cdot \frac{\pi}{4} \sin ( \frac{\pi}{4}t)$

$\displaystyle v= -1,25\pi \sin (\frac{\pi}t)$

A tabela será construida atribuindo diversos valores a ${t}$ e calculando os valores correspondentes de ${v}$ . Escolhemos os valores de ${t}$ de 0, 2, 4, 6, 8 e 10 s.

Lançando os valores num sistema de coordenadas cartesianos ${(t;v)}$ e interpolando os pontos, obtemos um gráfico similar ao da figura abaixo:

Nota: Ao interpolarmos os pontos, fazemos um ajuste sinusoidal, pois sabemos que a dependência de ${v}$ em relação a ${t}$ é .

Exercício 3 .

Uma partícula descreve um MHS segundo a equação ${x=0,5 \cos( \pi / 3+2 \pi t) }$ , no SI.Obtenha.

A correspondente equação da velocidade.
O módulo da máxima velocidade atingida por essa partícula.

NÍVEL DE DIFICULDADE: Elementar

Resolução 3 .

Este exercício está relacionado com o Movimento Harmónico Simples. Nos é dada a equação horária do MHS para acharmos a equação horária da velocidade e a velocidade máxima. A equação horária da velocidade será obtida pela derivada da função horária da posição. A velocidade máxima é obtida na amplitude da função horária da velocidade.

A equação da velocidade de uma partícula em MHS é dada pela derivada da equação da posição em função do tempo, ou seja:
$\displaystyle v(t)=\frac{d}{dt}x$

$\displaystyle \Rightarrow v(t)=\frac{d}{dt}[0,5 \cos(\frac{\pi}{3} +2 \pi t)]$

Derivando, obtemos:

$\displaystyle v{t}=-0,5 \cdot 2 \pi \sin( \frac{\pi}{3} +2 \pi t)$

$\displaystyle \Rightarrow v_{t}=-\pi \sin(\frac{\pi}{3} +2 \pi t)$
A velocidade num MHS é máxima quando ${ \sin( \varphi_0+ \omega)=1}$ . Logo:
$\displaystyle v_{max}=\pi \ m/s$

Exercício 4 .

Considere o MHS dado no gráfico. Escreva sua equação.

NÍVEL DE DIFICULDADE: Elementar

Resolução 4 .

O Problema ilustra o gráfico de ${x(t)}$ de um MHS. Para escrevermos a equação deste MHS, devemos determinar em primeiro lugar os seus parâmetros ( ${A}$ , ${\omega}$ e ${\varphi_0}$ ). Estes parâmetros são determinados no gráfico.

A amplitude é a distancia vertical máxima entre o maior valor e o valor de equilíbrio (ou médio). No caso, como a função é simétrica em relação ao eixo de ${t}$ (valor de equilíbrio é 0), então a amplitude é o maior valor de x a se registar na curva.

O período pode ser determinado como o tempo entre duas passagens sucessivas num máximo ou num mínimo. Como o gráfico não ilustra nem duas passagens pelo máximo, nem duas passagens pelo mínimo, então, então vamos usar o semi-período (metade do período)que é o tempo de passagem de um máximo para um mínimo ou vice-versa. á fase é obtida pela relação do valor inicial é relação ao valor máximo (considerando o momento de oscilação: subida ou descida.

A equação do movimento de um MHS é dada na forma ${ x = A \sin (\omega t + \varphi_0)}$ .

Com base na análise, é possível concluir que:

A amplitude ${ A=3 \ cm}$ ou ${ A=0,03 \ m}$ .

No momento inicial, o corpo se encontra no máximo positivo, e como estamos a considerar uma função seno. Neste caso, a função seno atinge exactamente o valor máximo quando o argumento é ${90^o=\pi / 2 \ Rad}$ . Neste caso, para obter a fase inicial, teremos:

$\displaystyle \omega t + \varphi_0= \pi/2$

$\displaystyle \Rightarrow \omega \cdot 0 + \varphi_0= \pi/2$

$\displaystyle \Rightarrow \ \varphi_0= \pi/2$

O corpo demora 4 segundos para sair de um extremo ao outro, ou seja, demorou 4 segundos para percorrer metade do percurso de oscilação.

Logo, os 4 segundos correspondem à metade do período da oscilação. Com isso, pode-se dizer que:

$\displaystyle T/2= 4 s$

$\displaystyle \Rightarrow \ T= 4\cdot 2$

$\displaystyle \Rightarrow \ T= \ 8 \ s$

Sabendo que ${ \Rightarrow=2 \pi /T}$ , logo:

$\displaystyle \omega =2 \pi /8$

$\displaystyle \Rightarrow \omega = \frac{1}{4} \pi \ rad/s$

Por fim, substituindo os dados na equação da oscilação ( ${ x = A \sin (\omega t + \varphi_0)}$ ), obtemos:

$\displaystyle x = 0,03 \sin (\frac{1}{4} \pi t + \dfrac{\pi }{2})$

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1.2. Exercícios sobre Movimentos: Generalidade e Movimentos uni-dimensionais (Parte 5)

07/17/2020 6:20 pm / Deixe um comentário

Exercício 20 Uma chita pode acelerar de ${0}$ a ${96 \ km}$ em ${2 \ s}$ , enquanto um carro, em média atinge a mesma velocidade final em ${4,5 \ s}$ . Calcular as acelerações média dos dois. NÍVEL DE DIFICULDADE: Elemntar.

Resolução 20 .

A conversão de ${96 \ km}$ para ${m/s}$ , é feita pela regra de 3 simples conforme os exercícios anteriores.

Para a Chita, temos:

${v_o = 0}$ .

${v = 96 \ km/h \approx 26,7 \ m/s}$ .

${\Delta t = 2 \ s}$ .

Então, usando a fórmula de aceleração média, obtemos:

$\displaystyle a_{med} = \frac{v-v_0}{\Delta t} = \frac{26,7-0}{2}=13,4 \ m/s^2$

Para o carro,temos:

${v_o = 0}$ .

${v = 96 \ km/h \approx 26,7 \ m/s}$ .

${\Delta t = 4,5 \ s}$ .

Então, usando a fórmula de aceleração média, obtemos:

$\displaystyle a_{med} = \frac{v-v_0}{\Delta t} = \frac{26,7-0}{4,5} = 5,9 \ m/s^2$

Exercício 21 Um móvel fazendo a trajectória rectilínea ${A-B-C}$ , tem a velocidade dada no gráfico ao lado.

Determinar:

A velocidade média deste movimento.
A aceleração média do mesmo.

NÍVEL DE DIFICULDADE: Regular.

Resolução 21 .

Diante de um problema gráfico ( ${v\cdot t}$ ), é válido lembrar que área de baixo da curva determina o espaço total percorrido pelo móvel. No gráfico ${v\cdot t}$ , a inclinação da recta, determina à aceleração.

Para determinar a velocidade média, precisamos conhecer o deslocamento total e o tempo total. O tempo pode ser obtido directamente no gráfico. Para o deslocamento, ele deve ser calculado. Podemos usar dois raciocínios: o calculo da área ou a determinação dos parâmetros cinemáticos deste movimento. Para efeitos de familiarização, dado que temos dois tempos de movimentos ( Um MRUV acelerado de A para B e um MRUV retardado de B para C), vamos usar os dois métodos. Vamos usar a determinação de parâmetros para o movimento de A para B e vamos usar o cálculo de área de B para C. Em qualquer dos casos, os dois métodos são válidos. Cabe a quem resolve escolher.
1. Determinando a aceleração de ${A\longrightarrow B}$ (Determinação dos parâmetros):
  $\displaystyle \left.\begin{array}{cccccccc} t_o = 0 \ s, v_o = 20 \ m/s\\ t= 40 \ s, v = 60 \ m/s\\ \end{array}\right\} \Rightarrow a = \frac{\Delta v}{\Delta t} = \frac{60 - 20}{40 - 0} = 0,5 \ m/s^2$
2. Determinando do correspondente deslocamento ${A\longrightarrow B}$ :
  $\displaystyle s = s_o + v_o\cdot t + \frac{1}{2}a\cdot t^2$
  
  $\displaystyle s = (20)(40) + \frac{1}{2}(0,5)(40)^2$
  
  $\displaystyle s = 1200 \ m$
3. Determinando o espaço percorrido ${B\longrightarrow C}$ (cálculo de área):
  $\displaystyle s_{\Delta} = Area = \frac{20\cdot 40}{2} = 600 \ m$
4. Neste caso, o deslocamento total é:
  $\displaystyle \Delta s = 1200 + 600 = 1800 \ m$
5. Logo, a velocidade média será:
  $\displaystyle v_{med} = \frac{\Delta s}{\Delta t} = \frac{1800}{60} = 30 \ m/s$
Aceleração média.
$\displaystyle a_{med} = \frac{v_{final}-v_{0}}{\Delta t} = \frac{0-20}{60} \approx -0,33 \ m/s^2$

Exercício 22 Uma pessoa caminha ${100 \ m}$ em ${12 \ s}$ numa certa direcção e depois caminha na direção oposta passando ${50 \ m}$ durante ${30 \ s}$ . Calcule (a) a velocidade média definida pelo caminho percorrido e (b) a velocidade média definida pelo deslocamento. NÍVEL DE DIFICULDADE: Regular.

Resolução 22 .

Para o problema em questão, devemos entender a diferença entre deslocamento e distância percorrida. O deslocamento é o vector que une a posição inicial à posição final de um móvel, sem se importar pelo trajecto do mesmo. O seu modulo equivale a distancia entre a origem e o destino do móvel. A distancia percorrida é o somatório escalar de todo o caminho percorrido pelo móvel, levando em conta a sua trajectoria e eventuais mudanças de direcção.

Na figura, observamos que o móvel sai da posição ${x_1}$ , vai para a posição ${x_2}$ e depois vai (em sentido oposto) para a posição ${x_3}$ . Se tomarmos ${x_1=0}$ , então ${x_2=100 \ m}$ e ${x_3=50 m}$ (recuando 50 m a partir de ${x_2}$ ).

Neste caso o deslocamento será ${\Delta x= x_3 - x_1 = \ 50 - 0= \ 50m}$ .

A distancia percorrida será: ${d= \ d_1+d_2= \ 100+50= \ 150 \ m}$ .

A velocidade média definida pelo caminho percorrido será:
$\displaystyle v_{med} = \dfrac{d}{\Delta t} = \dfrac{150}{30 + 12}$

$\displaystyle v_{med} = 3,75 \ m/s$
A velocidade média definida pelo deslocamento será:
$\displaystyle v_{med} = \dfrac{\Delta x}{\Delta t} = \dfrac{50}{30+12}$

$\displaystyle v_{med} \approx 1,19 \ m/s$

.. Note que é a duração de todo o movimento, e como o tempo não recua, então sempre ${\Delta t = \ 30+12= \ 42 \ s}$ . Estes tempos refere-se a intervalos de tempo, por isso somamos. Se fossem instantes de tempo, deveríamos subtrair.

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1.2. Exercícios sobre Movimentos: Generalidade e Movimentos uni-dimensionais (Parte 4)

07/17/2020 6:07 pm / 1 comentário em 1.2. Exercícios sobre Movimentos: Generalidade e Movimentos uni-dimensionais (Parte 4)

Exercício 13 .

A velocidade de um móvel é tal que ele percorre ${5 \ m}$ a cada ${2 \ s}$ ,em MRU. Determine a posição final no MRU se a posição inicial for ${ 5 \ m}$ e o tempo do movimento for de ${25 \ s }$ .

NÍVEL DE DIFICULDADE: Elementar.

Resolução 13 .

Dados .

${ v= \dfrac {5 \ m}{2 \ s}= 2,5 \ m/s }$ .

${x_0=5 \ m }$ .

${t=25 \ s }$ .

${x=? }$

Para determinarmos a posição final x do móvel no tempo t precisamos da equação de movimento ( função horária) do móvel.
Para este caso, de movimento retilíneo e uniforme(MRU), a equação de movimento é:

$\displaystyle \overrightarrow{x}=\overrightarrow{x_0}= + \overrightarrow{v} \cdot t \ \ \ \ \ (1)$

Na forma escalar, temos:

$\displaystyle x= x_0+v \cdot t \ \ \ \ \ (2)$

Substituindo ${x_0}$ e ${v}$ , obtemos:

$\displaystyle x= 5 + 2,5 \cdot t \ \ \ \ \ (3)$

A posição final ${x}$ para ${ t=25 \ s}$ é:

$\displaystyle x= 5 + 2,5 \cdot 25= 67,5 \ m$

$\displaystyle x=67,5 \ m$

Exercício 17 .

Um atleta de corrida percorre ${ 1,5 \ m }$ em cada segundo. Quanto tempo demora fazer um percurso de ${ 10 \ km }$ . .

NÍVEL DE DIFICULDADE: Elementar.

Resolução 17 .

Dados

${ v= 1.5 \ m/s }$ .

${ \Delta s = 10 \ km= 10.000 \ m }$ .

${\Delta t \rightarrow ? }$

Por definição, no MRU, a velocidade é dada por:

$\displaystyle v= \dfrac {\Delta s}{\Delta t}$

Isolando o espaço percorrido:

$\displaystyle \Delta t = \dfrac {\Delta s}{v}$

Substituindo os dados na fórmula anterior, obtemos:

$\displaystyle \Delta t = \dfrac {10,000 \ m}{1,5 \ m/s} = 6,66 \cdot 10^3 \ s \ \ \ \ \ (7)$

Transformando ${ 6,66 \cdot 10^3 \ s }$ em horas usando a regra de três simples:

$\displaystyle \begin{array}{ccccccccc} 1 \ h \rightarrow 3600 \ s \\ x \rightarrow 6,66 \cdot 10^3 \ s\\ \end{array}$

Fazendo a multiplicação cruzada, obtemos:

$\displaystyle x \cdot 3600 \ s= 1 \ h \cdot 6,66 \cdot 10^3 \ s$

$\displaystyle \Rightarrow x = \dfrac {1 \ h \cdot 6,66 \cdot 10^3 \ s }{3600 \ s}$

$\displaystyle \Rightarrow x = 1,85 \ h$

Logo, o atleta leva ${ 1,85 \ h }$ para percorrer ${ 10 \ km }$ .

Exercício 19 Um corpo está se deslocando diretamente para o sol. No instante ${t_1}$ está ${x_1 = 3,0\cdot 10^{12} \ m}$ , em relação ao sol. Um ano depois, está em ${x_2 = 2,1\cdot 10^{12} \ m}$ . Achar o seu deslocamento e a sua velocidade média.

NÍVEL DE DIFICULDADE: Elementar.

Resolução 19 .

Este problema envolve apenas parâmetros cinemáticos. Não se engane confundindo com gravitação universal.

$\displaystyle Deslocamento$

$\displaystyle \Delta x = x_1 - x_2$

$\displaystyle \Delta x = 3,0\cdot 10^{12} - 2,1\cdot 10^{12}$

$\displaystyle \Delta x = 0,9\cdot 10^{12} \ m$

$\displaystyle \Delta x = 9,0\cdot 10^{8} \ km$

$\displaystyle Intervalo \ de \ tempo$

$\displaystyle \Delta t = 1 \ ano = 365 \ dia$

$\displaystyle \Delta t = 8760 \ h$

A velocidade média será:

$\displaystyle v_{med} = \frac{\Delta x}{\Delta t} = \frac{9,0\cdot 10^8 \ km}{8760 \ h}$

$\displaystyle v_{med} = 1,02\cdot 10^5 \ km/h$

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1.1. Exercícios sobre Introdução à Física: Vectores, Grandezas e Unidades —

07/13/2020 5:53 pm / Deixe um comentário

1.1. Exercícios sobre Introdução à Física: Vectores, Grandezas e Unidades —

Exercício 1 .

Dois vectores têm módulos 3 e 5 unidades.

Qual deverá ser o ângulo entre eles para que o vector resultante tenha módulo de 4 unidades?

NÍVEL DE DIFICULDADE: Elementar.

Resolução 1 .

Consideremos que os vectores de módulo 3 e 5 unidades são os vectores ${\overrightarrow{u} e \overrightarrow{v}}$ , respetivamente, e o vector resultante de módulos 4 unidades é o vector ${\overrightarrow{w}}$ .Consideremos também que ${ \theta}$ é o ângulo que os vectores ${\overrightarrow{u} e \overrightarrow{v}}$ formam entre si. Daqui, temos os ângulos dados:Dados ${\vert \overrightarrow{u} \vert=3 }$ . ${ \vert \overrightarrow{v} \vert=5}$ .
${ \vert \overrightarrow{w} \vert=4}$ .

${ \theta \rightarrow ? }$

A adição de vectores, dada pela regra do paralelogramo, relacionas aos seus módulos através da lei dos cossenos.

$\displaystyle \textbf{Lei do Cosseno}:\vert \overrightarrow{w}\vert^2=\vert\overrightarrow{u}\vert^2+\vert\overrightarrow{v}\vert^2+2\times\vert\overrightarrow{u}\vert\times\vert\overrightarrow{v\vert}\times \cos\theta$

* Substituindo os dados:

$\displaystyle (4)^2=(3)^2+(5)^2+2\times(3)\times(5)\times \cos\theta$

$\displaystyle 16=9+25+30\times \cos\theta$

Isolando ${\cos\theta:}$

$\displaystyle \cos \theta =\frac{16-(9+25)}{30}=\frac{16-34}{30}=\frac{18}{30}=-0.6$

O valor de ${ \theta: \theta=\arccos(-0.6)=126,869^o }$

$\displaystyle \theta\cong 126,9^o$

Exercício 2 .

Um Arco tem ângulo de 1,5 radiano.
Qual é o valor deste ângulo em graus?

NÍVEL DE DIFICULDADE: Elementar

Resolução 2 .

Para determinar o ângulo do arco em graus, vamos usar a regra de três simples, sabendo que ${ \pi }$ radiando equivale a ${ 180^o }$ . Com isto,temos as seguintes rotações:

$\displaystyle \pi \ rad \rightarrow\rightarrow180^o$

$\displaystyle 1,5 \ rad \rightarrow\rightarrow \theta$

Onde 1.5 é o ângulo do arco em radiano e ${\theta}$ o ângulo do arco em graus que se pretende determinar.

Desta forma, temos:

$\displaystyle \theta \times \pi=1,5 \ rad \times 180^o$

Isolando ${\theta}$ :

$\displaystyle \theta=\frac{1,5 \ rad \times 180^o}{\pi \ rad}=\frac{270^o}{\pi}=85,94^o$

Portanto:

$\displaystyle \theta=85,9^o$

Exercício 3 .

Um disco circular tem raio de ${ 5 \ m}$ . Qual é o cumprimento deste disco?
NÍVEL DE DIFICULDADE: Elementar.

Resolução 3 .

Dados

${ r= 5 \ m }$

O cumprimento de um arco é:

$\displaystyle l= \alpha \times r$

onde ${\alpha}$ é o ângulo do arco em radianos.

Para o nosso caso, o cumprimento de um disco circular é:

$\displaystyle l=2 \pi \times r$

Substituindo:

$\displaystyle r=5 \ m \ em (1): l= 2 \pi \times 5 \ m= 31,415 \ m$

Portanto, o cumprimento do disco é de:

$\displaystyle 31,415 \ m.$

Exercício 4 .

Dois vectores ${\overrightarrow{a}}$ e ${ \overrightarrow{b}}$ tem módulo iguais a ${ 3 \ m}$ e ${5 \ m }$ ,respetivamente.

Qual é o módulo de vector ${ \overrightarrow{c} }$ , se ${\overrightarrow{c}=3\overrightarrow{a}-\overrightarrow{2b}}$ e o ângulo entre ${ \overrightarrow{a} }$ e ${ \overrightarrow{b} }$ for de ${ 30^o }$ ?
NÍVEL DE DIFICULDADE: Elementar

Resolução 4 .

Dados .

${ \vert \overrightarrow{a} \vert =3 \ m }$ .

${ \vert \overrightarrow{b} \vert =5 \ m }$ .

${ \overrightarrow{c}=3\overrightarrow{a} - 2\overrightarrow{b}}$ .

${ \theta \rightarrow 30^o}$ .

${ \vert \overrightarrow{c} \vert=? }$

Consideremos os vectores ${\overrightarrow{a} e \overrightarrow{b}}$ .

Os vectores ${\overrightarrow{a}}$ e ${\overrightarrow{b}}$ formando ${30^o}$ entre si ${(\theta=30^o)}$

Entretanto, o vector ${\overrightarrow{c}}$ é dado como ${\overrightarrow{c}=3\overrightarrow{a}-2\overrightarrow{b}}$ . Sendo assim, consideremos os vectores ${3\overrightarrow{a} }$ e ${ 2\overrightarrow{b}}$ , isto é,os vectores ${\overrightarrow{a}}$ e ${\overrightarrow{b}}$ com dimensões triplicando e dobrada, respetivamente.

Por outro lado o vector ${\overrightarrow{c}}$ representa a diferença entre ${3\overrightarrow{a}}$ e ${2\overrightarrow{b}}$ neste caso a resultante é:

Calculando ${\beta}$ :

$\displaystyle \beta+\theta=180^o \ \Rightarrow \beta=180^o-\theta$

Como ${ \theta=30^o }$ ,temos: ${ \beta=180^o-30^o=150^o \ \Rightarrow \beta=150^o }$ \

O módulo de vector ${ \overrightarrow{c} }$ , é dada pela lei dos cossenos.\

Lei dos Cossenos:

$\displaystyle \vert\overrightarrow{c}\vert^2=\vert3\overrightarrow{a}\vert^2+\vert2\overrightarrow{b}\vert^2+2\times\vert3\overrightarrow{a}\vert \times \vert2\overrightarrow{b} \vert\times \cos\beta$

$\displaystyle \vert\overrightarrow{c}\vert^2=9^2+10^2+180\times\cos150^o=181-155,88=25,12$

$\displaystyle \vert \overrightarrow{c} \vert ^2=25,12 \ \Rightarrow \vert\overrightarrow{c}\vert=\sqrt{25,12}=5,01$

$\displaystyle \rightarrow \vert\overrightarrow{c}\vert=5,01$

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Tag Archives: problemas de física

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