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1Fórmulas e métodos
Cinemática
Velocidade
v = v0 + a·t
Deslocamento
s = v0·t + ½·a·t²
Sem o tempo
v² = v0² + 2·a·s
Unidades
1 m/s = 3,6 km/h
Método
Liste o que você sabe: v₀, v, a, t e s, com unidades.
Escolha a equação que contém suas três grandezas conhecidas e a incógnita.
Escolha um sentido positivo e dê sinal negativo às grandezas no sentido oposto.
Resolva e verifique se a resposta faz sentido físico.
Leis de Newton
Segunda lei
ΣF = m·a
Peso
W = m·g
Atrito cinético
Ff = μ·N
Em um plano inclinado
ao longo: m·g·sin θ, normal: m·g·cos θ
Método
Desenhe um diagrama de corpo livre com todas as forças sobre o corpo.
Escolha um sentido positivo ao longo do movimento.
Decomponha as forças em componentes ao longo do movimento e perpendiculares a ele (em um plano inclinado: m·g·sin θ ao longo, m·g·cos θ contra o plano).
Aplique ΣF = m·a ao longo do movimento; o atrito é μ·N contra o movimento.
Movimento de projéteis
Componentes
vx = v0cos θ, vy = v0sin θ
Posição
x = vxt, y = h + vyt − ½gt²
Altura máxima
H = h + vy²/(2g)
Alcance (solo plano)
R = v0²·sin 2θ/g
Método
Decomponha a velocidade de lançamento em componentes: vx = v₀·cos θ e vy = v₀·sin θ.
O movimento horizontal tem velocidade constante; o movimento vertical tem aceleração −g.
Encontre o tempo de voo a partir do movimento vertical.
Use esse tempo no movimento horizontal para encontrar o alcance.
Movimento circular
Aceleração centrípeta
a = v²/r = ω²·r
Força centrípeta
F = m·v²/r
Velocidade angular
ω = v/r = 2π/T
Curva plana, atrito
vmax = √(μ·g·r)
Trabalho e energia
Energia cinética
Ek = ½mv²
Energia potencial
Ep = mgh
Balanço de energia
Ek1 + Ep1 + W = Ek2 + Ep2 + losses
Trabalho do atrito
W = μ·N·d
Potência
P = W/t
Quantidade de movimento e colisões
Quantidade de movimento
p = m·v
Conservação
Σm·v (before) = Σm·v (after)
Perfeitamente inelástica
v′ = (m1v1 + m2v2)/(m1 + m2)
Impulso
J = F·Δt = m·Δv
Método
Escolha um sentido positivo e dê a cada velocidade o seu sinal.
Escreva a quantidade de movimento total antes: Σm·v.
Em uma colisão perfeitamente inelástica os corpos se movem juntos depois; em uma colisão elástica a energia cinética também se conserva.
Iguale a quantidade de movimento antes à quantidade de movimento depois e resolva.
Rotação de corpo rígido
Momentos de inércia em relação a G
barra mL²/12, disco ½mR², anel mR², esfera maciça (2/5)mR², esfera oca (2/3)mR²
Teorema dos eixos paralelos
I = IG + m·d²
Raio de giração
I = m·k²
Barra em relação à extremidade
I = mL²/3
Equação do movimento
ΣM = I·α
Velocidade em rad/s
ω = 2π·n/60
Energia cinética
E = ½·I·ω²
Trabalho e potência
W = T·θ, P = T·ω
Rolamento sem deslizamento
v = ω·r, E = ½mv²(1 + I/(mr²)), a = g·sin θ/(1 + I/(mr²))
Quantidade de movimento angular
L = I·ω, I1ω1 = I2ω2
Impacto em torno de um pivô
m·v·d = I·ω
Método
Escolha o eixo: um pivô fixo, ou o centro de massa para corpos que rolam.
Encontre o momento de inércia em relação a esse eixo a partir dos resultados usuais, usando I = IG + m·d² para um eixo deslocado.
Escolha o método: ΣM = I·α para acelerações e forças, energia (½·I·ω² + ½·m·v² + m·g·h) para velocidades, quantidade de movimento angular para impactos e mudanças bruscas.
Relacione o movimento linear e o angular com v = ω·r e a = α·r, e converta rpm em rad/s.
Engrenagens e trens de engrenagens
Engrenagens acopladas
n1·N1 = n2·N2
Torque
T2 = T1·(N2/N1)·η
Potência
P = T·ω, ω = 2π·n/60
Trem composto
relação total = produto das relações de cada estágio
Molas e pêndulos
Massa em uma mola
T = 2π·√(m/k)
Pêndulo
T = 2π·√(L/g)
Frequência angular
ω = √(k/m) = 2π/T
Velocidade e aceleração máximas
vmax = A·ω, amax = A·ω²
Energia
E = ½·k·A²
Vibrações mecânicas
Frequência natural
ωn = √(k/m), fn = ωn/(2π)
A partir da deflexão estática
ωn = √(g/δst)
Amortecimento crítico
cc = 2√(km) = 2mωn
Fator de amortecimento
ζ = c/cc
Frequência amortecida
ωd = ωn√(1 − ζ²)
Decremento logarítmico
δ = (1/n)·ln(x0/xn), ζ = δ/√(4π² + δ²)
Molas em paralelo
k = k1 + k2
Molas em série
1/k = 1/k1 + 1/k2
2Exercícios
1.CinemáticaMédia
Um carro a 54 km/h freia com desaceleração constante de 5,5 m/s² até parar. Calcule a distância de frenagem s.
v₀ = 54 km/ha = −5,5 m/s²v = 0
s = m
2.CinemáticaDifícil
Uma pedra é solta do repouso em um poço. O som do impacto na água é ouvido 2,5 s depois que a pedra é solta. A velocidade do som é 343 m/s; despreze a resistência do ar e use g = 9,81 m/s². Encontre a profundidade d do poço.
ttotal = 2,5 svsound = 343 m/sg = 9,81 m/s²
d = m
3.Leis de NewtonMédia
Uma caixa desliza sobre um piso horizontal com velocidade inicial de 8,5 m/s e para após 37 m. Use g = 9,81 m/s². Encontre o coeficiente de atrito cinético μ.
v₀ = 8,5 m/sd = 37 mg = 9,81 m/s²
μ =
4.Leis de NewtonDifícil
Um bloco de 6,5 kg sobre uma mesa horizontal está ligado por um fio leve, que passa por uma polia sem atrito, a uma massa suspensa de 1,5 kg. A mesa não tem atrito. Use g = 9,81 m/s². Calcule a tração T no fio.
m1 = 6,5 kgm2 = 1,5 kgμ = 0g = 9,81 m/s²
T = N
5.Movimento de projéteisMédia
Uma bola é lançada a partir do chão plano a 55° acima da horizontal e cai a 130 m de distância. Despreze a resistência do ar e use g = 9,81 m/s². Encontre a velocidade de lançamento v0.
θ = 55°R = 130 mg = 9,81 m/s²
v0 = m/s
6.Movimento de projéteisDifícil
Uma bola é lançada a 60° acima da horizontal do topo de um penhasco de 5 m. Despreze a resistência do ar. Encontre o tempo de voo t até a bola atingir o chão.
v0 = 18 m/sθ = 60°h = 5 mg = 9,81 m/s²
t = s
7.Movimento circularMédia
Uma pequena bola presa a um fio de comprimento 0,4 m se move em um círculo horizontal de modo que o fio forma um ângulo constante de 50° com a vertical (um pêndulo cônico). Use g = 9,81 m/s². Encontre a velocidade v da bola.
L = 0,4 mθ = 50°g = 9,81 m/s²
v = m/s
8.Movimento circularDifícil
Uma bola de 1,2 kg presa a um fio de 1,3 m de comprimento gira em um círculo vertical. No ponto mais baixo, ela se move a 4 m/s. Use g = 9,81 m/s². Calcule a tração T no fio no ponto mais baixo.
m = 1,2 kgr = 1,3 mv = 4 m/sg = 9,81 m/s²
T = N
9.Trabalho e energiaMédia
Um bloco desliza a partir do repouso por uma rampa a 30° da horizontal. O coeficiente de atrito cinético é 0,4. Encontre sua velocidade v depois de deslizar 19 m ao longo da rampa.
θ = 30°μ = 0,4d = 19 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
10.Trabalho e energiaDifícil
Um bloco de 15 kg parte do repouso na base de uma rampa de 35° e é puxado rampa acima por uma força constante de 175 N paralela à rampa. O coeficiente de atrito cinético é 0,2. Encontre a velocidade v do bloco depois de ele subir 5 m pela rampa.
Um carrinho de 1 kg a 3 m/s sofre uma colisão frontal perfeitamente elástica com um carrinho de 3,5 kg em repouso em um trilho sem atrito. Calcule a velocidade v′2 do segundo carrinho após a colisão.
m1 = 1 kgm2 = 3,5 kgv1 = 3 m/sv2 = 0
v′2 = m/s
12.Quantidade de movimento e colisõesDifícil
Um carro de 1600 kg colide com um carro estacionado de 1700 kg. Os destroços ficam presos um ao outro e derrapam 14 m antes de parar. O coeficiente de atrito cinético entre os pneus e a estrada é 0,8. Use g = 9,81 m/s². Encontre a velocidade v1 do primeiro carro logo antes da colisão.
Um eixo transmite 92,5 kW a 1300 rpm. Encontre o torque T no eixo.
P = 92,5 kWn = 1300 rpm
T = N·m
14.Rotação de corpo rígidoDifícil
Uma barra esbelta uniforme de massa 7,5 kg e comprimento 1,5 m pende em repouso de um pivô sem atrito na sua extremidade superior. Um projétil de 50 g que se move horizontalmente a 500 m/s atinge a barra 0,65 m abaixo do pivô e fica cravado nela. Use g = 9,81 m/s². Encontre o maior ângulo φ em relação à vertical que a barra atinge ao oscilar.
M = 7,5 kgL = 1,5 mm = 50 gv = 500 m/sd = 0,65 mg = 9,81 m/s²
φ = °
15.Engrenagens e trens de engrenagensMédia
Dois eixos paralelos estão a 187,5 mm de distância. Eles devem ser ligados por um par de engrenagens de dentes retos com módulo de 2,5 mm e redução de 5 : 1. Quantos dentes N2 a engrenagem deve ter?
a = 187,5 mmm = 2,5 mmi = 5
N2 =
16.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
Uma correia aberta liga uma polia motora de 125 mm a 960 rpm a uma polia de 300 mm; os centros estão a 1200 mm de distância. O coeficiente de atrito é 0,3 e a tração no lado tracionado não pode exceder 1000 N. Encontre a maior potência P que a correia pode transmitir sem escorregar, em kW (ignore os efeitos centrífugos).
Uma massa de 1,1 kg presa a uma mola com k = 150 N/m oscila sobre uma superfície sem atrito com amplitude de 14 cm. Encontre sua velocidade v quando ela está a 1 cm do equilíbrio.
m = 1,1 kgk = 150 N/mA = 14 cmx = 1 cm
v = m/s
18.Molas e pêndulosDifícil
Uma massa de 0,3 kg presa a uma mola com k = 60 N/m é deslocada 20 cm da posição de equilíbrio e solta. Calcule sua velocidade máxima vmax.
m = 0,3 kgk = 60 N/mA = 20 cm
vmax = m/s
19.Vibrações mecânicasMédia
Em um ensaio de vibração livre de um sistema massa–mola amortecido, um pico de deslocamento de 25 mm é seguido, um ciclo depois, por um pico de 17,1 mm. Encontre o fator de amortecimento ζ.
x0 = 25 mmx1 = 17,1 mmn = 1
ζ =
20.Vibrações mecânicasDifícil
Uma massa de 40 kg está pendurada em duas molas ligadas uma após a outra (em série): a mola superior tem k₁ = 20 kN/m e a inferior k₂ = 80 kN/m. Despreze o amortecimento e as massas das molas. Encontre a frequência natural fn da vibração vertical em Hz.
m = 40 kgk1 = 20 kN/mk2 = 80 kN/m
fn = Hz
3Soluções
1.Cinemática
Resposta: s = 20,45 m
Movimento com aceleração constante: v = v₀ + a·t, s = v₀·t + ½·a·t² e v² = v₀² + 2·a·s. Escolha a equação que contém as três grandezas que você conhece e a que você procura, e mantenha os sinais coerentes com um único sentido positivo.
Unidades
v₀ = 54/3,6 = 15 m/s
Distância de frenagem
0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 15²/(2·5,5) = 20,45 m
Resposta
s = 20,45 m
2.Cinemática
Resposta: d = 28,64 m
Movimento com aceleração constante: v = v₀ + a·t, s = v₀·t + ½·a·t² e v² = v₀² + 2·a·s. Escolha a equação que contém as três grandezas que você conhece e a que você procura, e mantenha os sinais coerentes com um único sentido positivo.
Duas partes do tempo
½·9,81·t₁² = 343·(2,5 − t₁)
4,905·t₁² + 343·t₁ − 857,5 = 0
Tempo de queda
Só a raiz positiva tem sentido físico.
t₁ = (−343 + √(343² + 4·4,905·857,5))/(2·4,905) = 2,416 s
Profundidade
d = ½·9,81·2,416² = 28,64 m
Resposta
d = 28,64 m
3.Leis de Newton
Resposta: μ = 0,09953
Segunda lei de Newton: a força resultante sobre um corpo é igual à sua massa vezes sua aceleração, ΣF = m·a. Desenhe um diagrama de corpo livre, escolha um sentido positivo ao longo do movimento e some todas as forças nesse sentido: forças aplicadas, o atrito μ·N contrário ao movimento e as componentes da gravidade.
Desaceleração
a = v₀²/(2d) = 8,5²/(2·37) = 0,9764 m/s²
Coeficiente de atrito
μ·m·g = m·a → μ = a/g = 0,9764/9,81 = 0,09953
Resposta
μ = 0,09953
4.Leis de Newton
Resposta: T = 11,96 N
Segunda lei de Newton: a força resultante sobre um corpo é igual à sua massa vezes sua aceleração, ΣF = m·a. Desenhe um diagrama de corpo livre, escolha um sentido positivo ao longo do movimento e some todas as forças nesse sentido: forças aplicadas, o atrito μ·N contrário ao movimento e as componentes da gravidade.
Movimento de projéteis: sem resistência do ar, x = vxt e y = h + vyt − ½gt². As duas direções são independentes, exceto por compartilharem o mesmo tempo.
Resolva a fórmula do alcance para v₀
v₀ = √(g·R/sin 2θ) = √(9,81·130/sin 110°) = 36,84 m/s
Resposta
v0 = 36,84 m/s
6.Movimento de projéteis
Resposta: t = 3,472 s
Movimento de projéteis: sem resistência do ar, x = vxt e y = h + vyt − ½gt². As duas direções são independentes, exceto por compartilharem o mesmo tempo.
Decomponha a velocidade de lançamento
A velocidade horizontal é constante; o movimento vertical tem aceleração constante g = 9,81 m/s² para baixo.
vx = v0·cos θ = 18·cos 60° = 9 m/s
vy = v0·sin θ = 18·sin 60° = 15,59 m/s
Tempo no ar
Resolva y(t) = h + vy·t − ½gt² = 0 para a raiz positiva.
0 = 5 + 15,59·t − 4,905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (15,59 + √(243 + 98,1))/9,81 = 3,472 s
Resposta
t = 3,472 s
7.Movimento circular
Resposta: v = 1,893 m/s
Movimento circular uniforme: um objeto que se move com velocidade v em um círculo de raio r acelera em direção ao centro com a = v²/r, então precisa de uma força resultante para dentro F = m·v²/r. Essa força é fornecida por algo real: atrito, tração, gravidade ou uma força normal.
Raio do círculo
r = L·sin θ = 0,4·sin 50° = 0,3064 m
Velocidade
Tração e gravidade juntas dão a força para dentro: tan θ = v²/(r·g).
v = √(r·g·tan θ) = √(0,3064·9,81·tan 50°) = 1,893 m/s
Resposta
v = 1,893 m/s
8.Movimento circular
Resposta: T = 26,54 N
Movimento circular uniforme: um objeto que se move com velocidade v em um círculo de raio r acelera em direção ao centro com a = v²/r, então precisa de uma força resultante para dentro F = m·v²/r. Essa força é fornecida por algo real: atrito, tração, gravidade ou uma força normal.
Forças no ponto mais baixo
Em direção ao centro (para cima) é positivo.
T − m·g = m·v²/r
T = 1,2·9,81 + 1,2·4²/1,3 = 11,77 + 14,77 = 26,54 N
Resposta
T = 26,54 N
9.Trabalho e energia
Resposta: v = 7,567 m/s
Princípio trabalho–energia: a variação da energia cinética é igual ao trabalho de todas as forças. Escrever gravidade e molas como energia potencial (mgh e ½kx²) transforma isso em um balanço: energia inicial = energia final + energia perdida por atrito (μN·d).
Balanço de energia ao longo da rampa
O bloco desce uma altura d·sin θ enquanto o atrito remove μmg·cos θ·d. A massa se cancela.
½v² = g·d·(sin θ − μ·cos θ)
v = √(2·9,81·19·(0,5 − 0,4·0,866)) = 7,567 m/s
Resposta
v = 7,567 m/s
10.Trabalho e energia
Resposta: v = 6,658 m/s
Princípio trabalho–energia: a variação da energia cinética é igual ao trabalho de todas as forças. Escrever gravidade e molas como energia potencial (mgh e ½kx²) transforma isso em um balanço: energia inicial = energia final + energia perdida por atrito (μN·d).
Forças ao longo do plano
m·g = 15·9,81 = 147,2 N
mg·sin θ = 84,4 N
μ·mg·cos θ = 24,11 N
Trabalho–energia
½mv² = (175 − 108,5)·5 = 332,5 J
v = √(2·332,5/15) = 6,658 m/s
Resposta
v = 6,658 m/s
11.Quantidade de movimento e colisões
Resposta: v′2 = 1,333 m/s
Conservação da quantidade de movimento: quando nenhuma força externa atua durante uma colisão, a quantidade de movimento total Σm·v antes é igual à total depois. As velocidades têm sentido, então escolha um sentido positivo e dê sinal negativo às velocidades no outro sentido. Em uma colisão elástica a energia cinética também se conserva; em uma perfeitamente inelástica os corpos ficam unidos.
Colisão elástica com alvo em repouso
Resolver juntas a conservação da quantidade de movimento e da energia dá estes dois resultados.
v′1 = (1 − 3,5)/(1 + 3,5)·3 = −1,667 m/s
v′2 = 2·1/(1 + 3,5)·3 = 1,333 m/s
Resposta
v′2 = 1,333 m/s
12.Quantidade de movimento e colisões
Resposta: v1 = 30,57 m/s
Conservação da quantidade de movimento: quando nenhuma força externa atua durante uma colisão, a quantidade de movimento total Σm·v antes é igual à total depois. As velocidades têm sentido, então escolha um sentido positivo e dê sinal negativo às velocidades no outro sentido. Em uma colisão elástica a energia cinética também se conserva; em uma perfeitamente inelástica os corpos ficam unidos.
Rotação em torno de um eixo fixo: a soma dos momentos em relação ao eixo é igual a I·α (ΣM = I·α), assim como ΣF = m·a na translação. Na forma de energia, um torque T que gira um ângulo θ (em radianos) realiza o trabalho T·θ, que altera a energia cinética ½·I·ω²; a gravidade acrescenta ou retira m·g·Δh do centro de massa. A potência é P = T·ω.
Velocidade angular
ω = 2π·1300/60 = 136,1 rad/s
Torque
T = P/ω = 92500/136,1 = 679,5 N·m
Resposta
T = 679,5 N·m
14.Rotação de corpo rígido
Resposta: φ = 54,64 °
Rolamento e quantidade de movimento angular: um corpo que rola sem deslizar tem v = ω·r, então sua energia cinética é ½·m·v² + ½·I·ω² = ½·m·v²·(1 + I/(m·r²)). Em um plano inclinado isso dá a = g·sin θ/(1 + I/(m·r²)). Quando nenhum momento externo atua em relação a um eixo, a quantidade de movimento angular em relação a esse eixo permanece constante, I₁·ω₁ = I₂·ω₂, mesmo que se perca energia cinética.
Geometria de engrenagens: o módulo m define o tamanho do dente. Uma engrenagem com N dentes tem diâmetro primitivo d = m·N, duas engrenagens acopladas têm o mesmo módulo, e a distância entre centros é a = (d₁ + d₂)/2 = m·(N₁ + N₂)/2. A velocidade tangencial no diâmetro primitivo é v = π·d·n/60, e a força tangencial no dente vem do torque: Ft = 2T/d.
Número total de dentes
N1 + N2 = 2a/m = 2·187,5/2,5 = 150
Divida pela relação
N1 = 150/(1 + 5) = 25
N2 = 5·25 = 125
Resposta
N2 = 125
16.Engrenagens e trens de engrenagens
Resposta: P = 3,725 kW
Transmissões por correia: sem escorregamento, as duas polias têm a mesma velocidade periférica v = π·d·n/60, de modo que n₁·d₁ = n₂·d₂ e a relação de velocidades é d₂/d₁. O escorregamento s torna a polia movida um pouco mais lenta: n₂ = n₁·(d₁/d₂)·(1 − s). A potência transmitida é P = (T₁ − T₂)·v, com T₁ a tração no lado tracionado e T₂ no lado frouxo. O atrito limita a razão das trações: T₁/T₂ = eμθ, em que θ é o ângulo de abraçamento em radianos na polia menor; para uma correia aberta, θ = π − 2·asen((d₂ − d₁)/(2C)) com distância entre centros C.
Ângulo de abraçamento
θ = 2,996 rad
Tração do lado frouxo
eμθ = e0,8987 = 2,456, T₂ = 1000/2,456 = 407,1 N
Potência
P = (1000 − 407,1)·6,283 = 3,725 kW
Resposta
P = 3,725 kW
17.Molas e pêndulos
Resposta: v = 1,631 m/s
Movimento harmônico simples: uma massa m presa a uma mola de constante elástica k oscila com frequência angular ω = √(k/m) e período T = 2π/ω = 2π·√(m/k). Um pêndulo simples de comprimento L tem T = 2π·√(L/g). Com amplitude A, a maior velocidade é A·ω, a maior aceleração é A·ω² e a energia é ½·k·A².
Frequência angular
ω = √(150/1,1) = 11,68 rad/s
Velocidade em x
v = ω·√(A² − x²) = 11,68·√(0,14² − 0,01²) = 1,631 m/s
Resposta
v = 1,631 m/s
18.Molas e pêndulos
Resposta: vmax = 2,828 m/s
Movimento harmônico simples: uma massa m presa a uma mola de constante elástica k oscila com frequência angular ω = √(k/m) e período T = 2π/ω = 2π·√(m/k). Um pêndulo simples de comprimento L tem T = 2π·√(L/g). Com amplitude A, a maior velocidade é A·ω, a maior aceleração é A·ω² e a energia é ½·k·A².
Frequência angular
ω = √(60/0,3) = 14,14 rad/s
Velocidade máxima
vmax = A·ω = 0,2·14,14 = 2,828 m/s
Resposta
vmax = 2,828 m/s
19.Vibrações mecânicas
Resposta: ζ = 0,06034
Vibração livre de um sistema massa–mola: a frequência natural não amortecida é ωn = √(k/m) em rad/s, e fn = ωn/(2π) em Hz. Um amortecedor viscoso c dá o fator de amortecimento ζ = c/cc, com amortecimento crítico cc = 2·√(k·m) = 2·m·ωn. Um sistema subamortecido (ζ < 1) oscila em ωd = ωn·√(1 − ζ²). Molas em paralelo se somam, k = k₁ + k₂; molas em série se somam pelos inversos, 1/k = 1/k₁ + 1/k₂.
Vibração livre de um sistema massa–mola: a frequência natural não amortecida é ωn = √(k/m) em rad/s, e fn = ωn/(2π) em Hz. Um amortecedor viscoso c dá o fator de amortecimento ζ = c/cc, com amortecimento crítico cc = 2·√(k·m) = 2·m·ωn. Um sistema subamortecido (ζ < 1) oscila em ωd = ωn·√(1 − ζ²). Molas em paralelo se somam, k = k₁ + k₂; molas em série se somam pelos inversos, 1/k = 1/k₁ + 1/k₂.
Rigidez equivalente
Molas em série compartilham a mesma força e somam suas deflexões, então se combinam pelos inversos: 1/k = 1/k1 + 1/k2.