Na janela de impressão, escolha “Salvar como PDF” para guardar uma cópia no seu dispositivo.
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 80 km/h freia com desaceleração constante de 7 m/s² até parar. Calcule a distância de frenagem s.
v₀ = 80 km/ha = −7 m/s²v = 0
s = m
2.CinemáticaDifícil
Uma bola é lançada verticalmente para cima a 14 m/s da beira de um telhado a 20 m do chão. Despreze a resistência do ar e use g = 9,81 m/s². Calcule a altura máxima hmax em relação ao chão.
v₀ = 14 m/sh₀ = 20 mg = 9,81 m/s²
hmax = m
3.Leis de NewtonMédia
Uma caixa desliza sobre um piso horizontal com velocidade inicial de 9 m/s e para após 17 m. Use g = 9,81 m/s². Encontre o coeficiente de atrito cinético μ.
v₀ = 9 m/sd = 17 mg = 9,81 m/s²
μ =
4.Leis de NewtonDifícil
Um bloco de 5,5 kg sobre uma mesa horizontal está ligado por um fio leve, que passa por uma polia sem atrito, a uma massa suspensa de 3,5 kg. O coeficiente de atrito cinético entre o bloco e a mesa é 0,3. Use g = 9,81 m/s². Calcule a aceleração a do sistema.
m1 = 5,5 kgm2 = 3,5 kgμ = 0,3g = 9,81 m/s²
a = m/s²
5.Movimento de projéteisMédia
Uma bola é lançada a 40° acima da horizontal do chão plano. Despreze a resistência do ar. Encontre a altura máxima H que a bola alcança.
v0 = 14 m/sθ = 40°g = 9,81 m/s²
H = m
6.Movimento de projéteisDifícil
Uma bola é lançada a 18 m/s e 45° acima da horizontal do alto de um penhasco de 40 m. Despreze a resistência do ar e use g = 9,81 m/s². Encontre a velocidade v com que ela atinge o chão.
v₀ = 18 m/sθ = 45°h = 40 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
7.Movimento circularMédia
Um carro faz uma curva plana de raio 70 m. O coeficiente de atrito estático entre os pneus e a pista é 0,5. Use g = 9,81 m/s². Calcule a maior velocidade vmax com que o carro pode fazer a curva sem derrapar.
r = 70 mμs = 0,5g = 9,81 m/s²
vmax = m/s
8.Movimento circularDifícil
Um carrinho de 2,5 kg é solto do repouso a uma altura de 26,6 m em um trilho sem atrito e passa por um loop vertical de raio 7 m. Use g = 9,81 m/s². Encontre a força normal Nbottom do trilho sobre o carrinho na base do loop.
m = 2,5 kgh = 26,6 mR = 7 mg = 9,81 m/s²
Nbottom = N
9.Trabalho e energiaMédia
Um bloco desliza a partir do repouso por uma rampa a 35° da horizontal. O coeficiente de atrito cinético é 0,35. Encontre sua velocidade v depois de deslizar 17 m ao longo da rampa.
θ = 35°μ = 0,35d = 17 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
10.Trabalho e energiaDifícil
Um bloco de 10 kg repousa sobre uma mesa horizontal áspera (μ = 0,2). Um fio leve vai dele, passando por uma polia lisa na borda da mesa, até um bloco pendurado de 5 kg. O sistema é solto do repouso. Encontre a velocidade v dos blocos depois que o bloco pendurado desceu 2,5 m.
m1 = 10 kgm2 = 5 kgμ = 0,2d = 2,5 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
11.Quantidade de movimento e colisõesMédia
Um carrinho de 3 kg a 6 m/s sofre uma colisão frontal perfeitamente elástica com um carrinho de 4,5 kg em repouso em um trilho sem atrito. Calcule a velocidade v′1 do primeiro carrinho após a colisão (positiva no seu sentido original).
m1 = 3 kgm2 = 4,5 kgv1 = 6 m/sv2 = 0
v′1 = m/s
12.Quantidade de movimento e colisõesDifícil
Uma bola de 0,45 kg atinge uma parede a 22 m/s e volta em linha reta a 10 m/s. O contato dura 20 ms. Calcule a força média Favg da parede sobre a bola.
m = 0,45 kgvin = 22 m/svout = 10 m/sΔt = 20 ms
Favg = N
13.Rotação de corpo rígidoMédia
Uma barra esbelta uniforme de massa 1,5 kg e comprimento 0,8 m está articulada em uma extremidade e é solta do repouso na posição horizontal. Despreze o atrito e use g = 9,81 m/s². Encontre a velocidade angular ω da barra ao passar pela posição vertical.
m = 1,5 kgL = 0,8 mg = 9,81 m/s²
ω = rad/s
14.Rotação de corpo rígidoDifícil
Um corpo (esfera maciça) de massa 19 kg rola sem deslizar a 5 m/s. Que porcentagem p da sua energia cinética total é de rotação?
m = 19 kgv = 5 m/sI = (2/5)·m·r²
p = %
15.Engrenagens e trens de engrenagensMédia
Um motor de 4 kW girando a 960 rpm aciona um pinhão com 20 dentes e módulo de 3 mm. Encontre a força tangencial Ft nos dentes do pinhão.
P = 4 kWn = 960 rpmN1 = 20m = 3 mm
Ft = N
16.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
Uma correia aberta liga uma polia de 80 mm e uma polia de 400 mm cujos centros estão a 800 mm de distância. Encontre o ângulo de abraçamento θ na polia menor, em graus.
d1 = 80 mmd2 = 400 mmC = 800 mm
θ = °
17.Molas e pêndulosMédia
Qual deve ser o comprimento de um pêndulo simples para ter período de 2,1 s? Use g = 9,81 m/s². Calcule L.
T = 2,1 sg = 9,81 m/s²
L = m
18.Molas e pêndulosDifícil
Uma massa presa a uma mola com k = 280 N/m oscila sobre uma superfície sem atrito com amplitude de 13 cm. Encontre sua energia cinética K quando ela está a 6 cm do equilíbrio.
k = 280 N/mA = 13 cmx = 6 cm
K = J
19.Vibrações mecânicasMédia
Em um ensaio de vibração livre de um sistema massa–mola amortecido, um pico de deslocamento de 12 mm é seguido, 2 ciclos depois, por um pico de 7,3 mm. Encontre o fator de amortecimento ζ.
x0 = 12 mmx2 = 7,3 mmn = 2
ζ =
20.Vibrações mecânicasDifícil
Uma massa de 20 kg está pendurada em duas molas lado a lado (em paralelo), com rigidezes k₁ = 12 kN/m e k₂ = 5 kN/m. A massa permanece nivelada. Encontre a rigidez equivalente keq do sistema de molas em kN/m.
m = 20 kgk1 = 12 kN/mk2 = 5 kN/m
keq = kN/m
3Soluções
1.Cinemática
Resposta: s = 35,27 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 = 80/3,6 = 22,22 m/s
Distância de frenagem
0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 22,22²/(2·7) = 35,27 m
Resposta
s = 35,27 m
2.Cinemática
Resposta: hmax = 29,99 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.
Subida acima do telhado
0 = v₀² − 2·g·Δh → Δh = 14²/(2·9,81) = 9,99 m
Altura em relação ao chão
hmax = 20 + 9,99 = 29,99 m
Resposta
hmax = 29,99 m
3.Leis de Newton
Resposta: μ = 0,2428
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) = 9²/(2·17) = 2,382 m/s²
Coeficiente de atrito
μ·m·g = m·a → μ = a/g = 2,382/9,81 = 0,2428
Resposta
μ = 0,2428
4.Leis de Newton
Resposta: a = 2,017 m/s²
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.
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 = 14·cos 40° = 10,72 m/s
vy = v0·sin θ = 14·sin 40° = 8,999 m/s
Ponto mais alto
No topo a velocidade vertical é zero: vy² = 2gH.
H = vy²/(2g) = 8,999²/(2·9,81) = 4,128 m
Resposta
H = 4,128 m
6.Movimento de projéteis
Resposta: v = 33,3 m/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
vx = 18·cos 45° = 12,73 m/s
vy0 = 18·sin 45° = 12,73 m/s
Velocidade vertical no impacto
Energia, ou v² = v₀² + 2as na direção vertical.
vy = √(12,73² + 2·9,81·40) = 30,77 m/s
Velocidade de impacto
v = √(12,73² + 30,77²) = 33,3 m/s
Resposta
v = 33,3 m/s
Verificação pela energia: v² = v₀² + 2gh.
7.Movimento circular
Resposta: vmax = 18,53 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.
O atrito fornece a força centrípeta
m·v²/r = μ·m·g
v = √(μ·g·r) = √(0,5·9,81·70) = 18,53 m/s
Resposta
vmax = 18,53 m/s (66,71 km/h)
8.Movimento circular
Resposta: Nbottom = 210,9 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.
Velocidade pela conservação da energia
v² = 2·9,81·26,6 = 521,9 m²/s²
Forças
Em direção ao centro é positivo.
N = m·v²/R + m·g = 2,5·521,9/7 + 24,53 = 210,9 N
Resposta
Nbottom = 210,9 N
9.Trabalho e energia
Resposta: v = 9,782 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 = √(2·9,81·17·(0,5736 − 0,35·0,8192)) = 9,782 m/s
Resposta
v = 9,782 m/s
10.Trabalho e energia
Resposta: v = 3,132 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).
Energia liberada e perdida
m₂g·d = 49,05·2,5 = 122,6 J
μ·m₁g·d = 0,2·98,1·2,5 = 49,05 J
Energia cinética dos dois blocos
½(m₁ + m₂)v² = 73,58 → v = √(2·73,58/15) = 3,132 m/s
Resposta
v = 3,132 m/s
11.Quantidade de movimento e colisões
Resposta: v′1 = −1,2 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 = (3 − 4,5)/(3 + 4,5)·6 = −1,2 m/s
v′2 = 2·3/(3 + 4,5)·6 = 4,8 m/s
Resposta
v′1 = −1,2 m/s
O sinal negativo significa que o primeiro carrinho volta para trás.
12.Quantidade de movimento e colisões
Resposta: Favg = 720 N
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.
Variação da quantidade de movimento
J = m·Δv = 0,45·(10 + 22) = 14,4 N·s
Força média
Favg = J/Δt = 14,4/0,02 = 720 N
Resposta
Favg = 720 N
13.Rotação de corpo rígido
Resposta: ω = 6,065 rad/s
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.
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.
A parcela depende apenas da forma, não da massa nem da velocidade.
15.Engrenagens e trens de engrenagens
Resposta: Ft = 1326 N
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.
Torque no pinhão
ω = 2π·960/60 = 100,5 rad/s
T = P/ω = 4000/100,5 = 39,79 N·m
Diâmetro primitivo
d = m·N = 3·20 = 60 mm
Força tangencial
Ft = 2T/d = 2·39,79/0,06 = 1326 N
Resposta
Ft = 1326 N
16.Engrenagens e trens de engrenagens
Resposta: θ = 156,9 °
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 da correia
asin(0,2) = 11,54°
Ângulo de abraçamento
θ = 180 − 2·11,54 = 156,9°
Resposta
θ = 156,9°
17.Molas e pêndulos
Resposta: L = 1,096 m
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.
Isole o comprimento
L = g·(T/2π)² = 9,81·(2,1/2π)² = 1,096 m
Resposta
L = 1,096 m
18.Molas e pêndulos
Resposta: K = 1,862 J
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.
Energia total
E = ½·k·A² = ½·280·0,13² = 2,366 J
Energia da mola em x
U = ½·k·x² = ½·280·0,06² = 0,504 J
Energia cinética
K = 2,366 − 0,504 = 1,862 J
Resposta
K = 1,862 J
19.Vibrações mecânicas
Resposta: ζ = 0,03952
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 lado a lado compartilham a deflexão e somam suas forças, então suas rigidezes simplesmente se somam: k = k1 + k2.