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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 avião parte do repouso e acelera uniformemente a 2 m/s² ao longo de uma pista. Encontre sua velocidade v após 800 m.
v₀ = 0a = 2 m/s²s = 800 m
v = m/s
2.CinemáticaDifícil
Uma bola é lançada verticalmente para cima a 7 m/s da beira de um telhado a 40 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 = 7 m/sh₀ = 40 mg = 9,81 m/s²
hmax = m
3.Leis de NewtonMédia
Uma caixa de 45 kg é empurrada rampa acima, inclinada a 35° em relação à horizontal, com velocidade constante, por uma força paralela à rampa. O coeficiente de atrito cinético é 0,25. Use g = 9,81 m/s². Encontre a força de empurrão F.
m = 45 kgθ = 35°μ = 0,25g = 9,81 m/s²
F = N
4.Leis de NewtonDifícil
Um bloco recebe um empurrão e começa a subir uma rampa a 30° com velocidade de 11,5 m/s. O coeficiente de atrito cinético é 0,2. Use g = 9,81 m/s². Que distância d ao longo da rampa ele desliza antes de parar?
v₀ = 11,5 m/sθ = 30°μ = 0,2g = 9,81 m/s²
d = m
5.Movimento de projéteisMédia
Uma bola é lançada a partir do chão plano a 70° acima da horizontal e cai a 50 m de distância. Despreze a resistência do ar e use g = 9,81 m/s². Encontre a velocidade de lançamento v0.
θ = 70°R = 50 mg = 9,81 m/s²
v0 = m/s
6.Movimento de projéteisDifícil
Uma bola é lançada a 25 m/s e 55° acima da horizontal do alto de um penhasco de 50 m. Despreze a resistência do ar e use g = 9,81 m/s². Encontre a altura máxima H acima do chão ao pé do penhasco.
v₀ = 25 m/sθ = 55°h = 50 mg = 9,81 m/s²
H = m
7.Movimento circularMédia
Um carro passa pelo topo de uma lombada, que é um arco de circunferência de raio 55 m. Use g = 9,81 m/s². Acima de que velocidade vmax as rodas perdem contato com a estrada no topo?
r = 55 mg = 9,81 m/s²
vmax = m/s
8.Movimento circularDifícil
Uma bola presa a um fio de 1,5 m de comprimento gira em um círculo vertical. Use g = 9,81 m/s². Qual é a menor velocidade vmin no topo para a qual o fio ainda permanece esticado?
r = 1,5 mg = 9,81 m/s²
vmin = m/s
9.Trabalho e energiaMédia
Um bloco de 0,5 kg desliza 16 m por uma rampa a 45° da horizontal, com coeficiente de atrito cinético de 0,2. Encontre o trabalho Wf realizado contra o atrito.
m = 0,5 kgθ = 45°μ = 0,2d = 16 mg = 9,81 m/s²
Wf = J
10.Trabalho e energiaDifícil
Um bloco de 4 kg é solto do repouso na altura 2 m em uma rampa lisa. Embaixo ele atravessa uma faixa horizontal áspera de 1 m (μ = 0,15) e depois encontra uma mola (k = 4000 N/m) em uma superfície lisa. Encontre a compressão máxima x da mola.
m = 4 kgh = 2 mL = 1 mμ = 0,15k = 4000 N/mg = 9,81 m/s²
x = cm
11.Quantidade de movimento e colisõesMédia
Um carrinho de 3 kg a 10 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′2 do segundo carrinho após a colisão.
m1 = 3 kgm2 = 4,5 kgv1 = 10 m/sv2 = 0
v′2 = m/s
12.Quantidade de movimento e colisõesDifícil
Uma bola de 0,15 kg atinge uma parede a 23 m/s e volta em linha reta a 7 m/s. O contato dura 50 ms. Calcule o módulo do impulso J que a parede aplica à bola.
m = 0,15 kgvin = 23 m/svout = 7 m/sΔt = 50 ms
J = N·s
13.Rotação de corpo rígidoMédia
Uma barra esbelta uniforme de massa 2,5 kg e comprimento 1,5 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 = 2,5 kgL = 1,5 mg = 9,81 m/s²
ω = rad/s
14.Rotação de corpo rígidoDifícil
Uma barra esbelta uniforme de massa 9 kg e comprimento 1 m pende em repouso de um pivô sem atrito na sua extremidade superior. Um projétil de 45 g que se move horizontalmente a 280 m/s atinge a barra 0,55 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 = 9 kgL = 1 mm = 45 gv = 280 m/sd = 0,55 mg = 9,81 m/s²
φ = °
15.Engrenagens e trens de engrenagensMédia
Um motor de 1,1 kW girando a 960 rpm aciona um pinhão com 24 dentes, que engrena com uma engrenagem de 40 dentes. O par de engrenagens tem rendimento de 96%. Calcule o torque T1 no eixo do motor.
P = 1,1 kWn1 = 960 rpmN1 = 24N2 = 40η = 96%
T1 = N·m
16.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
Uma correia aberta liga uma polia de 80 mm e uma polia de 250 mm cujos centros estão a 500 mm de distância. Encontre o ângulo de abraçamento θ na polia menor, em graus.
d1 = 80 mmd2 = 250 mmC = 500 mm
θ = °
17.Molas e pêndulosMédia
Um pêndulo simples tem comprimento de 1,4 m. Use g = 9,81 m/s². Calcule seu período T para pequenas oscilações.
L = 1,4 mg = 9,81 m/s²
T = s
18.Molas e pêndulosDifícil
Uma massa de 0,2 kg presa a uma mola com k = 120 N/m é deslocada 19 cm da posição de equilíbrio e solta. Calcule sua aceleração máxima amax.
m = 0,2 kgk = 120 N/mA = 19 cm
amax = m/s²
19.Vibrações mecânicasMédia
Uma massa de 500 kg é sustentada por uma mola com rigidez de 50 kN/m e por um amortecedor viscoso com coeficiente de amortecimento de 5000 N·s/m. Encontre o fator de amortecimento ζ.
m = 500 kgk = 50 kN/mc = 5000 N·s/m
ζ =
20.Vibrações mecânicasDifícil
Uma massa de 100 kg está pendurada em duas molas ligadas uma após a outra (em série): a mola superior tem k₁ = 10 kN/m e a inferior k₂ = 40 kN/m. Encontre a rigidez equivalente keq do sistema de molas em kN/m.
m = 100 kgk1 = 10 kN/mk2 = 40 kN/m
keq = kN/m
3Soluções
1.Cinemática
Resposta: v = 56,57 m/s
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.
Velocidade após a distância
v = √(2·a·s) = √(2·2·800) = 56,57 m/s
Resposta
v = 56,57 m/s
(203,6 km/h)
2.Cinemática
Resposta: hmax = 42,5 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 = 7²/(2·9,81) = 2,497 m
Altura em relação ao chão
hmax = 40 + 2,497 = 42,5 m
Resposta
hmax = 42,5 m
3.Leis de Newton
Resposta: F = 343,6 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.
Forças ao longo do plano
Velocidade constante: as forças se equilibram.
F = m·g·sin θ + μ·m·g·cos θ
Força de empurrão
F = 253,2 + 90,4 = 343,6 N
Resposta
F = 343,6 N
4.Leis de Newton
Resposta: d = 10,01 m
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
As duas forças apontam rampa abaixo; a massa se cancela.
a = 9,81·(sin 30° + 0,2·cos 30°) = 6,604 m/s²
Distância
d = v₀²/(2a) = 11,5²/(2·6,604) = 10,01 m
Resposta
d = 10,01 m
5.Movimento de projéteis
Resposta: v0 = 27,62 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.
Resolva a fórmula do alcance para v₀
v₀ = √(g·R/sin 2θ) = √(9,81·50/sin 140°) = 27,62 m/s
Resposta
v0 = 27,62 m/s
6.Movimento de projéteis
Resposta: H = 71,38 m
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.
Velocidade vertical de lançamento
vy = 25·sin 55° = 20,48 m/s
Subida acima do penhasco
Δh = vy²/(2g) = 20,48²/(2·9,81) = 21,38 m
Altura em relação ao chão
H = 50 + 21,38 = 71,38 m
Resposta
H = 71,38 m
7.Movimento circular
Resposta: vmax = 23,23 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.
Força normal nula
m·g = m·v²/r → v = √(g·r) = √(9,81·55) = 23,23 m/s
Resposta
vmax = 23,23 m/s
(83,62 km/h)
8.Movimento circular
Resposta: vmin = 3,836 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.
Tração nula no topo
m·g = m·v²/r → v = √(g·r) = √(9,81·1,5) = 3,836 m/s
Resposta
vmin = 3,836 m/s
9.Trabalho e energia
Resposta: Wf = 11,1 J
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).
Força de atrito
N = mg·cos θ = 4,905·0,7071 = 3,468 N
F = μN = 0,2·3,468 = 0,6937 N
Trabalho contra o atrito
Wf = F·d = 0,6937·16 = 11,1 J
Resposta
Wf = 11,1 J
10.Trabalho e energia
Resposta: x = 19,05 cm
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 restante depois da faixa áspera
A rampa é lisa, então só a faixa remove energia.
mgh − μmgL = 39,24·(2 − 0,15·1) = 72,59 J
Compressão máxima
½kx² = 72,59 → x = √(2·72,59/4000) = 0,1905 m = 19,05 cm
Resposta
x = 19,05 cm
11.Quantidade de movimento e colisões
Resposta: v′2 = 8 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)·10 = −2 m/s
v′2 = 2·3/(3 + 4,5)·10 = 8 m/s
Resposta
v′2 = 8 m/s
12.Quantidade de movimento e colisões
Resposta: J = 4,5 N·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.
Variação da quantidade de movimento
J = m·Δv = 0,15·(7 + 23) = 4,5 N·s
Resposta
J = 4,5 N·s
13.Rotação de corpo rígido
Resposta: ω = 4,429 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.
Trens de engrenagens: engrenagens acopladas têm a mesma velocidade nos dentes, então n₁·N₁ = n₂·N₂: a engrenagem com menos dentes gira mais rápido. Engrenagens no mesmo eixo giram com a mesma rotação. A potência é transmitida (menos as perdas), então o torque aumenta quando a rotação diminui: T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η, e P = T·ω com ω = 2π·n/60.
Torque do motor
ω₁ = 2π·960/60 = 100,5 rad/s
T1 = P/ω₁ = 1100/100,5 = 10,94 N·m
Resposta
T1 = 10,94 N·m
16.Engrenagens e trens de engrenagens
Resposta: θ = 160,4 °
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(0,17) = 9,788°
Ângulo de abraçamento
θ = 180 − 2·9,788 = 160,4°
Resposta
θ = 160,4°
17.Molas e pêndulos
Resposta: T = 2,374 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.
Período do pêndulo
T = 2π·√(1,4/9,81) = 2,374 s
Resposta
T = 2,374 s
18.Molas e pêndulos
Resposta: amax = 114 m/s²
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 = √(120/0,2) = 24,49 rad/s
Aceleração máxima
amax = A·ω² = 0,19·24,49² = 114 m/s²
Resposta
amax = 114 m/s²
19.Vibrações mecânicas
Resposta: ζ = 0,5
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.
Amortecimento crítico
cc = 2·√(k·m) = 2·√(50000·500) = 10000 N·s/m
Fator de amortecimento
ζ = c/cc = 5000/10000 = 0,5
Resposta
ζ = 0,5
ζ < 1, então o sistema é subamortecido e oscila enquanto decai.
20.Vibrações mecânicas
Resposta: keq = 8 kN/m
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.