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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 4 m/s² ao longo de uma pista. Encontre sua velocidade v após 1100 m.
v₀ = 0a = 4 m/s²s = 1100 m
v = m/s
2.CinemáticaDifícil
A bola A é solta do repouso de uma altura de 10 m. No mesmo instante a bola B é lançada verticalmente para cima a partir do chão, logo abaixo, a 11 m/s. Despreze a resistência do ar e use g = 9,81 m/s². A que altura y acima do chão elas se encontram?
H = 10 mv0B = 11 m/sg = 9,81 m/s²
y = m
3.Leis de NewtonMédia
Massas de 9 kg e 0,5 kg estão penduradas dos dois lados de uma polia leve e sem atrito, ligadas por um fio leve. O sistema é solto do repouso. Use g = 9,81 m/s². Encontre a aceleração a das massas.
m1 = 9 kgm2 = 0,5 kgg = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Leis de NewtonDifícil
Um bloco de 3 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 0,25. Use g = 9,81 m/s². Calcule a tração T no fio.
m1 = 3 kgm2 = 3,5 kgμ = 0,25g = 9,81 m/s²
T = N
5.Movimento de projéteisMédia
Uma bola é lançada a partir do chão plano a 24 m/s e deve cair a 55 m de distância. Despreze a resistência do ar e use g = 9,81 m/s². Encontre o menor dos dois ângulos de lançamento possíveis θ.
v₀ = 24 m/sR = 55 mg = 9,81 m/s²
θ = °
6.Movimento de projéteisDifícil
Uma bola é lançada do nível do chão a 22 m/s e 30° acima da horizontal. Ela cai no telhado plano de um prédio de 4 m de altura, já descendo. Despreze a resistência do ar e use g = 9,81 m/s². Encontre a distância horizontal x do ponto de lançamento até onde ela cai.
v₀ = 22 m/sθ = 30°hroof = 4 mg = 9,81 m/s²
x = m
7.Movimento circularMédia
Uma pequena bola presa a um fio de comprimento 2 m se move em um círculo horizontal de modo que o fio forma um ângulo constante de 35° com a vertical (um pêndulo cônico). Use g = 9,81 m/s². Encontre a velocidade v da bola.
L = 2 mθ = 35°g = 9,81 m/s²
v = 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 5 m por uma rampa a 25° da horizontal, com coeficiente de atrito cinético de 0,1. Encontre o trabalho Wf realizado contra o atrito.
m = 0,5 kgθ = 25°μ = 0,1d = 5 mg = 9,81 m/s²
Wf = J
10.Trabalho e energiaDifícil
Um bloco de 2 kg é solto do repouso na altura 2,5 m em uma rampa lisa. Embaixo ele atravessa uma faixa horizontal áspera de 2 m (μ = 0,2) e depois encontra uma mola (k = 800 N/m) em uma superfície lisa. Encontre a compressão máxima x da mola.
m = 2 kgh = 2,5 mL = 2 mμ = 0,2k = 800 N/mg = 9,81 m/s²
x = cm
11.Quantidade de movimento e colisõesMédia
Um carro de 1700 kg a 23 m/s colide com um carro parado de 1800 kg e os dois ficam presos um ao outro. Que porcentagem ΔK/K da energia cinética inicial é perdida?
m1 = 1700 kgv1 = 23 m/sm2 = 1800 kgv2 = 0
ΔK/K = %
12.Quantidade de movimento e colisõesDifícil
Uma bola de 0,2 kg atinge uma parede a 18 m/s e volta em linha reta a 11 m/s. O contato dura 10 ms. Calcule o módulo do impulso J que a parede aplica à bola.
m = 0,2 kgvin = 18 m/svout = 11 m/sΔt = 10 ms
J = N·s
13.Rotação de corpo rígidoMédia
Um bloco de 9,5 kg está pendurado em um cabo leve enrolado em uma polia, um disco maciço uniforme de massa 14,5 kg e raio 0,5 m que gira em um eixo horizontal sem atrito. O bloco é solto a partir do repouso. Use g = 9,81 m/s². Encontre a tração T no cabo.
m = 9,5 kgM = 14,5 kgR = 0,5 mg = 9,81 m/s²
T = N
14.Rotação de corpo rígidoDifícil
Um disco maciço uniforme (massa 20 kg, raio 0,45 m) gira livremente a 700 rpm em torno de um eixo vertical sem atrito. Um anel fino de massa 5 kg e mesmo raio é solto sobre ele a partir do repouso, centrado no eixo, e os dois logo passam a girar juntos. Quanta energia cinética ΔE se perde no processo?
Mdisc = 20 kgMring = 5 kgR = 0,45 mn1 = 700 rpm
ΔE = J
15.Engrenagens e trens de engrenagensMédia
Uma correia passa por uma polia motora de 150 mm a 1450 rpm. A tração é de 400 N no lado tracionado e de 160 N no lado frouxo. Encontre a potência P transmitida, em kW.
d1 = 150 mmn1 = 1450 rpmT1 = 400 NT2 = 160 N
P = kW
16.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
Em um trem de engrenagens composto, a engrenagem A (18 dentes), no eixo de entrada girando a 3000 rpm, aciona a engrenagem B (20 dentes). A engrenagem C (25 dentes) está fixada no mesmo eixo que B e aciona a engrenagem D (36 dentes) no eixo de saída. Calcule a rotação de saída nout.
nin = 3000 rpmA = 18B = 20C = 25D = 36
nout = rpm
17.Molas e pêndulosMédia
Qual deve ser o comprimento de um pêndulo simples para ter período de 2,2 s? Use g = 9,81 m/s². Calcule L.
T = 2,2 sg = 9,81 m/s²
L = m
18.Molas e pêndulosDifícil
Um projétil de 10 g a 100 m/s atinge e fica alojado em um bloco de 0,5 kg em repouso sobre uma superfície sem atrito. O bloco está preso a uma mola horizontal com k = 800 N/m. Encontre a amplitude A da oscilação resultante em cm.
m = 10 gv = 100 m/sM = 0,5 kgk = 800 N/m
A = cm
19.Vibrações mecânicasMédia
Em um ensaio de vibração livre de um sistema massa–mola amortecido, um pico de deslocamento de 10 mm é seguido, 2 ciclos depois, por um pico de 3,6 mm. Encontre o fator de amortecimento ζ.
x0 = 10 mmx2 = 3,6 mmn = 2
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 = 100 kN/m e a inferior k₂ = 20 kN/m. Encontre a rigidez equivalente keq do sistema de molas em kN/m.
m = 100 kgk1 = 100 kN/mk2 = 20 kN/m
keq = kN/m
3Soluções
1.Cinemática
Resposta: v = 93,81 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) = √(2·4·1100) = 93,81 m/s
Resposta
v = 93,81 m/s
(337,7 km/h)
2.Cinemática
Resposta: y = 5,946 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.
Instante do encontro
Para cima é positivo, o chão é y = 0.
10 − ½g·t² = 11·t − ½g·t² → t = 10/11 = 0,9091 s
Altura do encontro
y = 11·0,9091 − ½·9,81·0,9091² = 5,946 m
Resposta
y = 5,946 m
3.Leis de Newton
Resposta: a = 8,777 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.
Aceleração
A força motriz resultante é a diferença dos pesos; ela move a massa total.
a = (9 − 0,5)·9,81/(9 + 0,5) = 8,777 m/s²
Resposta
a = 8,777 m/s²
4.Leis de Newton
Resposta: T = 19,81 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.
Fórmula do alcance
R = v₀²·sin 2θ/g → sin 2θ = 9,81·55/24² = 0,9367
Ângulo
2θ = 69,51° → θ = 34,75°
Resposta
θ = 34,75°
A outra solução é 90° − θ = 55,25°.
6.Movimento de projéteis
Resposta: x = 34,03 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.
Decomponha a velocidade de lançamento
vx = 19,05 m/s, vy = 11 m/s
Tempo até cair no telhado
Raiz maior: a bola está descendo.
4 = 11·t − 4,905·t²
t = (11 + √(11² − 2·9,81·4))/9,81 = 1,786 s
Distância horizontal
x = vx·t = 19,05·1,786 = 34,03 m
Resposta
x = 34,03 m
7.Movimento circular
Resposta: v = 2,807 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 = 2·sin 35° = 1,147 m
Velocidade
Tração e gravidade juntas dão a força para dentro: tan θ = v²/(r·g).
v = √(r·g·tan θ) = √(1,147·9,81·tan 35°) = 2,807 m/s
Resposta
v = 2,807 m/s
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 = 2,223 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 = 4,905·0,9063 = 4,445 N
F = μN = 0,1·4,445 = 0,4445 N
Trabalho contra o atrito
Wf = F·d = 0,4445·5 = 2,223 J
Resposta
Wf = 2,223 J
10.Trabalho e energia
Resposta: x = 32,09 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 = 19,62·(2,5 − 0,2·2) = 41,2 J
Compressão máxima
½kx² = 41,2 → x = √(2·41,2/800) = 0,3209 m = 32,09 cm
Resposta
x = 32,09 cm
11.Quantidade de movimento e colisões
Resposta: ΔK/K = 51,43 %
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.
Velocidade comum
v′ = m1·v1/(m1 + m2) = 1700·23/3500 = 11,17 m/s
Energia cinética antes e depois
Kbefore = ½·1700·23² = 449650 J
Kafter = ½·3500·11,17² = 218401 J
Fração perdida
ΔK/K = 231249/449650 = 51,43 %
Resposta
ΔK/K = 51,43 %
A energia perdida vira deformação, calor e som.
12.Quantidade de movimento e colisões
Resposta: J = 5,8 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 = 0,2·(11 + 18) = 5,8 N·s
Resposta
J = 5,8 N·s
13.Rotação de corpo rígido
Resposta: T = 40,34 N
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.
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.
Velocidade da correia
v = 11,39 m/s
Potência
P = (400 − 160)·11,39 = 2733 W = 2,733 kW
Resposta
P = 2,733 kW
16.Engrenagens e trens de engrenagens
Resposta: nout = 1875 rpm
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.
Primeiro estágio
nB = 3000·18/20 = 2700 rpm = nC
Segundo estágio
nout = 2700·25/36 = 1875 rpm
Resposta
nout = 1875 rpm
relação total = 1,6 : 1
17.Molas e pêndulos
Resposta: L = 1,203 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·(2,2/2π)² = 1,203 m
Resposta
L = 1,203 m
18.Molas e pêndulos
Resposta: A = 4,951 cm
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.
Velocidade após o impacto
V = m·v/(m + M) = 0,01·100/0,51 = 1,961 m/s
Frequência angular
ω = √(k/(m + M)) = √(800/0,51) = 39,61 rad/s
Amplitude
A = V/ω = 1,961/39,61 = 0,04951 m = 4,951 cm
Resposta
A = 4,951 cm
19.Vibrações mecânicas
Resposta: ζ = 0,08103
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.