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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.
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.
Força hidrostática
Pressão em uma profundidade
p = ρgh
Força em uma parede vertical
F = ρg·hc·A
Centro de pressão
yp = yc + Ic/(ycA)
Retângulo
Ic = bH³/12
Continuidade e Bernoulli
Continuidade
A1v1 = A2v2
Bernoulli
p1 + ½ρv1² + ρgz1 = p2 + ½ρv2² + ρgz2
Vazão
Q = A·v
Área do círculo
A = πd²/4
Lei dos gases ideais
Lei dos gases ideais
pV = nRT
Constante dos gases
R = 8,314 J/(mol·K)
Lei geral dos gases
p1V1/T1 = p2V2/T2
Mols
n = m/M
Temperatura
T[K] = T[°C] + 273,15
Máquinas térmicas e refrigeradores
Rendimento
η = W/QH = 1 − QC/QH
Rendimento de Carnot
ηC = 1 − TC/TH (kelvin)
COP do refrigerador
COPR = QC/W
COP da bomba de calor
COPHP = QH/W = COPR + 1
Balanço de energia
QH = W + QC
Ondas, som e óptica
Velocidade da onda
v = fλ, T = 1/f
Corda
v = √(T/μ), μ = m/L
Nível sonoro
β = 10·log10(I/I0), I0 = 10⁻¹² W/m²
Fonte puntiforme
I = P/(4πr²)
Ondas estacionárias
corda ou tubo aberto fn = n·v/(2L); tubo fechado fn = n·v/(4L), n ímpar
Efeito Doppler
f′ = f·(v ± vo)/(v ∓ vs)
Índice de refração
n = c/v, λ = λ0/n
Lei de Snell
n1sin θ1 = n2sin θ2
Ângulo crítico
sin θc = n2/n1
Fibra óptica
NA = sin θa = √(n1² − n2²)
Lentes e espelhos
1/f = 1/do + 1/di, m = −di/do, mirror f = R/2
Fenda dupla
d·sin θ = mλ, ym = mλL/d
Rede de difração
d = 1/N, d·sin θ = mλ, mmax ≤ d/λ
Fenda simples
a·sin θ = mλ (dark), w = 2λL/a
Método
Identifique o tipo de problema: velocidade da onda, nível sonoro, onda estacionária, Doppler, refração, lente ou espelho, ou interferência.
Escreva primeiro a relação: v = fλ, β = 10·log(I/I₀), fₙ = n·v/(2L) ou n·v/(4L), f′ = f(v ± vo)/(v ∓ vs), n₁sin θ₁ = n₂sin θ₂, 1/f = 1/d₀ + 1/dᵢ, d·sin θ = mλ.
Converta as unidades: nm, mm e cm para m, e verifique se os ângulos são medidos a partir da normal.
Verifique os sinais e a plausibilidade: uma imagem virtual tem dᵢ < 0, uma fonte que se aproxima soa mais aguda, um tubo fechado só tem harmônicos ímpares.
2Exercícios
1.CinemáticaMédia
Um carro a 45 km/h freia com desaceleração constante de 8 m/s² até parar. Calcule a distância de frenagem s.
v₀ = 45 km/ha = −8 m/s²v = 0
s = m
2.CinemáticaDifícil
Uma bola é lançada verticalmente para cima a 16 m/s da beira de um telhado a 35 m do chão. Despreze a resistência do ar e use g = 9,81 m/s². Quanto tempo após o lançamento ela atinge o chão? Calcule t.
v₀ = 16 m/sh₀ = 35 mg = 9,81 m/s²
t = s
3.Leis de NewtonMédia
Um bloco de 9 kg desliza para baixo em um plano inclinado sem atrito a 20° da horizontal. Use g = 9,81 m/s². Calcule a aceleração a do bloco ao longo do plano.
m = 9 kgθ = 20°μ = 0g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Leis de NewtonDifícil
Dois blocos sobre um piso horizontal estão ligados por um fio horizontal leve. Uma força horizontal de 40 N puxa o bloco da frente, de 9 kg; o bloco de 3 kg é rebocado atrás. O coeficiente de atrito cinético é 0,15 para os dois blocos. Use g = 9,81 m/s². Encontre a aceleração a dos blocos.
m1 = 3 kgm2 = 9 kgF = 40 Nμ = 0,15g = 9,81 m/s²
a = m/s²
5.Movimento de projéteisMédia
Uma bola é lançada a 25° acima da horizontal do chão plano. Despreze a resistência do ar. Encontre a altura máxima H que a bola alcança.
v0 = 10 m/sθ = 25°g = 9,81 m/s²
H = m
6.Movimento de projéteisDifícil
Uma bola é lançada a 19 m/s e 15° acima da horizontal do alto de um penhasco de 60 m. Despreze a resistência do ar e use g = 9,81 m/s². Com que ângulo α abaixo da horizontal ela atinge o chão?
v₀ = 19 m/sθ = 15°h = 60 mg = 9,81 m/s²
α = °
7.Trabalho e energiaMédia
Uma bola de 5 kg está pendurada em um fio leve de comprimento 1,5 m. Ela é afastada até o fio formar 20° com a vertical e solta do repouso. Encontre a tração T no fio quando a bola passa pelo ponto mais baixo.
m = 5 kgL = 1,5 mθ = 20°g = 9,81 m/s²
T = N
8.Trabalho e energiaDifícil
Um bloco de 5 kg repousa sobre uma mesa horizontal áspera (μ = 0,1). Um fio leve vai dele, passando por uma polia lisa na borda da mesa, até um bloco pendurado de 3 kg. O sistema é solto do repouso. Encontre a velocidade v dos blocos depois que o bloco pendurado desceu 1 m.
m1 = 5 kgm2 = 3 kgμ = 0,1d = 1 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
9.Quantidade de movimento e colisõesMédia
Um carrinho de 1 kg a 9 m/s sofre uma colisão frontal perfeitamente elástica com um carrinho de 2,5 kg em repouso em um trilho sem atrito. Calcule a velocidade v′2 do segundo carrinho após a colisão.
m1 = 1 kgm2 = 2,5 kgv1 = 9 m/sv2 = 0
v′2 = m/s
10.Quantidade de movimento e colisõesDifícil
Em um cruzamento, um carro de 1100 kg que vai para leste a 21 m/s colide com um carro de 1500 kg que vai para norte a 19 m/s. Os carros ficam presos um ao outro. Encontre a direção θ dos destroços logo após a colisão, medida a partir do leste em direção ao norte.
m1 = 1100 kgv1 = 21 m/s (E)m2 = 1500 kgv2 = 19 m/s (N)
θ = °
11.Força hidrostáticaMédia
Uma comporta retangular vertical de 2 m de largura fica na parede de um tanque de água, com a borda superior 1 m abaixo da superfície. Encontre a força hidrostática resultante F na comporta.
Uma comporta retangular vertical de 1,5 m de largura fica na parede de um tanque de água, com a borda superior 0,5 m abaixo da superfície. Encontre a força hidrostática resultante F na comporta.
A água escoa por um tubo horizontal que se estreita de 100 mm para 75 mm. No trecho largo a pressão é 140 kPa e a velocidade é 1 m/s. Desprezando as perdas, encontre a pressão p2 no trecho estreito.
A água sobe por um tubo que se estreita de 100 mm para 50 mm enquanto sobe 7 m. Na seção 1 a pressão é 310 kPa e a velocidade é 0,5 m/s. Desprezando as perdas, encontre a pressão p2 na seção 2.
Uma máquina térmica reversível (de Carnot) recebe 4800 kJ de calor de um reservatório a 700 °C e rejeita 1495 kJ por ciclo. Encontre a temperatura TL do reservatório frio em °C.
TH = 700 °CQH = 4800 kJQL = 1495 kJ
TL = °C
18.Máquinas térmicas e refrigeradoresDifícil
Uma máquina térmica de Carnot recebe 90 kW de calor de uma fonte a 450 °C e rejeita calor para o ambiente a 25 °C. Todo o seu trabalho aciona um refrigerador de Carnot que retira calor de um freezer a -30 °C e também rejeita calor para o ambiente a 25 °C. Encontre a taxa Q̇L com que o calor é retirado do freezer.
TH = 450 °CT0 = 25 °CTL = -30 °CQ̇H = 90 kW
Q̇L = kW
19.Ondas, som e ópticaMédia
A luz dentro de um bloco transparente é totalmente refletida na fronteira com água (n = 1,33) para todo ângulo de incidência acima de 38°. Encontre o índice de refração n1 do bloco.
θc = 38°n2 = 1,33
n1 =
20.Ondas, som e ópticaDifícil
Um objeto está a 20 cm na frente de um espelho convexo com raio de curvatura de 40 cm. Encontre a distância da imagem di, positiva para uma imagem na frente do espelho (real) e negativa para uma atrás dele (virtual).
do = 20 cmR = 40 cm
di = cm
3Soluções
1.Cinemática
Resposta: s = 9,766 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 = 45/3,6 = 12,5 m/s
Distância de frenagem
0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 12,5²/(2·8) = 9,766 m
Resposta
s = 9,766 m
2.Cinemática
Resposta: t = 4,761 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.
Equação do movimento
Para cima é positivo e o chão está h₀ abaixo do ponto de partida.
−35 = 16·t − ½·9,81·t²
4,905·t² − 16·t − 35 = 0
Resolva a equação do segundo grau
Só a raiz positiva tem sentido físico.
t = (16 + √(16² + 2·9,81·35))/9,81 = 4,761 s
Resposta
t = 4,761 s
3.Leis de Newton
Resposta: a = 3,355 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.
Newton’s second law: the net force on a body equals its mass times its acceleration, ΣF = m·a. Draw a free-body diagram, choose a positive direction along the motion, and add every force in that direction: applied forces, friction μ·N against the motion, and the components of gravity.
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 = 10·cos 25° = 9,063 m/s
vy = v0·sin θ = 10·sin 25° = 4,226 m/s
Ponto mais alto
No topo a velocidade vertical é zero: vy² = 2gH.
H = vy²/(2g) = 4,226²/(2·9,81) = 0,9103 m
Resposta
H = 0,9103 m
6.Movimento de projéteis
Resposta: α = 62,1 °
Projectile motion: with no air resistance, x = vxt and y = h + vyt − ½gt². The two directions are independent except that they share the same time.
Decomponha a velocidade de lançamento
vx = 19·cos 15° = 18,35 m/s
vy0 = 19·sin 15° = 4,918 m/s
Velocidade vertical no impacto
Energia, ou v² = v₀² + 2as na direção vertical.
vy = √(4,918² + 2·9,81·60) = 34,66 m/s
Ângulo de impacto
tan α = vy/vx = 34,66/18,35 → α = 62,1°
Resposta
α = 62,1°
7.Trabalho e energia
Resposta: T = 54,97 N
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). Em uma trajetória circular a força resultante em direção ao centro deve ser igual a mv²/r.
Velocidade embaixo
v² = 2gL(1 − cos θ) = 2·9,81·1,5·(1 − cos 20°) = 1,775 m²/s²
Forças embaixo
m·g = 5·9,81 = 49,05 N
T = mg + mv²/L = 49,05 + 5·1,775/1,5 = 54,97 N
Resposta
T = 54,97 N
Verificação: T = mg(3 − 2cos θ) = 54,97 N.
8.Trabalho e energia
Resposta: v = 2,476 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 = 29,43·1 = 29,43 J
μ·m₁g·d = 0,1·49,05·1 = 4,905 J
Energia cinética dos dois blocos
½(m₁ + m₂)v² = 24,52 → v = √(2·24,52/8) = 2,476 m/s
Resposta
v = 2,476 m/s
9.Quantidade de movimento e colisões
Resposta: v′2 = 5,143 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 − 2,5)/(1 + 2,5)·9 = −3,857 m/s
v′2 = 2·1/(1 + 2,5)·9 = 5,143 m/s
Resposta
v′2 = 5,143 m/s
10.Quantidade de movimento e colisões
Resposta: θ = 50,97 °
Conservation of momentum: when no external force acts during a collision, the total momentum Σm·v before equals the total after. Velocities have a direction, so pick a positive direction and give velocities the other way a minus sign. In an elastic collision kinetic energy is conserved too; in a perfectly inelastic one the bodies stick together.
Componentes da quantidade de movimento
px = 1100·21 = 23100 kg·m/s
py = 1500·19 = 28500 kg·m/s
Direção
tan θ = py/px = 1,234 → θ = 50,97°
Resposta
θ = 50,97°
11.Força hidrostática
Resposta: F = 110,4 kN
Força hidrostática em uma superfície plana: F = ρ·g·yc·A. Ela atua no centro de pressão, ycp = yc + Ic/(ycA), que sempre fica abaixo do centroide.
Profundidade do centroide e área
yc = d + H/2 = 1 + 2,5/2 = 2,25 m
A = H·b = 2,5·2 = 5 m²
Força resultante
F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·2,25·5 = 110,4 kN
Resposta
F = 110,4 kN
12.Força hidrostática
Resposta: F = 27,59 kN
Força hidrostática em uma superfície plana: F = ρ·g·yc·A. Ela atua no centro de pressão, ycp = yc + Ic/(ycA), que sempre fica abaixo do centroide.
Profundidade do centroide e área
yc = d + H/2 = 0,5 + 1,5/2 = 1,25 m
A = H·b = 1,5·1,5 = 2,25 m²
Força resultante
F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·1,25·2,25 = 27,59 kN
Resposta
F = 27,59 kN
13.Continuidade e Bernoulli
Resposta: p2 = 138,9 kPa
Continuidade e Bernoulli: para um fluido incompressível a vazão é a mesma em toda seção, Q = A₁v₁ = A₂v₂. Ao longo de uma linha de corrente sem perdas, p + ½ρv² + ρgz é constante, então onde o fluido é mais rápido ou mais alto sua pressão é menor.
Continuidade e Bernoulli
Trabalhe em Pa, depois divida por 1000 para obter kPa.
Continuidade e Bernoulli: para um fluido incompressível a vazão é a mesma em toda seção, Q = A₁v₁ = A₂v₂. Ao longo de uma linha de corrente sem perdas, p + ½ρv² + ρgz é constante, então onde o fluido é mais rápido ou mais alto sua pressão é menor.
Continuidade e Bernoulli
Trabalhe em Pa, depois divida por 1000 para obter kPa.
Lei geral dos gases: para uma quantidade fixa de gás ideal, P1V1/T1 = P2V2/T2.
Temperaturas absolutas
T1 = 298,1 K, T2 = 523,1 K
Lei geral dos gases
V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 5·(400/350)·(523,1/298,1) = 10,03 L
Resposta
V2 = 10,03 L
17.Máquinas térmicas e refrigeradores
Resposta: TL = 29,95 °C
Second-law limits: no cycle working between reservoirs at absolute temperatures TH and TL can beat the reversible (Carnot) cycle: ηmax = 1 − TL/TH, COPR,max = TL/(TH − TL) and COPHP,max = TH/(TH − TL). Energy is always conserved: QH = W + QL.
Temperatura absoluta da fonte
TH = 700 + 273,15 = 973,1 K
Razão de calores reversível
TL = TH·QL/QH = 973,1·1495/4800 = 303,1 K = 29,95 °C
Resposta
TL = 29,95 °C
18.Máquinas térmicas e refrigeradores
Resposta: Q̇L = 233,8 kW
Second-law limits: no cycle working between reservoirs at absolute temperatures TH and TL can beat the reversible (Carnot) cycle: ηmax = 1 − TL/TH, COPR,max = TL/(TH − TL) and COPHP,max = TH/(TH − TL). Energy is always conserved: QH = W + QL.
Temperaturas absolutas
TH = 450 + 273,15 = 723,1 K
T0 = 25 + 273,15 = 298,1 K
TL = -30 + 273,15 = 243,1 K
Trabalho da máquina
η = 1 − 298,1/723,1 = 0,5877
Ẇ = 0,5877·90 = 52,89 kW
Calor retirado pelo refrigerador
COPR = 243,1/(298,1 − 243,1) = 4,421
Q̇L = 4,421·52,89 = 233,8 kW
Resposta
Q̇L = 233,8 kW
19.Ondas, som e óptica
Resposta: n1 = 2,16
Óptica geométrica: numa fronteira, n₁·sin θ₁ = n₂·sin θ₂ (lei de Snell), com os ângulos medidos a partir da normal e n = c/v. Ao entrar num meio mais lento, o raio se aproxima da normal. A partir de um meio mais denso (n₁ > n₂), além do ângulo crítico θc = arcsin(n₂/n₁), toda a luz é refletida: reflexão interna total. Lentes delgadas e espelhos esféricos obedecem a 1/f = 1/do + 1/di com o aumento m = −di/do. Convenção de sinais: f > 0 para uma lente convergente e um espelho côncavo (f = R/2), f < 0 para uma lente divergente e um espelho convexo; di > 0 para uma imagem real, di < 0 para uma virtual, e m < 0 para uma imagem invertida.
Índice de refração do bloco
n₁ = n₂/sin θc = 1,33/0,6157 = 2,16
Resposta
n1 = 2,16
20.Ondas, som e óptica
Resposta: di = −10 cm
Óptica geométrica: numa fronteira, n₁·sin θ₁ = n₂·sin θ₂ (lei de Snell), com os ângulos medidos a partir da normal e n = c/v. Ao entrar num meio mais lento, o raio se aproxima da normal. A partir de um meio mais denso (n₁ > n₂), além do ângulo crítico θc = arcsin(n₂/n₁), toda a luz é refletida: reflexão interna total. Lentes delgadas e espelhos esféricos obedecem a 1/f = 1/do + 1/di com o aumento m = −di/do. Convenção de sinais: f > 0 para uma lente convergente e um espelho côncavo (f = R/2), f < 0 para uma lente divergente e um espelho convexo; di > 0 para uma imagem real, di < 0 para uma virtual, e m < 0 para uma imagem invertida.