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21 E _E M _1 _F IS _0 0 2 Movimento uniforme Abordagem teórica No nosso cotidiano são muito comuns exemplos de vários tipos de movimento. Basta olharmos para qualquer lugar e sempre obser- varemos alguém ou algo se deslocando. Neste momento, interessa-nos um desses movimentos em especial, o movimento uniforme (MU). Para entendermos um pouco melhor, imagine alguns exemplos de movimento uniforme: um ônibus, que em um trecho curto da 1) viagem, consegue manter a velocidade constante de 80km/h. um avião, no meio do caminho entre Porto 2) Alegre e Recife, onde o piloto automático é ligado e a velocidade se mantém cons- tante em 350km/h. um metrô em movimento entre duas esta-3) ções, após adquirir sua velocidade máxima, a mantém constante durante certo tempo em 87km/h, até se aproximar da próxima estação onde precisará diminuir essa velo- cidade até parar por completo. Poderíamos citar vários outros exemplos, mas já podemos observar que em todos eles, sempre citamos que durante um certo tempo (para nós é mais correto dizer intervalo de tempo), a velocidade do objeto se manteve constante, isto é, não mudou. Todos esses movimentos são, portanto, exemplos de movimento uniforme. Na linguagem popular, todas as vezes que usamos o termo uniforme, lembramos de crian- ças na escola com seus uniformes ou operários nas fábricas uniformizados e prontos para o tra- balho. Procurando o termo no dicionário Aurélio, encontraremos: “Vestimenta padronizada para determinada categoria de indivíduos” ou algo “que só tem uma forma”, é “semelhante, análo- go, idêntico”, ou ainda, “algo que não varia”. Para a Física, esse “algo que não varia” é a parte importante. Dizemos, então, que se algo não varia, permaneceu constante, não se modifi- cou. Certamente você já deve ter associado que estamos nos referindo à velocidade escalar do objeto em movimento, pois em todos os exemplos esta foi a grandeza que se manteve constante. Definição de movimento uniforme Concluímos, rapidamente, que o móvel em movimento uniforme realiza deslocamentos iguais (∆s) em intervalos de tempo iguais (∆t). Observe o exemplo a seguir: Figura 1 – Esfera em movimento uniforme. t = 0s s = 2m 10m6m 14m 4m/s 4m/s 4m/s 4m/s 1s 2s 3s + Podemos facilmente construir uma tabela do espaço (s) ocupado pela esfera em função do tempo (t). Tempo (s) 0 1 2 3 Espaço (m) 2 6 10 14 Tabela 1 – Espaço em função do tempo para a esfera em movimento uniforme. Percebemos que o espaço inicial (s o ), isto é, aquele onde o móvel se encontra quando co- meçamos a estudá-lo, quando t = 0s, é igual a 2m e que a cada segundo que passa, a esfera percorreu 4m. Significa dizer que sua velocidade foi constante e igual a 4m/s. Este material é parte integrante do acervo do IESDE BRASIL S.A., mais informações www.iesde.com.br 22 E _E M _1 _F IS _0 0 2 Conclusões sobre o movimento uniforme Em intervalo de tempos iguais, o móvel 1) realiza deslocamentos iguais. Para qualquer instante de tempo, a ve-2) locidade instantânea é sempre igual à velocidade média do móvel. A aceleração de um móvel em movimento 3) uniforme é nula, pois não há variação na velocidade. Se a trajetória for uma linha reta, o 4) movimento é chamado de movimento retilíneo e uniforme (MRU). Função horária do espaço Todos os movimentos na Física são asso- ciados a expressões matemáticas. Quando essa expressão for uma função e se relacionar com o tempo, dizemos que se trata de uma função horária. Portanto, a função horária do espaço deve relacionar o tempo com o espaço percor- rido ou deslocamento escalar de um móvel em movimento. (t 0 = 0s) 0 v v s 0 s (t) + Figura 2 – Móvel deslocando-se em movimento uniforme, do espaço inicial s 0 para o espaço final s. Dedução da equação Como no movimento uniforme a velocidade instantânea é sempre igual à velocidade média, podemos escrever: v = s t s = v . t Lembrando que t = t – t 0 , isto é, tempo final menos tempo inicial, e que costumamos sempre considerar t 0 = 0s, podemos escrever: s – s 0 = v . t ou s = s 0 + v . t Na equação, s o (espaço inicial) e v (veloci- dade) são constantes enquanto que s (espaço final) e t (tempo final) são variáveis. Classificação dos movimentos Na Cinemática, uma das classificações dos movimentos é quanto à orientação desse movimento sobre a trajetória. O movimento é chamado de progressivo quando o móvel se desloca a favor da orientação positiva da trajetória. Nesse caso, o espaço referente às suas posições crescem no decorrer do tempo, seu deslocamento escalar é positivo e sua velocidade escalar também. Figura 3 – Movimento progressivo. v > 0 IE S D E B ra si l S .A . O movimento é chamado de retrógrado, quando o móvel se desloca contra a orientação positiva da trajetória. Nesse caso, o espaço referente às suas posições decresce no decorrer do tempo, seu deslocamento escalar é negativo e sua velocidade escalar também. v < 0 Figura 4 – Movimento retrógrado. IE S D E B ra si l S .A . Este material é parte integrante do acervo do IESDE BRASIL S.A., mais informações www.iesde.com.br 23 E _E M _1 _F IS _0 0 2 Gráficos do movimento uniforme Uma das maneiras que a Física utiliza para representar um movimento é utilizando diagra- mas ou gráficos, parecidos com aqueles que você aprende na matemática. Como a função horária dos espaços é uma função afim, o gráfico correspondente é sempre uma reta e o gráfico da velocidade é sempre uma reta paralela ao eixo do tempo. s 0 t Gráfico 1 – Espaço em função do tempo no movimento uniforme. v 0 t Gráfico 2 – Velocidade em função do tempo no movi- mento uniforme. Conclusões importantes sobre os gráficos do movimento uniforme A área entre a reta que representa a • velocidade e o eixo t, no diagrama v x t, representa numericamente o deslocamen- to escalar. A tangente do ângulo • a, no diagramas s x t, é numericamente igual a veloci- dade escalar. Generalizando, podemos dizer que, para o mo- vimento uniforme, as propriedades gráficas são: s s t 0 t tg = s t = v v 0 v t t s N= Área A Este material é parte integrante do acervo do IESDE BRASIL S.A., mais informações www.iesde.com.br 24 E _E M _1 _F IS _0 0 2 Observação Caso tenha dificuldade em calcular a área ou entender a definição de tangente de um ângulo, é momento de parar um pouco com a Física e pedir algumas explicações para o professor de Matemática, que poderá auxiliá-lo neste ponto. Para saber mais A velocidade com que um carro ou ônibus se desloca é medida por um aparelho denominado velocímetro, presente no painel do automóvel. Esse dispositivo mede a velocidade instantânea do automóvel, isto é, ao frearmos ou acelerarmos, o velocímetro muda sua marcação. Quando a velocidade é constante, o ponteiro do velocímetro se mantém parado. Para entender como funciona um velocí- metro típico, começamos com o caso mais simples, o de uma bicicleta. Trata-se de um ímã, localizado em um dos raios da roda, uma bobina colocada na mesma altura do ímã e um leitor eletrônico que nos dá a leitura em km/h. O que determina a velocidade é a quantidade de vezes que o ímã passa perto da bobina por unidade de tempo. Através do raio da roda, pode-se calcular a velocidade com que o veículo se move. Velocímetro analógico Os velocímetros analógicos de automóvel funcionam de uma maneira muito parecida. Entretanto, ao invés de calcular a velocidade de rotação dos pneus, utilizam uma engre- nagem. Este mecanismo – específico para cada modelo, tipo de transmissão e tama- nho de roda – faz girar um cabo flexível, que por sua vez faz girar um ímã. Este ímã está situado perto de uma peça metálica unida à agulha do velocímetro, que, se não tivesse rolamento, giraria à mesma velocidade que o ímã. Para obter a leitura no velocímetro do carro, teremos uma mola que controla o avanço da peça metálica, obtendo assim uma posição da agulha relativa àvelocidade de rotação da engrenagem. Essa posição marca a velocidade em km/h. Assim, quando o carro deixa de mover-se, a mola obriga a agulha a voltar a zero. Velocímetro digital No caso dos velocímetros digitais, a me- dida também é calculada de maneira muito similar ao do velocímetro de uma bicicleta, já que utiliza um medidor eletrônico. Ele mede quantas vezes por segundo um sensor na roda ou na transmissão passa por cima de outro sensor imóvel. (Disponível em: <www.topografia.ufsc.br/galeria-velocimetro. html>. Acesso em: 26 nov. 2009.) Funcionamento dos velocímetros O que determina a velocidade é a quantidade de vezes que o ímã passa perto da bobina por unidade de tempo Exercícios resolvidos Um móvel em MU obedece à função horária 1. dos espaços s = 2 + 4 . t, em unidades do Sistema Internacional (SI). Qual sua posição inicial?a) Qual a sua velocidade?b) Construa uma tabela do espaço ocupa-c) do pelo móvel de 0 a 3 segundos. O movimento é progressivo ou retrógra-d) do? Justifique. Este material é parte integrante do acervo do IESDE BRASIL S.A., mais informações www.iesde.com.br 25 E _E M _1 _F IS _0 0 2 Desenhe o gráfico v x t (velocidade x e) tempo) para o movimento. Desenhe o gráfico s x t (posição x tem-f) po) para o movimento. Solução: ` A posição inicial é aquela em que t = 0s. a) Logo, substituindo t por zero na função horá- ria temos: s 0 = 2 + 4 . 0 = 2m Por simples comparação com a função horá-b) ria do movimento uniforme, concluímos que sua velocidade é igual a 4m/s, pois: s = s o + v . t s = 2 + 4 . t Substituindo o tempo na função horária, ob-c) temos facilmente a tabela a seguir: Tempo (s) 0 1 2 3 Espaço (m) 2 6 10 14 d) Progressivo, pois os espaços crescem no decorrer do tempo. Como a velocidade é constante e igual a e) 4m/s para o exemplo, o gráfico v x t é uma reta paralela ao eixo do tempo. v (m/s) t (s)0 1 2 3 4 O gráfico s x t pode ser construído com base f) nos valores da tabela do item c: s (m) t (s)0 1 2 3 2 6 10 14 Exercícios de aplicação A tabela a seguir ilustra as funções horárias 1. de partículas em movimento uniforme, com unidades expressas no Sistema Internacio- nal de Unidades. Complete-a com o espaço inicial, velocidade das partículas e classifi- cação (progressivo ou retrógrado). Função horária: Espaço inicial (s 0 ) Velocidade escalar (v) Classifi- cação: s = 10 + 2 . t s = 5 – 3 . t s = –20 + 5 . t 2. Um móvel realiza um movimento uniforme, que obedece a seguinte função horária: s = 5 + 2 . t, com unidades expressas no Sistema Internacional de Unidades. Deter- mine para o movimento do móvel: o espaço inicial.a) a velocidade escalar instantânea.b) o espaço após 20s.c) Este material é parte integrante do acervo do IESDE BRASIL S.A., mais informações www.iesde.com.br 26 E _E M _1 _F IS _0 0 2 o deslocamento escalar após 20s.d) o instante em que o móvel passa pela posi-e) ção s = 95m. Um móvel realiza um movimento uniforme, 3. que obedece a seguinte função horária: s = 20 – 2 . t, com unidades expressas no Sistema Internacional de Unidades. Deter- mine para o movimento do móvel: o espaço inicial.a) a velocidade escalar.b) o espaço após 5s.c) o deslocamento escalar após 5s.d) o instante em que ele passa pela ori-e) gem dos espaços. A tabela a seguir ilustra os espaços ocupa-4. dos por um móvel em movimento retilíneo em função do tempo. s (m) 10 14 18 Z t (s) 0 2 4 6 Para este móvel, determine: sua função horária do espaço;a) o valor de Z.b) O gráfico representa o movimento de um 5. móvel em movimento retilíneo e uniforme. s (m) 10 10 0 20 t (s) Determine: o espaço inicial.a) a velocidade escalar.b) Este material é parte integrante do acervo do IESDE BRASIL S.A., mais informações www.iesde.com.br 27 E _E M _1 _F IS _0 0 2 a função horária do espaço.c) Um ônibus em movimento uniforme e retilí-6. neo faz uma viagem em 3 horas. O gráfico a seguir ilustra a velocidade escalar em função do tempo. Determine o deslocamento escalar efetuado pelo ônibus durante a viagem. v (km/h) 3 t (h)0 60 Dois motociclistas A e B percorrem uma 7. mesma pista retilínea representada pelo eixo orientado ilustrado a seguir (fora de escala). 80 s (m)100 A B IE S D E B ra si l S .A . No início da contagem dos tempos, suas posições são s 0A = 10m e s 0B = 80m. Ambos percorrem a pista no sentido positivo do eixo com velocidades constantes e iguais a v A = 30m/s e v B = 20m/s. Determine: o instante em que A alcança B.a) a posição do encontro em relação ao b) marco zero da pista. Questões de Processos Seletivos (Univ. São Francisco-SP) Um movimento uni-1. forme é descrito por: s = 20 + 5 . t, onde s está em metros e t em segundos. O espaço inicial, a velocidade e o tipo de movimento serão, respectivamente: 20m, 5m/s, movimento progressivo.a) 5m, 20m/s, movimento progressivo.b) 20m, 5m/s, movimento retrógrado.c) 5m, 20m/s, movimento retrógrado.d) 20m, 5.t m/s, movimento progressivo.e) (MACK-SP. Adap.) Um móvel desloca-se se-2. gundo o diagrama da figura. A função horária do movimento, em unidade do SI, é: Este material é parte integrante do acervo do IESDE BRASIL S.A., mais informações www.iesde.com.br 28 E _E M _1 _F IS _0 0 2 20 s (m) t (s)0 10 s = 20 – 2 . ta) s = 20 – tb) 2 s = – tc) 2 s = 20 + 2 . td) s = – 2 . te) (Fatec-SP) A tabela fornece, em vários ins-3. tantes, a posição s de um automóvel em relação ao km zero da estrada em que se movimenta. t (h) 0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10 s (km) 200 170 140 110 80 50 A função horária que nos fornece a posição do automóvel, com as unidades fornecidas, é: s = 200 + 30t.a) s = 200 – 30t.b) s = 200 + 15t.c) s = 200 – 15t.d) s = 200 – 15te) 2. (UFPA) O gráfico representa os deslocamen-4. tos de duas partículas, A e B. Pela interpre- tação do gráfico, podemos garantir que: A B s (m) t (h) as partículas partem de pontos diferen-a) tes com velocidades diferentes. as partículas partem de pontos diferen-b) tes com a mesma velocidade. as partículas partem de pontos diferen-c) tes com velocidades distintas e conser- vam suas velocidades. as partículas partem do mesmo ponto d) com a mesma velocidade. as partículas partem do mesmo ponto e) com velocidades diferentes. (Fuvest) Um automóvel faz uma viagem em 5. 6 horas e sua velocidade escalar varia em função do tempo, aproximadamente como mostra o gráfico. 30 60 v (km/h) t (h) 1 2 3 4 5 6 A velocidade escalar média do automóvel na viagem é: 35km/h.a) 40km/h.b) 45km/h.c) 48km/h.d) 50km/h.e) Este material é parte integrante do acervo do IESDE BRASIL S.A., mais informações www.iesde.com.br 29 E _E M _1 _F IS _0 0 2 (UnB) Qual é o tempo gasto para que uma 6. composição de metrô de 200m, a uma ve- locidade de 180km/h, atravesse um túnel de 150m, expressando sua resposta em segundos? 5.a) 6.b) 7.c) 8.d) 9.e) (UESB) Dois móveis A e B percorrem uma 7. mesma trajetória e suas posições são dadas, a partir da mesma origem dos espaços, por s A = – 30 + 10 . t e s B = – 10 – 10 . t (com s em metros e t em segundos). O instante e a posição de encontro são iguais, respec- tivamente, a: 1s e –20m.a) 2s e –10m.b) 3s e –40m.c) 4s e 20m.d) 5s e –60m.e) (UFRN) Um trem parte de Natal com destino 8. a Recife às 6h, com velocidade constante de 60km/h. Uma hora depois, parte de Na- tal, numa linha paralela, um segundo trem, mantendo uma velocidade constante de 75km/h. Sabendo que a distância Natal– Recife é de 300km, podemos afirmar que: o segundo trem ultrapassará o primeiro a) a 70km de Recife. o segundo trem ultrapassará o primeiro b) a 80km de Recife. o segundo trem ultrapassará o primeiro c) a 100km de Recife. o segundo trem ultrapassará o primeiro d) a 120km de Recife. os dois trens chegarão a Recife ao mes-e) mo tempo. (PUCRS) Dois trens, A e B, de 200m e 250m 9. de comprimento, respectivamente,correm em linhas paralelas com velocidades de 18km/h e 27km/h, em sentidos opostos. O tempo que decorre desde o instante em que começam a se cruzar até o instante em que termina o cruzamento é de: 10s.a) 25s.b) 36s.c) 40s.d) 50s.e) Este material é parte integrante do acervo do IESDE BRASIL S.A., mais informações www.iesde.com.br 30 E _E M _1 _F IS _0 0 2 Este material é parte integrante do acervo do IESDE BRASIL S.A., mais informações www.iesde.com.br 31 E _E M _1 _F IS _0 0 2 Gabarito Exercícios de aplicação Solução1. : Função horária Espaço inicial (s 0 ) Velocidade escalar (v) Classifi- cação s = 10 + 2t t = 0s s 0 = 10m v = 2m/s Progressivo s = 5 – 3t t = 0s s 0 = 5m v = –3m/s Retrógrado s = –20 + 5t t = 0s s 0 = –20m v = 5m/s Progressivo 2. Solução: A posição inicial é aquela em que t = 0s. a) Logo, substituindo t por zero na função horária temos: s = 5 + 2t ⇒ s = 5 + 2 . 0 ⇒ s 0 = 5m Por simples comparação com a função b) horária do movimento uniforme, concluí- mos que sua velocidade é igual a 2m/s, pois: s = s 0 + vt ⇒ s = 5 + 2t. O espaço após 20s é obtido substituin-c) do t = 20s: s = 5 + 2t ⇒ s = 5 + 2 . 20 ⇒ s = 45m O deslocamento escalar é dado por d) ∆s = s – s 0 , portanto após 20s, tem-se: ∆s = 45 – 5 ⇒ ∆s = 40m Quando o móvel atinge s = 95m, o ins-e) tante de tempo é: s = s 0 + vt ⇒ 95 = 5 +2t ⇒ 95 – 5 = 2t 90 2 = t ⇒ t = 45s Solução3. : A posição inicial é aquela em que t = 0s. a) Logo, substituindo t por zero na função horária temos: s = 20 – 2t ⇒ s = 20 – 2 . 0 s 0 = 20m Por simples comparação com a função b) horária do movimento uniforme, con- cluímos que sua velocidade é igual a –2m/s, pois: s = s 0 + vt ⇒ s = 20 – 2t O espaço após 5s é obtido substituindo c) t por 5: s = 20 – 2t ⇒ s = 20 – 2 . 5 ⇒ s = 10m O deslocamento escalar é dado por d) ∆s = s – s 0 , portanto após 5s, tem-se: ∆s = 10 – 20 ⇒ ∆s = –10m Quando o móvel passa pela origem dos e) espaços, s = 0m, o instante de tempo é: s = s 0 + vt ⇒ 0 = 20 – 2t ⇒ 0 – 20 = –2t –20 –2 = t ⇒ t = 10s Solução4. : O espaço inicial em que se encontra o a) móvel é: s 0 = 10m. A velocidade escalar é igual ao espaço percorrido pelo móvel durante o mesmo intervalo de tempo: ∆s = s 2 – s 1 ⇒ ∆s = 14 – 10 ⇒ ∆s = 4m ou ∆s = s 3 – s 2 ⇒ ∆s = 18 – 14 ⇒ ∆s = 4m E o intervalo de tempo é dado por: ∆t = t 2 – t 1 ⇒ ∆t = 2 – 0 ⇒ ∆t = 2s ou ∆t = t 3 – t 2 ⇒ ∆t = 4 – 2 ⇒ ∆t = 2s A velocidade escalar é dada por: v = s t ⇒ v = 4 2 ⇒ v = 2m/s Este material é parte integrante do acervo do IESDE BRASIL S.A., mais informações www.iesde.com.br 32 E _E M _1 _F IS _0 0 2 A função horária é dada por: s = s 0 + vt ⇒ s = 10 + 2t O valor de Z é dado por:b) ∆s = s – s 0 ⇒ ∆s = s 4 – s 3 4 + 18 = Z ⇒ Z = 22m Solução5. : Ao analisar o gráfico, é possível perceber a) que a posição inicial (ou seja, a posição no instante inicial t 0 = 0s) é s 0 = 10m. Tendo a posição inicial, através das re-b) lações trigonométricas, achamos a velo- cidade através de: v = tg a = 20 – 10 10 = 1m/s A função horária do móvel é: c) s = 10 + 1 . t ⇒ s = 10 + t Solução6. : O intervalo de tempo é igual a ∆t = 3h. A velocidade escalar do móvel é: v = 60km/h. O deslocamento escalar do móvel é: v = ∆s ∆t ⇒ 60 km h . 3 h = ∆s ⇒ ∆s = 180km Solução7. : As posições iniciais são: s OA = 10m e s OB = 80m As velocidades constantes são: v a = 30m/s e v B = 20m/s As funçõa) es horárias dos dois motociclis- tas são: s A = s oA + v A t ⇒ s A = 10 + 30t s B = s oB + v B t ⇒ s B = 80 + 20t No instante em que A encontra B, a posi- ção deles é a mesma. Assim, s A = s B . Portanto: 10 + 30t = 80 + 20t 30t – 20t = 80 – 10 10t = 70 ⇒ t = 7s A posição de encontro dos dois motoci-b) clistas é s = 220m, pois: s A = s oA + v A t ⇒ s A = 10 + 30t s A = 10 + 30 . 7 ⇒ s A = 220m s B = s oB + v B t ⇒ s B = 80 + 20t s B = 80 + 20 . 7 ⇒ s B = = 220m Questões de Processos Seletivos Solução1. : A A função horária que descreve o movimento do móvel é: s = 20 + 5t A posição inicial, em que t = 0s, é: s = 20 + 5t ⇒ s 0 = 20 + 5 . 0 ⇒ s 0 = 20m A velocidade escalar é obtida por compara- ção com a função horária: s = s 0 + vt ⇒ s = 20 + 5t Logo, a velocidade é: v = 5m/s. O tipo de movimento é progressivo, pois a velocidade é positiva. Solução2. : A O tempo total do movimento é: t = 10s. A posição escalar inicial é: s 0 = 20m. A velocidade média é calculada por: v = s – s 0 t – t 0 ⇒ v = 0 – 20 10 – 0 = – 20 10 v = –2m/s Logo, a função horária do móvel é dada por: s = s 0 + vt ⇒ s = 20 – 2t Solução3. : D O tempo total do movimento é: t = 10h As posições escalares, inicial e final, são, respectivamente: s 0 = 200km e s = 50km Este material é parte integrante do acervo do IESDE BRASIL S.A., mais informações www.iesde.com.br 33 E _E M _1 _F IS _0 0 2 A velocidade média é calculada por: v = s – s 0 t – t 0 ⇒ v = 50 – 200 10 – 0 ⇒ v = – 150 10 v = – 15km/h A função horária do móvel é: s = s 0 + vt ⇒ s = 200 – 15t Solução4. : B As partículas partem de pontos diferentes, pois suas posições iniciais são diferentes. As partículas têm a mesma velocidade pois têm a mesma inclinação de reta, o mesmo ângulo em relação à horizontal. Solução5. : B O intervalo de tempo é: ∆t = 6h. O espaço percorrido durante as primeiras 2h é: v 1 = ∆s 1 ∆t 1 ⇒ 30 km h = ∆s 1 2h ⇒ ∆s 1 = 60km O carro parou durante 1h. O espaço percorrido durante as últimas 3h é: v 2 = ∆s 2 ∆t 2 ⇒ 60 km h = ∆s 2 6h – 3h ∆s 2 = 180km O espaço total percorrido é: ∆s = ∆s 1 + ∆s 2 ⇒ ∆s = 180 + 60 ∆s = 240km A velocidade escalar média do automóvel durante a viagem é: v = ∆s ∆t ⇒ v = 240km 6h ⇒ ∆s = 40km/h Solução6. : C Transformando a velocidade escalar média de km/h em m/s: 180km/h 3,6 = 50m/s. O espaço total a percorrer é: ∆s = s TREM + s TÚNEL ⇒ ∆s = 200 + 150 ∆s = 350m. O intervalo de tempo utilizado pelo trem para atravessar o túnel é: v = ∆s ∆t ⇒ ∆t = ∆s v ⇒ ∆t = 350m 50 m s ∆t = 7s Solução7. : A As funções horárias que representam os móveis A e B são: s A = – 30 + 10t e s B = – 10 – 10t Se suas posições são dadas a partir da origem, então s A = s B . Logo: – 30 + 10t = – 10 – 10t – 30 + 10 = – 10t – 10t – 20t = – 20t ⇒ t = 1s E a posição de encontro entre eles é: s A = s OA + v A t ⇒ s A = – 30 + 10t s A = – 30 + 10 . 1 ⇒ s A = – 20m ou s B = s OB + v B t ⇒ s B = – 10 + 10 . 1 s B = – 10 – 10 . 1 ⇒ s B = – 20m Solução8. : E O deslocamento entre Natal–Recife é: ∆s = 300km A velocidade escalar do 1.o trem é: v A = 60km/h O intervalo de tempo de partida–chegada é: ∆t = t – 6h O horário no qual o 1.o trem chega a Recife é: v = ∆s ∆t ⇒ 60 km h = 300km (t – 6h) 60 km h (t – 6h) = 300km t = 660km 60 km h ⇒ t = 11h Este material é parte integrante do acervo do IESDE BRASIL S.A., mais informações www.iesde.com.br 34 E _E M _1 _F IS _0 0 2 Portanto, o 1.o trem leva: ∆t = 11h – 6h ⇒ ∆t = 5h A velocidade escalar do 2.o trem é: v B = 75km/h O 2.o trem parte 1h mais tarde, portanto às 7h. Logo: ∆t = t – 7h O horário no qual o 2.o trem chega a Recife é: v = ∆s ∆t ⇒ 75 km h = 300km (t – 7h) 75 km h (t – 7h) = 300km t = 825km 75 km h ⇒ t = 11h Portanto, o 2.o trem leva: ∆t = 11h – 7h ⇒ ∆t = 4h Conclusão: os dois trens chegam a Recife às 11h, juntos. Solução9. : C Transformando a velocidade escalar média de km/h em m/s: 1.o trem. 18km/h = 18 3,6 = 5m/s. Transformando a velocidade escalar média de km/h em m/s: 2.o trem. 27km/h = 27 3,6 = 7,5m/s. Somando os comprimentos dos trens: ∆s = 200 + 250 = 450m. Somando as velocidades escalares: v = 5 + 7,5 = 12,5m/s. O intervalo de tempo total é: v = ∆s ∆t ⇒ 12,5 m s = 450km ∆t ∆t= 450km 12,5m/s ⇒ ∆t = 36s Este material é parte integrante do acervo do IESDE BRASIL S.A., mais informações www.iesde.com.br 35 E _E M _1 _F IS _0 0 3 Movimento uniformemente variado Abordagem teórica A maioria dos movimentos observados em nosso cotidiano é classificada como movimento variado, isto é, movimentos onde o módulo da ve- locidade escalar varia no decorrer do tempo. Neste caso, a aceleração escalar, estudada anteriormen- te, é de fundamental importância. Nas corridas de automóveis ou motos, na decolagem de um avião ou durante seu pouso ou simplesmente na queda livre de um objeto de determinada altura, os movimentos variados podem ser observados. Neste momento, estamos interessados em um tipo especial de movimento variado, o chamado movimento uniformemente variado. Para tentar diferenciar os dois, observe o desenho a seguir, que representa o movimento de um corpo a cada 1 segundo. v = 1m/s t = 0s t = 1s t = 2s t = 3s v = 5m/s v = 11m/s v = 7m/s Figura 1 – Movimento variado. Observe que a velocidade aumentou e diminuiu sem aparentemente nenhuma regra especial, sendo o movimento, portanto, classi- ficado apenas como movimento variado. Se essas variações na velocidade se pro- cessam de um modo perfeitamente regular, ou seja, para intervalos de tempos iguais as alterações na velocidade escalar sejam iguais, o movimento será denominado uniformemente variado (MUV). Observe o desenho a seguir. v = 1m/s t = 0s t = 1s t = 2s t = 3s v = 5m/s v = 9m/s v = 13m/s Figura 2 – Movimento uniformemente variado. Neste caso, a velocidade aumentou seguin- do uma regra fixa, sempre 4m/s a cada segun- do, o que significa afirmar que a aceleração foi constante e igual a 4m/s2. Definição de movimento uniformemente variado Movimento uniformemente variado é aquele em que a velocidade escalar varia uniforme- mente e a aceleração escalar é constante e não nula. Movimento acelerado e retardado Um movimento uniformemente variado pode ser classificado como acelerado ou retardado. O movimento é chamado de acelerado quan- do o módulo de sua velocidade escalar aumenta no decorrer do tempo. Observe a figura a seguir, de um mesmo automóvel em uma sequência de instantes. IE S D E B ra si l S .A . 30km/h 40km/h35km/h 60km/h 100km/h t = 0s t = 1s t = 2s t = 6s t = 14s Figura 3 – Movimento acelerado. O movimento é chamado de retardado, quando o módulo de sua velocidade escalar diminui no decorrer do tempo. Observe a figura a seguir. IE S D E B ra si l S .A . Figura 4 – Movimento retardado. 80km/h 40km/h65km/h 30km/h 10km/h t = 0s t = 3s t = 8s t = 10s t = 14s Este material é parte integrante do acervo do IESDE BRASIL S.A., mais informações www.iesde.com.br 36 E _E M _1 _F IS _0 0 3 Observação Quando a trajetória é uma linha reta, o movimento é denominado movimento reti- líneo uniformemente variado (MRUV). Função horária da velocidade Em todos os movimentos, a Física sempre utiliza relações matemáticas. Nesse caso, ire- mos estabelecer uma relação que fornecerá o valor da velocidade do móvel (v), em função do tempo (t), isto é, uma função v = f(t). Como a aceleração no movimento é cons- tante, precisamos lembrar o conceito de acele- ração média: a m = a = v t = v – v o t – t o adotando t • o = 0 e isolando v na relação acima, obtemos: v = v 0 + at onde: v: velocidade final; v o : velocidade inicial; a: aceleração; t: tempo. Essa expressão é denominada função horária da velocidade escalar no movimento uniformemente variado, v o e a são constantes e cada valor de v corresponde a um valor de t. Como a função é uma função afim, o grá- fico correspondente é uma reta ascendente ou descendente. Observe os gráficos: v 0 t a > 0 v 0 t a < 0 Figura 5 – Gráficos da velocidade em função do tempo no MUV. No 1.o gráfico, a velocidade é crescente no decorrer do tempo; portanto, a aceleração é positiva. O movimento é acelerado pois a > 0 e v > 0. A ordenada em que a reta corta o eixo vertical representa a velocidade inicial. No 2.o gráfico, a velocidade é decrescente no decorrer do tempo; portanto, a aceleração é negativa. O movimento é retardado pois a < 0 e v > 0. A ordenada em que a reta corta o eixo vertical representa a velocidade inicial. Função horária dos espaços O deslocamento escalar ∆s pode ser obtido por meio da área compreendida entre a reta que representa a velocidade e o eixo t, em um gráfico v x t, conforme mostrado a seguir. v v v 0 0 tt v Figura 6 – Gráfico v x t no MUV, destacando a área sobre o gráfico, que representa nume- ricamente o deslocamento escalar. De acordo com o cálculo da área do tra- pézio, obtemos a segunda função horária do movimento: ∆s = Área s – s 0 = v + v o 2 . t Substituindo a função horária da velocida- de, temos: Este material é parte integrante do acervo do IESDE BRASIL S.A., mais informações www.iesde.com.br 37 E _E M _1 _F IS _0 0 3 s = s 0 + v o + at + v o 2 . t s = s 0 + 2v o . t + at2 2 Simplificando, temos a função horária dos espaços: s = s o + v 0 t + at2 2 onde: s: espaço final; s o : espaço inicial; v o : velocidade inicial; a: aceleração; t: tempo. Como esta função é quadrática, o seu gráfi- co é uma parábola. Sua concavidade pode estar voltada para cima ou para baixo, dependendo do sinal da aceleração escalar: s (m) t (s) v = 0m/s a < 0 0 s (m) t (s) v = 0m/s a > 0 0 Figura 7 – Gráficos do espaço em função do tempo para o MUV. Se a aceleração é positiva, a concavidade da parábola é para cima; se a aceleração é ne- gativa, a concavidade é voltada para baixo. O vértice da parábola sempre representa o instante de tempo em que o móvel inverte o sen- tido de seu movimento, isto é, sua velocidade torna-se nula instantaneamente e logo depois inverte de sinal. Quando a parábola apresentar interseções com o eixo dos tempos significa que o móvel nes- tes instantes passa pela origem da trajetória. A intersecção da parábola com o eixo dos espaços representa o espaço inicial (s 0 ). Equação de Torricelli Em muitos casos, o deslocamento escalar é relacionado às variações ocorridas com a velocidade escalar. Uma situação típica é o fato de necessitarmos conhecer a velocida- de de um móvel em um certo ponto de sua trajetória, sem a necessidade do conheci- mento do tempo. Nesse caso, é conveniente evitarmos as funções horárias e analisarmos diretamente a relação entre o espaço e a velo- cidade, desenvolvida por Evangelista Torricelli (1608 - 1647), matemático e físico italiano, discípulo de Galileu Galilei e que se notabilizou por grandes contribuições no estudo da pres- são atmosférica e do barômetro – instrumento medidor de pressão. Torricelli isolou o tempo na função horária da velocidade e a substituiu na função horária dos espaços, obtendo a seguinte relação ma- temática: v2 = v 0 2 + 2a s onde: v: velocidade final; v o : velocidade inicial; a: aceleração; ∆s: deslocamento escalar. Este material é parte integrante do acervo do IESDE BRASIL S.A., mais informações www.iesde.com.br 38 E _E M _1 _F IS _0 0 3 Gráfico da aceleração em função do tempo Como nesse movimento a aceleração é sem- pre constante e não nula, o gráfico da aceleração em função do tempo é sempre uma reta paralela ao eixo do tempo e possui as seguintes formas: 0 a = cte. > 0 t a 0 a t a = cte. < 0 Figura 8 – Gráficos da aceleração em função do tempo para o MUV. No 1.o caso, a aceleração é positiva e a reta é paralela e está acima do eixo do tempo. No 2.o caso, a aceleração é negativa e a reta paralela está abaixo do eixo do tempo. Movimento vertical no vácuo Quando soltamos um objeto de determina- da altura, e desprezamos o efeito da resistência do ar, sua velocidade aumenta de maneira unifor- me, devido à ação de uma aceleração constante, que é denominada aceleração gravitacional ou aceleração da gravidade, representada pela le- trag e que vale, nas proximidades da superfície terrestre, aproximadamente 9,80665m/s2. Figura 9 – Representação do movimento de um objeto solto da altura h, em relação ao solo. g h IE S D E B ra si l S .A . Observação Muitas vezes, para simplificar os cál- culos, adotamos g = 10m/s2. Quando este movimento vertical, realiza- do nas proximidades da superfície terrestre, desprezando-se a resistência do ar, tem a velocidade inicial nula (v 0 = 0), é denominado queda livre, e seu estudo é idêntico ao do movimento uniformemente variado, sendo válidas todas as funções horárias, equações e gráficos descritos anteriormente. Como a aceleração da gravidade é sempre constante e a velocidade inicial é nula, podemos escrever as equações desse movimento da seguinte forma: MUV: Queda Livre: v = v 0 + a . t v = g . t s = s 0 + v 0 . t + a . t2 2 s = s 0 + g . t2 2 v2 = v 0 2 + 2 . a . ∆s v2 = 2 . g . ∆s Este material é parte integrante do acervo do IESDE BRASIL S.A., mais informações www.iesde.com.br 39 E _E M _1 _F IS _0 0 3 Para saber mais De qual altura uma formiga pode cair sem se machucar? Yuri Vasconcelos Provavelmente de qualquer altura. Não existem estudos científicos sobre o assunto, mas as formigas se safam de tombos de locais elevados por causa da resistência de seu esqueleto e da leveza e pouca densida- de de seu corpo. Esses três fatores contri- buem para que ela caia mais lentamente e aguente melhor o tranco. Como o impacto de um corpo no chão é proporcional à velo- cidade da queda, a formiga se dá bem: por ser leve, tem baixa velocidade ao cair. Todo corpo em queda livre sofre uma aceleração inicial causada pela gravidade. Em seguida, a resistência do ar ao objeto faz com que ele atinja uma velocidade-limite, que também depende da massa e da superfície do corpo. Essa velocidade chega ao máximo quando a força exercida pelo peso do corpo iguala-se à resistência do ar, e depois fica constante até o chão. Duros na queda Impacto do corpo dos animais no solo depende de peso e da resistência do ar Formiga A velocidade terminal de uma formiga (que pesa em média 10mg) em queda livre é inferior a 10km/h. Ela atinge esse limite após 40cm de queda e continua a descida nessa toada. A formiga tem uma espécie de armadura externa, feita à base de quitina, uma proteína super-resistente. É o exoes- queleto, que protege as partes internas do inseto, que são mais moles. Homem Quanto maior o peso, maior a velocidade- limite. Para alguém que pesa 70kg, ela chega a 200km/h, mas só dá para atingir a velocidade máxima após longos 157m. A velocidade-limite pode variar conforme a po- sição do corpo. Cair de barriga do alto de um prédio, por exemplo, gera mais resistência do ar, fazendo com que a velocidade seja menor do que mergulhar direto de cabeça. Gato A velocidade terminal de um bichano de cerca de 4kg, com 20 centímetros de largura e 30 de comprimento é de 120km/h, valor alcançado em 54,5m de descida. O risco de machucados do bichano é reduzido por cau- sa da elasticidade de seus músculos, das almofadinhas que eles possuem e pelo fato de ele cair sobre quatro patas – o que ajuda na distribuição da força do impacto. (Mundo Estranho. Disponível em: <http://mundoestranho. abril.com.br/mundoanimal/pergunta_292583.shtml#>. Acesso em: 26 nov. 2009. Consultoria: Cláudio Furukawa, professor de Física da USP.) Este material é parte integrante do acervo do IESDE BRASIL S.A., mais informações www.iesde.com.br 40 E _E M _1 _F IS _0 0 3 Exercícios resolvidos Um móvel em movimento tem a velocidade 1. em função do tempo representada pela tabela a seguir. t (s) 0 1 2 3 4 v (m/s) 1 3 5 7 9 Para este móvel, determine: se o movimento é variado ou uniforme-a) mente variado, justificando sua resposta. a função horária da velocidade.b) a velocidade após 20s.c) se o movimento é acelerado ou retarda-d) do no instante 4s. Solução: ` O movimento é uniformemente variado, pois a) a velocidade aumenta sempre o mesmo va- lor (2m/s) a cada segundo que passa, logo a aceleração é constante e vale 2m/s2. Como a velocidade inicial é vb) 0 = 1m/s e a aceleração a = 2m/s2, podemos escrever a função horária da velocidade, v = v 0 + a . t, como: v = 1 + 2.t. Substituindo o tempo de 20 segundos na c) função horária, temos: v = 1 + 2 . 20 = 1 + 40 = 41m/s No instante 4s, a aceleração é positiva e d) a velocidade também; logo, o movimento é classificado como acelerado. Partindo do repouso, um avião de grande 2. porte precisa atingir uma velocidade de 360km/h para decolar. Supondo que a ace- leração da aeronave seja constante e que o tempo total usado pelo avião para acelerar pela pista e poder decolar seja igual a 25s, determine: o valor da aceleração em m/sa) 2. o comprimento mínimo da pista.b) construa o gráfico v x t.c) Solução: ` Dados: v o = 0m/s s o = 0m v = 360km/h = 100m/s t = 25s a) v = v o + a . t 100 = 0 + a . 25 a = 100 25 = 4m/s2 b) s = s o + v o . t + a . t2 2 s = 0 + 0 . 25 + 4 . 252 2 s = 2 . 625 = 1 250m ou v2 = v o 2 + 2a . ∆s 1002 = 02 + 2 . 4 . ∆s 10 000 = 8 . ∆s ∆s = 10 000 8 = 1 250m c) 100 v (m/s) 0 t (s)25 Exercícios de aplicação A velocidade de um móvel em movimento 1. retilíneo e uniformemente variado obedece à função horária v = 2 + 3 . t, com as uni- dades no Sistema Internacional. Para este móvel, determine: a velocidade escalar inicial e a acelera-a) ção escalar. Este material é parte integrante do acervo do IESDE BRASIL S.A., mais informações www.iesde.com.br 41 E _E M _1 _F IS _0 0 3 a velocidade 10 segundos após o início b) do movimento. se o movimento é acelerado ou retarda-c) do no instante 10s. O espaço de um móvel em movimento re-2. tilíneo e uniformemente variado obedece à função horária s = 4 + 3 . t + 2 . t2, com unidades no Sistema Internacional. Para este móvel, determine: o espaço inicial.a) a velocidade escalar inicial.b) a aceleração escalar.c) o espaço ocupado após 2 segundos de d) movimento. Um móvel, realizando um movimento retilí-3. neo uniformemente variado, parte da origem da trajetória, com velocidade inicial de 2m/s e, após 10 segundos, sua velocidade atinge o valor de 32m/s. Determine: a aceleração escalar do móvel nesse a) movimento. a função horária da velocidade nesse b) movimento. a função horária dos espaços para o c) movimento desse móvel. Um carro encontra-se com velocidade cons-4. tante de 72km/h em uma estrada retilínea, quando o motorista vê um obstáculo 100m à sua frente, acionando imediatamente os freios. Determine: Este material é parte integrante do acervo do IESDE BRASIL S.A., mais informações www.iesde.com.br 42 E _E M _1 _F IS _0 0 3 a desaceleração mínima, constante, que a) deverá ter o carro para evitar o acidente. o tempo de duração da freada.b) Uma locomotiva inicia a travessia de uma 5. ponte com velocidade de 18km/h. A partir deste instante, é acelerada uniformemente à razão de 1m/s2, atingindo a velocidade de 54km/h no momento em que acaba sua passagem pela ponte. Determine, para este movimento: o comprimento da ponte.a) o tempo de travessia.b) Um avião, no início da pista para levantar 6. voo, acelera ao receber autorização da torre, conforme indica o gráfico a seguir. 100 v (m/s) 0 t (s)20 Para o movimento do avião sobre a pista, determine: a aceleração escalar.a) a função horária da velocidade.b) a velocidade 10s após o início do movi-c) mento. O gráfico a seguir representa o espaço 7. percorrido por um objeto em movimento retilíneo uniformemente variado, em função do tempo. Este material é parte integrante do acervo do IESDE BRASIL S.A., mais informações www.iesde.com.br 43 E _E M _1 _F IS _0 0 3 12 16 8 2 4 4 0 6 t (s) Arco de parábola s (m) Para este movimento determine: o espaço inicial.a) o instante em que o objeto inverte o b) sentido de seu movimento.o instante em que o objeto passa pela c) origem da trajetória. o sinal da aceleração do objeto.d) Uma pedra é abandonada, entrando em 8. movimento de queda livre, do alto de um prédio de 80m de altura. Considerando a aceleração da gravidade no local igual a g = 10m/s2 e desprezando os efeitos da resistência do ar, calcule: o tempo de queda da pedra.a) a velocidade escalar com que a pedra b) atingirá o solo. Questões de Processos Seletivos (F. C. M. Volta Redonda - RJ) A equação ho-1. rária do movimento de um móvel é dada por s = 12 - 2 . t + 4 . t2. A equação da veloci- dade escalar desse móvel será: v = 12 – 2t.a) v = 8t – 2.b) v = 2 + 4t.c) v = –2 + 2t.d) v = 12 – 4t.e) Este material é parte integrante do acervo do IESDE BRASIL S.A., mais informações www.iesde.com.br 44 E _E M _1 _F IS _0 0 3 (UEL) Um móvel efetua um movimento reti-2. líneo uniformemente variado obedecendo à função horária s = 10 + 10 . t – 5,0 . t2, onde o espaço s é medido em metros e o instante t em segundos. A velocidade do móvel no instante t = 4,0s, em m/s, vale: 50.a) 20.b) 0.c) – 20.d) – 30.e) (Fuvest) Um veículo parte do repouso em mo-3. vimento retilíneo e acelera a 2m/s2. Pode-se dizer que sua velocidade e a distância per- corrida, após 3s, valem, respectivamente: 6m/s e 9m.a) 6m/s e 18m.b) 3m/s e 12m.c) 12m/s e 36m.d) 2m/s e 12m.e) (PUCPR) Um móvel parte do repouso e 4. desloca-se em movimento retilíneo sobre um plano horizontal. O gráfico representa a aceleração (a) em função do tempo (t). Sabendo-se que no instante t = 0s a veloci- dade do móvel é nula, calcular a velocidade no instante t = 5s. 0 6 a (m/s2) t (s) 5 36m/s.a) 6m/s.b) 24m/s.c) 15m/s.d) 30m/s.e) (FEI) Um móvel tem movimento com veloci-5. dade descrita pelo gráfico a seguir. 10 v (m/s) 0 t (s)5 Após 10s, qual será sua distância do ponto de partida? 500m.a) 20m.b) 75m.c) 25m.d) 100m.e) Este material é parte integrante do acervo do IESDE BRASIL S.A., mais informações www.iesde.com.br 45 E _E M _1 _F IS _0 0 3 (UFRGS – adap.) Um automóvel que anda 6. com velocidade escalar de 72km/h é frea- do de tal forma que, 6,0s após o início da freada, sua velocidade escalar é de 8,0m/s. Considerando a aceleração do móvel cons- tante, o tempo gasto por ele até parar e a distância percorrida até então valem, res- pectivamente: 10s e 100m;a) 10s e 200m.b) 20s e 100m.c) 20s e 200m.d) 5s e 150m.e) (UFSC – adap.) Um carro está a 20m de um 7. sinal de tráfego quando este passa de verde a amarelo. Supondo que o motorista acione o freio imediatamente, aplicando ao carro uma desaceleração constante de 10m/s2, calcule, em km/h, a velocidade máxima que o carro pode ter antes de frear, para que ele pare antes de cruzar o sinal. 36.a) 54.b) 72.c) 90.d) 108.e) (UEPB – adap.) Dois automóveis, A e B, 8. deslocam-se um em direção ao outro numa competição. O automóvel A desloca-se a uma velocidade de 162km/h; o automóvel B, a 108km/h. Considere que os freios dos dois automóveis são acionados ao mesmo tempo e que a velocidade de cada um diminui a uma razão de 7,5m/s, em cada segundo. No instante em que começam a frear, qual deve ser a distância mínima entre os carros A e B para que eles não se choquem? 135m.a) 60m.b) 210m.c) 195m.d) 75m.e) Este material é parte integrante do acervo do IESDE BRASIL S.A., mais informações www.iesde.com.br 46 E _E M _1 _F IS _0 0 3 (UFPR) Dois automóveis, A e B, partem 11. simulta neamente de um mesmo ponto, com direções perpendiculares entre si. O móvel A tem velocidade constante e igual a 10m/s; o móvel B, movimento uniformemente ace- lerado, partindo do repouso com aceleração de 4m/s2. A distância entre os dois móveis, após 5s, será, aproximadamente, de: 100m.a) 5000m.b) 710m.c) 50m.d) 71m.e) (UEL) Um corpo é abandonado a partir do 9. repouso e atinge o chão com velocidade de 20m/s. Considerando g = 10m/s2, o corpo caiu da altura de: 200m.a) 100m.b) 50m.c) 20m.d) 10m.e) (UECE) Uma pedra, partindo do repouso, 10. cai de uma altura de 20m. Despreza-se a resistência do ar e adota-se g = 10m/s2. A velocidade da pedra ao atingir o solo e o tempo gasto na queda, respectivamente, valem: v = 20m/s e t = 2s.a) v = 20m/s e t = 4s.b) v = 10m/s e t = 2s.c) v = 10m/s e t = 4s.d) Este material é parte integrante do acervo do IESDE BRASIL S.A., mais informações www.iesde.com.br 47 E _E M _1 _F IS _0 0 3 A velocidade final do móvel é: v = 32m/s A aceleração deste móvel é dada por:a) v = v 0 + at 32 = 2 + a . 10 32 – 2 = 10a a = 30 10 a = 3m/s2 A função horária deste movimento é: b) v = 2 + 3t A função horária dos espaços é: c) s = s 0 + v 0 t + a 2 t2. Como o móvel parte da origem s 0 = 0m, a função é: s = 0 + 2t + 1,5t2 s = 2t + 1,5t2 Solução4. : A velocidade do carro é: v = 72km/h. Trans- formando a velocidade escalar média de km/h em m/s: 72km/h = 72 3,6 = 20m/s. O obstáculo se encontra a uma distância de s = 100m. A desaceleração mínima, para evitar o a) acidente deve ser: v 2 = v 0 2 + 2a s 02 = 202 + 2 . a . 100 0 = 400 + 200a – 400 200 = a a = –2 m s2 O tempo de duração da freada, isto é, b) o tempo que o carro leva para atingir a velocidade final v = 0m/s, é: v = v 0 + at 0 = 20 – 2t –20 –2 = t t = 10s Solução5. : A velocidade da locomotiva é v = 18km/h. Transformando a velocidade escalar média de km/h em m/s: 18km/h = 18 3,6 = 5m/s. A aceleração da locomotiva é: a = 1m/s2. Gabarito Exercícios de aplicação Solução1. : A função horária da velocidade é dada a) por: v = 2 + 3t. Por comparação com a expressão v = v 0 + at, podemos dizer que a velocidade inicial é 2m/s e a ace- leração é dada por 3m/s2. A velocidade após t = 10s é: b) v = 2 + 3t v = 2 + 3 . 10 v = 32m/s No instante 10s a velocidade é positiva c) e a aceleração também, portanto o mo- vimento é acelerado. Solução2. : A função horária é dada por: a) s = 4 + 3t + 2t2 Por comparação com a expressão s = s 0 + v 0 . t + at2 2 , podemos dizer que o espaço inicial é 4m. A velocidade escalar inicial é obtida por b) comparação com a função horária, s = s 0 + v 0 t + a 2 t2, e tem o valor v 0 = 3m/s. A aceleração escalar é obtida pela com-c) paração com a função horária: s = s 0 + v 0 t + a 2 t2. Do valor do terceiro termo obtemos a aceleração, a 2 = 2m/s2. Portanto, a = 4m/s2. O espaço ocupado após t = 2s é:d) v = 4 + 3t + 2t2 s = 4 + 3 . 2 + 2 . 22 s = 4 + 6 + 8 s = 18m Solução3. : A velocidade inicial do móvel é: v 0 = 2m/s O intervalo de tempo é: t = 10s Este material é parte integrante do acervo do IESDE BRASIL S.A., mais informações www.iesde.com.br 48 E _E M _1 _F IS _0 0 3 Solução8. : A distância percorrida pela pedra é: s = 80m. A aceleração da gravidade é dada por: g = 10m/s2. O tempo de queda da pedra é:a) s = s 0 + g 2 t2 80 = 0 + 10 2 t2 t2 = 80 5 t = 16 t = 4s A velocidade com que a pedra atinge o b) solo é: v2 = 2g s v2 = 2 . 10 . 80 v2 = 1 600 v = 1 600 v = 40m/s Questões de Processos Seletivos Solução1. : B A equação horária do movimento é: s = s 0 + v 0 t + a 2 t2 A equação horária do movimento dada é: s = 12 – 2t + 4t2 Portanto, a equação horária da velocida- de, v = v 0 + at, é dada por: v = –2 + 8t ou v = 8t – 2 Solução2. : E A função horária do movimento é dada por: s = 10 + 10t – 5t2 A função horária da velocidade é, então: v = 10 – 10t Portanto, a velocidade para t = 4s é: v = 10 – 10t v = 10 – 10 . 4 v = –30 m s A velocidade final da locomotiva é: v = 54km/h. Transformando a velocidade escalar média de km/h em m/s: 54km/h = 24 3,6 = 15m/s. O comprimento da ponte é dado por:a) v2 = v 0 2 + 2a s 152 = 52 + 2 . 1 . s 225 – 25 = 2 s s = 200 2 s = 100m O tempo que a locomotiva leva para b) atravessar a ponteé: v = v 0 + at 15 = 5 + 1t t = 10s Solução6. : A velocidade do avião é v = 100m/s para a) o tempo t = 20s. A aceleração do avião é: v = v 0 + at 100 = 0 + a . 20 a = 100 20 a = 5m/s2 A função horária da velocidade é: b) v = 0 + 5t v = 5t A velocidade depois de decorridos c) t = 10s é: v = v 0 + at v = 0 + 5 . 10 v = 50m/s Solução7. : O espaço inicial é onde começa a traje-a) tória, portanto, s 0 = 12m. O instante em que o objeto inverte o senti-b) do de seu movimento, neste caso, onde a parábola atinge o ponto máximo, é o vérti- ce da parábola em s = 16m e t = 2s. O instante em que o objeto passa pela c) origem da trajetória, é onde a curva pas- sa pelo eixo da coordenada x, em t = 6s. O sinal da aceleração é negativo por-d) que, sendo a concavidade da parábola voltada para baixo, a variação da velo- cidade ao longo do tempo resulta em valor negativo. Este material é parte integrante do acervo do IESDE BRASIL S.A., mais informações www.iesde.com.br 49 E _E M _1 _F IS _0 0 3 Solução3. : A O veículo parte do repouso: v 0 = 0m/s. A aceleração é dada por: a = 2m/s2. A velocidade final do veículo em t = 3s é: v = v 0 + at v = 0 + 2 . 3 v = 6m/s. A distância percorrida pelo veículo em t = 3s é: s = s 0 + v 0 t + a 2 t2 s – s 0 = 0 . 3 + 2 2 . 32 s = 0 + 9 s = 9m Solução4. : E A aceleração do móvel é a = 6m/s2. Saben- do que no instante t = 0s a velocidade inicial é v 0 = 0m/s, a velocidade quando t = 5s é: v = v 0 + at v = 0 + 6 . 5 v = 30m/s Solução5. : E A velocidade quando t = 5s é: v = 10m/s. Então a aceleração é dada por: v = v 0 + at 10 = 0 + a . 5 a = 10 5 a = 2m/s2 A distância após 10s é: s = s 0 + v 0 t + a 2 t2 s = 0 + 0 . 10 + 2 2 . 102 s = 100m Solução6. : A A velocidade escalar inicial do automóvel é 72km/h. Transformando a velocidade escalar de km/h em m/s: 72km/h = 72 3,6 = 20m/s Quando t = 6s a velocidade é: v = 8m/s. A desaceleração deste automóvel é: v = v 0 + at 8 = 20 + a . 6 8 – 20 = 6a a = –2 m s2 O tempo gasto até o automóvel parar (quan- do v = 0m/s) é: v = v 0 + at 0 = 20 – 2t –20 –2 = t t = 10s A distância percorrida pelo automóvel até parar é: s = s 0 + v 0 t + a 2 t2 s = 0 + 20 . 10 – 2 2 . 102 s = 200 – 100 s = 100m Solução7. : C A distância do carro ao sinal é: s = 20m. A desaceleração do carro é: a = –10m/s2. O tempo gasto até o carro parar é: v = v 0 + at 0 = v 0 – 10t t = v 0 10 A velocidade máxima do carro é: s = s 0 + v 0 t + a 2 t2 20 = 0 + v 0 . v 0 10 + (–5) . v 0 10 2 20 = v 0 2 10 – v 0 2 20 20 = 2v 0 2 – v 0 2 20 400 = v 0 2 v 0 = 20 m s Transformando a velocidade escalar média de m/s em km/h: 20m/s = 20 . 3,6 = 72km/h Solução8. : D A velocidade do automóvel A é: v A = 162km/h. Transformando a velocidade escalar média de km/h em m/s: 162km/h = 162 3,6 = 45m/s A velocidade do automóvel B é: v B = 108km/h. Transformando a velocida- de escalar média de km/h em m/s: 108km/h = 108 3,6 = 30m/s A velocidade diminui à razão de 7,5m/s, ou seja, a = –7,5m/s2. Este material é parte integrante do acervo do IESDE BRASIL S.A., mais informações www.iesde.com.br 50 E _E M _1 _F IS _0 0 3 Temos, portanto, dois automóveis, A e B, indo um de encontro ao outro, separados por uma determinada distância S min . Os automóveis se aproximam até o ponto de encontro S, representando o limite mínimo de distância entre os dois antes de uma colisão, partindo das posições s 0a e s 0b , respectivamente. Uma vez que conhecemos as velocidades iniciais, a velocidade final (zero) e a desa- celeração dos móveis, é mais adequada a utilização da equação de Torricelli: v2 = v2 + 2 . a . s. Aplicando primeiro para o móvel A: v2 A = v2 0A + 2 . a . s 0 = v2 0A + 2 . a. (S – s 0A ) 0 = 452 + 2 . (–7,5) . (S – s 0A ) 0 = 2025 – 15 . (S – s 0A ) (S – s 0A ) = 2025 15 = 135m Aplicando agora para o móvel B: v2 B = v2 0B + 2 . a . s 0 = v2 0B + 2 . a. (S – s 0B ) 0 = 302 + 2 . (–7,5) . (S – s 0B ) 0 = 900 – 15 . (S – s 0B ) (S – s 0B ) = 900 15 = 60m Logo concluímos que a distância mínima que os móveis devem estar um do outro é a soma dos deslocamentos de cada um deles: S min = (S – s 0A ) + (S – s 0B ) S min = 135m + 60m S min = 195m Solução9. : D A velocidade escalar inicial do corpo é 20m/s. Considerando a aceleração da gravi- dade g = 10m/s2, a altura que o corpo cai é: v2 = 2 . g . s s = (20)2 2 . 10 s = 20m Solução10. : A A distância percorrida pela pedra é: s = 20m. A aceleração da gravidade é: g = 10m/s2. A velocidade escalar atingida pela pedra é: v2 = 2 . g . s v2 = 2 . 10 . 20 v = 400 v = 20m/s. O tempo gasto para a pedra percorrer esta trajetória é: v = gt t = v g t = 20 10 t = 2s Solução11. : E O automóvel A tem velocidade constante igual a 10m/s. Portanto: s = s 0 + vt s = 0 + 10t; em t = 5s s = 50m O automóvel B tem aceleração 4m/s2 e parte do repouso. Portanto: s = s 0 + v 0 t + a 2 t2 s = 0 . t + 4 2 t2; em t = 5s s = 2 . 52 s = 50m Logo, a distância entre os dois automóveis, pelo Teorema de Pitágoras é: d2 = s A 2 + s B 2 d = 502 + 502 d 70,71m ou d 71m. Este material é parte integrante do acervo do IESDE BRASIL S.A., mais informações www.iesde.com.br