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Força e Dinâmica Translacional

Física 1 do AP · Tópico 2

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10:50

Força e Dinâmica Translacional

Três paraquedistas, muito acima do solo. A gravidade puxa cada um deles para baixo com força. Yet they hang there, steady, side by side. So why has that pull stopped…

Narração em inglês · Legendas em inglês + 中文 gravadas

2.1

Sistemas e Centro de Massa

Programa

Objetivo de Aprendizagem 2.1.A: Descrever as propriedades e interações de um sistema.

  • 2.1.A.1 As propriedades do sistema são determinadas pelas interações entre os objetos dentro do sistema.
  • 2.1.A.2 Se as propriedades ou interações dos objetos constituintes dentro de um sistema não forem importantes no modelamento do comportamento do sistema macroscópico, o próprio sistema pode ser tratado como um único objeto.
  • 2.1.A.3 Sistemas podem permitir interações entre partes constituintes do sistema e o ambiente, o que pode resultar na transferência de energia ou massa.
  • 2.1.A.4 Objetos individuais dentro de um sistema escolhido podem se comportar diferentemente uns dos outros, bem como do sistema como um todo.
  • 2.1.A.5 A estrutura interna de um sistema afeta a análise desse sistema.
  • 2.1.A.6 À medida que variáveis externas a um sistema são alteradas, a subestrutura do sistema pode mudar.

Objetivo de Aprendizagem 2.1.B: Descrever a localização do centro de massa de um sistema em relação às suas partes constituintes.

  • 2.1.B.1 Para sistemas com distribuições de massa simétricas, o centro de massa está localizado em linhas de simetria.
  • 2.1.B.2 A localização do centro de massa de um sistema ao longo de um eixo dado pode ser calculada usando a equação
    • Equação: $\vec{x}_{cm} = \dfrac{\sum m_i \vec{x}_i}{\sum m_i}$
  • 2.1.B.3 Um sistema pode ser modelado como um objeto singular localizado no centro de massa do sistema.

Declaração de limite: AP Physics 1 apenas espera que os alunos calculem o centro de massa para sistemas de cinco partículas ou menos dispostos em uma configuração bidimensional ou para sistemas altamente simétricos.

Fonte: College Board AP Course and Exam Description

Um sistema 系统是所选要分析的物体或物体组。系统可视为位于其质心 质心的单个点——质量的平均位置。外力改变质心的运动;内力(系统各部分之间)不会。

É por isso que uma chave girando sobre uma mesa ainda tem seu centro de massa se movendo em linha reta: a rotação é interna, e apenas a (quase nula) força externa importa para o centro de massa. Para duas massas $m_1,m_2$ em uma linha nas posições $x_1,x_2$, o centro de massa fica em $x_{\text{cm}}=\dfrac{m_1x_1+m_2x_2}{m_1+m_2}$ – sempre mais próximo da massa maior.

2.2

Forças e Diagramas de Corpo Livre

Programa

Objetivo de Aprendizagem 2.2.A: Descrever uma força como uma interação entre dois objetos ou sistemas.

  • 2.2.A.1 Forças são quantidades vetoriais que descrevem as interações entre objetos ou sistemas.
    • 2.2.A.1.i Uma força exercida sobre um objeto ou sistema é sempre devida à interação desse objeto com outro objeto ou sistema.
    • 2.2.A.1.ii Um objeto ou sistema não pode exercer uma força líquida sobre si mesmo.
  • 2.2.A.2 Forças de contato descrevem a interação de um objeto ou sistema tocando outro objeto ou sistema e são efeitos macroscópicos de forças elétricas interatômicas.

Objetivo de Aprendizagem 2.2.B: Descrever as forças exercidas sobre um objeto ou sistema usando um diagrama de corpo livre.

  • 2.2.B.1 Diagramas de corpo livre são ferramentas úteis para visualizar forças sendo exercidas sobre um único objeto ou sistema e para determinar as equações que representam uma situação física.
  • 2.2.B.2 O diagrama de corpo livre de um objeto ou sistema mostra cada uma das forças exercidas sobre o objeto pelo ambiente.
  • 2.2.B.3 Forças exercidas sobre um objeto ou sistema são representadas como vetores originando-se da representação do centro de massa, como um ponto. Um sistema é tratado como se toda a sua massa estivesse localizada no centro de massa.
  • 2.2.B.4 Um sistema de coordenadas com um eixo paralelo à direção da aceleração do objeto ou sistema simplifica a tradução do diagrama de corpo livre para a representação algébrica. Por exemplo, em um diagrama de corpo livre de um objeto em um plano inclinado, é útil definir um eixo paralelo à superfície do plano inclinado.

Declaração de limite: AP Physics 1 apenas espera que os alunos representem as forças exercidas sobre objetos, não as componentes de força em diagramas de corpo livre. Nos exames AP Physics, as forças individuais representadas em um diagrama de corpo livre devem ser desenhadas como setas retas individuais, originando-se no ponto e apontando na direção da força. Forças individuais que estão na mesma direção devem ser desenhadas lado a lado, não sobrepostas.

Fonte: College Board AP Course and Exam Description

Um paraquedista: diagramas de corpo livre equilibram gravidade e resistência do ar na velocidade terminal
Um paraquedista: diagramas de corpo livre equilibram gravidade e resistência do ar na velocidade terminal
Um lançamento de foguete: a força líquida muda o momento — F_liquida = ma para a dinâmica translacional
Lançamento de foguete: força resultante altera o momento linear — F_resultante = ma para dinâmica translacional

Uma força 力 é um empurrão ou puxão – um vetor, medido em newtons (N). Um diagrama de corpo livre 受力图 mostra um objeto como um ponto com setas para todas as forças atuando nele (peso 重力, normal, tensão 张力, atrito, aplicada), cada uma rotulada e apontando na direção correta. Desenhe-o antes de qualquer problema de dinâmica; é onde a maioria dos pontos é ganha ou perdida.

Um diagrama de corpo livre mostra todas as forças atuando em um único objeto
Um diagrama de corpo livre mostra todas as forças atuando em um único objeto

Duas regras mantêm os diagramas de corpo livre honestos: desenhe apenas forças atuando nenhuma objeto escolhido (não forças que ele exerce em outras coisas), e desenhe apenas forças físicas reais (uma corda, uma superfície, gravidade, uma mão) – nunca uma seta "$ma$", que é o resultado das forças, não uma força em si.

Explorar

Equilibre as forças em um diagrama de corpo livre

Um diagrama de corpo livre mostra todas as forças atuando sobre um objeto como setas. O objeto acelera apenas se as forças não se anularem — a força resultante determina $a=F/m$.

Vocabulário Treinar
Inglês Chinês Pinyin
system/ˈsɪstəm/ 系统 xì tǒng
center of mass/ˈsentə ɒv mæs/ 质心 zhì xīn
force/fɔːs/ 力 lì
free-body diagram/friː ˈbɒdi ˈdaɪəɡræm/ 受力图 shòu lì tú
Newton's third law/ˈnjuːtnz θɜːd lɔː/ 牛顿第三定律 niú dùn dì sān dìng lǜ
Newton's first law/ˈnjuːtnz fɜːst lɔː/ 牛顿第一定律 niú dùn dì yí dìng lǜ
inertia/ɪˈnɜːʃə/ 惯性 guàn xìng
net force/net fɔːs/ 合力 hé lì
translational equilibrium/trænˈsleɪʃənl ˌiːkwɪˈlɪbrɪəm/ 平衡 píng héng
Newton's second law/ˈnjuːtnz ˈsekənd lɔː/ 牛顿第二定律 niú dùn dì èr dìng lǜ
gravitational field strength/ˌɡrævɪˈteɪʃənl fiːld streŋθ/ 重力场强度 zhòng lì chǎng qiáng dù
Newton's law of gravitation/ˈnjuːtnz lɔː ɒv ˌɡrævɪˈteɪʃn/ 万有引力定律 wàn yǒu yǐn lì dìng lǜ
Inertial mass/ɪˈnɜːʃl mæs/ 惯性质量 guàn xìng zhì liàng
gravitational mass/ˌɡrævɪˈteɪʃənl mæs/ 引力质量 yǐn lì zhì liàng
Friction/ˈfrɪkʃn/ 摩擦力 mó cā lì
Kinetic friction/kɪˈnetɪk ˈfrɪkʃn/ 动摩擦 dòng mó cā
Static friction/ˈstætɪk ˈfrɪkʃn/ 静摩擦 jìng mó cā
normal force/ˈnɔːml fɔːs/ 法向力 fǎ xiàng lì
coefficient of friction/ˌkəʊɪˈfɪʃənt ɒv ˈfrɪkʃn/ 摩擦系数 mó cā xì shù
restoring force/rɪˈstɔːrɪŋ fɔːs/ 回复力 huí fù lì
Hooke's law/hʊks lɔː/ 胡克定律 hú kè dìng lǜ
spring constant/sprɪŋ ˈkɒnstənt/ 弹簧常数 tán huáng cháng shù
centripetal acceleration/senˈtrɪpɪtl əkˌseləˈreɪʃn/ 向心加速度 xiàng xīn jiā sù dù
net inward (centripetal) force/net ˈɪnwəd fɔːs/ 向心力 xiàng xīn lì
period/ˈpɪərɪəd/ 周期 zhōu qī
frequency/ˈfriːkwənsi/ 频率 pín lǜ
weight/weɪt/ 重力 zhòng lì
tension/ˈtenʃn/ 张力 zhāng lì
incline/ɪnˈklaɪn/ 斜面 xié miàn
2.3

Terceira Lei de Newton

Programa

Objetivo de Aprendizagem 2.3.A: Descrever a interação de dois objetos usando a terceira lei de Newton e uma representação de forças pareadas exercidas em cada objeto.

  • 2.3.A.1 A terceira lei de Newton descreve a interação de dois objetos em termos das forças pareadas que cada um exerce sobre o outro.
    • Equação: $\vec{F}_{\text{A on B}} = -\vec{F}_{\text{B on A}}$
  • 2.3.A.2 Interações entre objetos dentro de um sistema (forças internas) não influenciam o movimento do centro de massa de um sistema.
  • 2.3.A.3 Tensão é o resultado líquido macroscópico de forças que segmentos de uma corda, cabo, corrente ou sistema similar exercem uns sobre os outros em resposta a uma força externa.
    • 2.3.A.3.i Uma corda ideal tem massa desprezível e não se estica quando sob tensão.
    • 2.3.A.3.ii A tensão em uma corda ideal é a mesma em todos os pontos dentro da corda.
    • 2.3.A.3.iii Em uma corda com massa não desprezível, a tensão pode não ser a mesma em todos os pontos dentro da corda.
    • 2.3.A.3.iv Uma polia ideal é uma polia que tem massa desprezível e gira em torno de um eixo através do seu centro de massa com atrito desprezível.

Declaração de escopo: AP Física 1 espera apenas que os alunos descrevam qualitativamente a tensão em uma corda, cabo, corrente ou sistema similar com massa. Por exemplo, os alunos podem notar que a tensão em uma corrente pendente é maior na parte superior da corrente.

Declaração de escopo: A interação entre objetos ou sistemas à distância é limitada às forças gravitacionais no AP Física 1. No AP Física 2, forças gravitacionais, elétricas e magnéticas podem ser consideradas.

Fonte: College Board AP Course and Exam Description

Terceira Lei de Newton 牛顿第三定律: se o objeto A empurra o objeto B, então B empurra de volta A com uma força igual em magnitude e oposta em direção. Essas duas forças atuam em objetos diferentes, então nunca se cancelam. Identifique pares da terceira lei pela formulação "A em B / B em A".

Um par da Terceira Lei de Newton: forças iguais e opostas em dois objetos diferentes
Um par da Terceira Lei de Newton: forças iguais e opostas em dois objetos diferentes

Uma armadilha clássica: o peso de um livro e a força normal da mesa não formam um par da terceira lei – elas atuam no mesmo objeto (o livro). O parceiro do peso do livro é a tração que o livro exerce na Terra; o parceiro da empurrão da mesa é o empurrão que o livro faz na mesa.

2.4

Primeira Lei de Newton

Programa

Objetivo de Aprendizagem 2.4.A: Descrever as condições sob as quais a velocidade de um sistema permanece constante.

  • 2.4.A.1 A força resultante sobre um sistema é a soma vetorial de todas as forças exercidas sobre o sistema.
  • 2.4.A.2 O equilíbrio translacional é uma configuração de forças tal que a força resultante exercida sobre um sistema é zero.
    • Equação derivada: $\sum_i \vec{F}_i = 0$
  • 2.4.A.3 A primeira lei de Newton afirma que se a força resultante exercida sobre um sistema for zero, a velocidade desse sistema permanecerá constante.
  • 2.4.A.4 As forças podem estar equilibradas em uma dimensão, mas desequilibradas em outra. A velocidade do sistema mudará apenas na direção da força desequilibrada.
  • 2.4.A.5 Um referencial inercial é aquele do qual um observador verificaria a primeira lei do movimento de Newton.

Fonte: College Board AP Course and Exam Description

Primeira Lei de Newton 牛顿第一定律 (a lei da inércia 惯性): a velocidade de um objeto permanece constante a menos que uma força resultante 合力 atue sobre ela. Logo, força resultante zero significa velocidade constante (incluindo repouso) – o objeto está em equilíbrio translacional 平衡. Inércia é a tendência a resistir a mudanças no movimento, medida pela massa.

Exemplo resolvido. Um carro de $1200\ \text{kg}$ viaja a uma velocidade constante de $25\ \text{m/s}$ em uma estrada plana. Qual é a força resultante sobre ele? Como a velocidade é constante, a aceleração é zero, logo pela primeira lei a força resultante é zero – a força motora para frente equilibra exatamente o arrasto e o atrito. "Velocidade constante" sempre significa forças equilibradas.

2.5

Segunda Lei de Newton

Programa

Objetivo de Aprendizagem 2.5.A: Descrever as condições sob as quais a velocidade de um sistema muda.

  • 2.5.A.1 Forças desequilibradas são uma configuração de forças tal que a força resultante exercida sobre um sistema não é igual a zero.
  • 2.5.A.2 A segunda lei de Newton afirma que a aceleração do centro de massa de um sistema tem magnitude proporcional à magnitude da força resultante exercida sobre o sistema e está na mesma direção dessa força resultante.
    • Equação: $\vec{a}_{\text{sys}} = \dfrac{\sum \vec{F}}{m_{\text{sys}}} = \dfrac{\vec{F}_{\text{net}}}{m_{\text{sys}}}$
  • 2.5.A.3 A velocidade do centro de massa de um sistema só mudará se uma força externa líquida não nula for exercida sobre esse sistema.

Fonte: College Board AP Course and Exam Description

Segunda Lei de Newton 牛顿第二定律 relaciona a força resultante à aceleração:

$$\vec{a}=\frac{\sum \vec{F}}{m},\qquad\text{i.e.}\qquad \sum\vec{F}=m\vec{a}.$$
Aplique-a um eixo de cada vez: some as componentes de força ao longo de cada eixo e iguale a soma a $ma$ para esse eixo. A aceleração aponta na mesma direção da força resultante.

Exemplo resolvido. Uma caixa de $4.0\ \text{kg}$ é puxada pelo chão por uma força horizontal de $18\ \text{N}$. O atrito na caixa é $6.0\ \text{N}$. Encontre sua aceleração. Na direção do movimento, a força resultante é $18-6.0=12\ \text{N}$, logo

$$a=\frac{\sum F}{m}=\frac{12}{4.0}=3.0\ \text{m/s}^2.$$

Exemplo resolvido (plano inclinado 斜面). Um bloco de massa $m$ desliza por uma rampa sem atrito inclinada em um ângulo $\theta$. Encontre sua aceleração. Decomponha a gravidade em componentes paralelas e perpendiculares à rampa; apenas a parte paralela à rampa, $mg\sin\theta$, impulsiona o movimento, logo

$$a=\frac{mg\sin\theta}{m}=g\sin\theta.$$
Quanto mais íngreme a rampa, maior $\sin\theta$ e mais rápida a aceleração; em $\theta=90^{\circ}$ é queda livre.

2.6

Força Gravitacional

Programa

Objetivo de Aprendizagem 2.6.A: Descrever a interação gravitacional entre dois objetos ou sistemas com massa.

  • 2.6.A.1 A lei da gravitação universal de Newton descreve a força gravitacional entre dois objetos ou sistemas como diretamente proporcional a cada uma de suas massas e inversamente proporcional ao quadrado da distância entre os centros de massa dos sistemas.
    • Equação: $\left|\vec{F}_g\right| = G\dfrac{m_1 m_2}{r^2}$
    • 2.6.A.1.i A força gravitacional é atrativa.
    • 2.6.A.1.ii A força gravitacional é sempre exercida ao longo da linha que conecta os centros de massa dos dois sistemas interagentes.
    • 2.6.A.1.iii A força gravitacional sobre um sistema pode ser considerada exercida no centro de massa do sistema.
  • 2.6.A.2 Um campo modela os efeitos de uma força de contato exercida sobre um objeto em várias posições no espaço.
    • 2.6.A.2.i A magnitude do campo gravitacional criado por um sistema de massa $M$ em um ponto no espaço é igual à razão da força gravitacional exercida pelo sistema sobre um objeto de teste de massa $m$ pela massa do objeto de teste.
      • Equação: $\left|\vec{g}\right| = \dfrac{\left|\vec{F}_g\right|}{m} = G\dfrac{M}{r^2}$
    • 2.6.A.2.ii Se a força gravitacional for a única força exercida sobre um objeto, a aceleração observada do objeto (em m/s$^2$) é numericamente igual à magnitude da intensidade do campo gravitacional (em N/kg) naquele local.
  • 2.6.A.3 A força gravitacional exercida por um corpo astronômico sobre um objeto pequeno próximo é chamada de peso.
    • Equação: $\text{Weight} = F_g = mg$

Objetivo de Aprendizagem 2.6.B: Descrever situações em que a força gravitacional pode ser considerada constante.

  • 2.6.B.1 Se a força gravitacional entre os centros de massa de dois sistemas tiver uma mudança desprezível conforme a posição relativa dos dois sistemas muda, a força gravitacional pode ser considerada constante em todos os pontos entre as posições inicial e final dos sistemas.
  • 2.6.B.2 Perto da superfície da Terra, a intensidade do campo gravitacional é $g \approx 10 \text{ N/kg}$

Objetivo de Aprendizagem 2.6.C: Descrever as condições sob as quais a magnitude do peso aparente de um sistema é diferente da magnitude da força gravitacional exercida sobre esse sistema.

  • 2.6.C.1 A magnitude do peso aparente de um sistema é a magnitude da força normal exercida sobre o sistema.
  • 2.6.C.2 Se o sistema estiver acelerando, o peso aparente do sistema não é igual à magnitude da força gravitacional exercida sobre o sistema.
  • 2.6.C.3 Um sistema parece ter peso zero quando não há forças exercidas sobre ele ou quando a força da gravidade é a única força exercida sobre o sistema.
  • 2.6.C.4 O princípio da equivalência afirma que um observador em um referencial não inercial não consegue distinguir entre o peso aparente de um objeto e a força gravitacional exercida sobre o objeto por um campo gravitacional.

Objetivo de Aprendizagem 2.6.D: Descrever massa inercial e massa gravitacional.

  • 2.6.D.1 Objetos têm massa inercial, ou inércia, uma propriedade que determina quanto o movimento de um objeto resiste a mudanças ao interagir com outro objeto.
  • 2.6.D.2 Massa gravitacional está relacionada à força de atração entre dois sistemas com massa.
  • 2.6.D.3 Massa inercial e massa gravitacional foram experimentalmente verificadas como equivalentes.

Fonte: College Board AP Course and Exam Description

Movimento orbital (Lei de Kepler 2)

Perto da superfície de um planeta, a força gravitacional (peso) é $F_g=mg$, dirigida para baixo, onde $g$ é a intensidade do campo gravitacional 重力场强度. Mais geralmente, a Lei da Gravitação Universal 万有引力定律 dá a atração entre quaisquer duas massas:

$$F_g=\frac{G m_1 m_2}{r^2},$$
dirigida ao longo da linha que as une, diminui à medida que a distância $r$ aumenta (uma lei do inverso do quadrado). Dobrar a separação reduz a força a um quarto.

Duas massas atraem-se mutuamente com forças iguais, opostas e de lei do inverso do quadrado ao longo da linha que as une
Duas massas atraem-se mutuamente com forças iguais, opostas e de lei do inverso do quadrado ao longo da linha que as une

Exemplo resolvido. Um objeto de $2.0\ \text{kg}$ pesa $19.6\ \text{N}$ na Terra ($g=9.8\ \text{m/s}^2$). Na Lua, $g_{\text{Moon}}=1.6\ \text{m/s}^2$. Sua massa não muda ($2.0\ \text{kg}$), mas seu peso torna-se $F_g=mg=2.0\times1.6=3.2\ \text{N}$. A massa mede a inércia; o peso é uma força que depende de onde você está.

A massa realmente desempenha dois papéis distintos. Massa inercial 惯性质量 define quão fortemente um objeto resiste à aceleração ($F=ma$); massa gravitacional 引力质量 define quão fortemente ele atrai outras massas ($F=Gm_1m_2/r^2$). Experimentos confirmam que as duas são iguais – o que é exatamente por isso que todos os objetos, pesados ou leves, caem com a mesma $g$.

2.7

Atrito Cinético e Estático

Programa

Objetivo de Aprendizagem 2.7.A: Descrever o atrito cinético entre duas superfícies

  • 2.7.A.1 O atrito cinético ocorre quando duas superfícies em contato se movem relativamente uma à outra.
    • 2.7.A.1.i A força de atrito cinético é exercida em uma direção oposta ao movimento de cada superfície relativamente à outra superfície.
    • 2.7.A.1.ii A força de atrito entre duas superfícies não depende do tamanho da área de contato das superfícies.
  • 2.7.A.2 A magnitude da força de atrito cinético exercida sobre um objeto é o produto da força normal que a superfície exerce sobre o objeto e do coeficiente de atrito cinético.
    • Equação: $\left|\vec{F}_{f,k}\right| = \left|\mu_k \vec{F}_n\right|$
    • 2.7.A.2.i O coeficiente de atrito cinético depende das propriedades materiais das superfícies que estão em contato.
    • 2.7.A.2.ii A força normal é a componente perpendicular da força exercida sobre um objeto pela superfície com a qual ele está em contato; ela é direcionada para longe da superfície.

Objetivo de Aprendizagem 2.7.B: Descrever o atrito estático entre duas superfícies.

  • 2.7.B.1 O atrito estático pode ocorrer entre as superfícies de contato de dois objetos que não se movem relativamente um ao outro.
  • 2.7.B.2 O atrito estático adota o valor e a direção necessários para impedir que um objeto escorregue ou deslize sobre uma superfície.
    • Equação: $\left|\vec{F}_{f,s}\right| \leq \left|\mu_s \vec{F}_n\right|$
    • 2.7.B.2.i Escorregar e deslizar referem-se a situações em que duas superfícies estão se movendo relativamente uma à outra.
    • 2.7.B.2.ii Existe um valor máximo para o qual o atrito estático impedirá que um objeto escorregue em uma dada superfície.
      • Equação: $F_{f,s,\max} = \mu_s F_n$
  • 2.7.B.3 O coeficiente de atrito estático é tipicamente maior que o coeficiente de atrito cinético para um par dado de superfícies.

Fonte: College Board AP Course and Exam Description

Atrito 摩擦力 atua ao longo de uma superfície, opondo-se ao deslizamento relativo (ou à tendência de deslizamento):

  • Atrito cinético 动摩擦 (durante o deslizamento): $f_k=\mu_k N$.
  • Atrito estático 静摩擦 (enquanto ainda não desliza): $f_s\le \mu_s N$ – ele se ajusta até um máximo para impedir o movimento.

Aqui $N$ é a força normal 法向力 (empurrão da superfície, perpendicular à superfície) e $\mu$ é o coeficiente de atrito 摩擦系数.

Exemplo resolvido. Uma caixa de $5.0\ \text{kg}$ está sobre um piso nivelado com $\mu_s=0.40$. Um empurrão horizontal de $15\ \text{N}$ a moverá? Em um piso nivelado $N=mg=5.0\times9.8=49\ \text{N}$, então o atrito estático máximo é $f_{s,\max}=\mu_s N=0.40\times49=19.6\ \text{N}$. O empurrão $15\ \text{N}$ é menor que $19.6\ \text{N}$, logo o atrito aumenta para igualá-lo e a caixa permanece parada.

Explorar

Deslize um bloco por uma rampa com atrito

O atrito se opõe ao movimento até um máximo $\mu N$. Incline a rampa até que a componente da gravidade ao longo dela supere o atrito estático e o bloco comece a deslizar.

2.8

Forças em Molas

Programa

Objetivo de Aprendizagem 2.8.A: Descrever a força exercida sobre um objeto por uma mola ideal

  • 2.8.A.1 Uma mola ideal tem massa desprezível e exerce uma força proporcional à mudança em seu comprimento medida a partir de seu comprimento relaxado.
  • 2.8.A.2 A magnitude da força exercida por uma mola ideal sobre um objeto é dada pela lei de Hooke:
    • Equação: $\vec{F}_s = -k\Delta\vec{x}$
  • 2.8.A.3 A força exercida sobre um objeto por uma mola é sempre direcionada em direção à posição de equilíbrio do sistema objeto-mola.

Fonte: College Board AP Course and Exam Description

Lei de Hooke & limite elástico

Uma mola ideal exerce uma força restauradora 回复力 proporcional ao seu alongamento ou compressão – a Lei de Hooke 胡克定律:

$$F_s=-kx,$$
onde $k$ é a constante da mola 弹簧常数 (rigidez) e $x$ é o deslocamento em relação ao comprimento natural da mola. O sinal negativo indica que a força aponta de volta para a posição de equilíbrio.

Lei de Hooke: a extensão é proporcional à carga até o limite de proporcionalidade
Lei de Hooke: a extensão é proporcional à carga até o limite de proporcionalidade

Exemplo resolvido. Uma mola com $k=200\ \text{N/m}$ pende verticalmente e uma massa de $0.50\ \text{kg}$ é pendurada nela. Quanto ela se estica em repouso? Em repouso, a força da mola equilibra o peso, $kx=mg$, logo

$$x=\frac{mg}{k}=\frac{0.50\times9.8}{200}=0.025\ \text{m}=2.5\ \text{cm}.$$

Explorar

Estique uma mola (Lei de Hooke)

A força de uma mola é proporcional à sua extensão, $F=kx$ (Lei de Hooke). Puxe com mais força e a extensão aumenta proporcionalmente — até o limite elástico da mola.

2.9

Movimento Circular

Programa

Objetivo de Aprendizagem 2.9.A: Descrever o movimento de um objeto percorrendo um caminho circular.

  • 2.9.A.1 A aceleração centrípeta é a componente da aceleração de um objeto direcionada para o centro do caminho circular do objeto.
    • 2.9.A.1.i A magnitude da aceleração centrípeta para um objeto em movimento circular é a razão do quadrado da velocidade tangencial do objeto ao raio do caminho circular.
      • Equação: $a_c = \dfrac{v^2}{r}$
    • 2.9.A.1.ii A aceleração centrípeta é direcionada para o centro do caminho circular de um objeto.
  • 2.9.A.2 A aceleração centrípeta pode resultar de uma única força, mais de uma força, ou componentes de forças exercidas sobre um objeto em movimento circular.
    • 2.9.A.2.i No topo de uma volta vertical circular, um objeto requer uma velocidade mínima para manter o movimento circular. Neste ponto, e com essa velocidade mínima, a força gravitacional é a única força que causa a aceleração centrípeta.
      • Equação: $v = \sqrt{gr}$
    • 2.9.A.2.ii Componentes da força de atrito estático e da força normal podem contribuir para a força resultante produzindo aceleração centrípeta de um objeto viajando em círculo sobre uma superfície inclinada.
    • 2.9.A.2.iii Um componente da tensão contribui para a força resultante produzindo aceleração centrípeta experimentada por um pêndulo cônico.
  • 2.9.A.3 A aceleração tangencial é a taxa com que a velocidade de um objeto muda e é direcionada tangencialmente ao caminho circular do objeto.
  • 2.9.A.4 A aceleração resultante de um objeto em movimento circular é a soma vetorial da aceleração centrípeta e da aceleração tangencial.
  • 2.9.A.5 A revolução de um objeto percorrendo um caminho circular a uma velocidade constante (movimento circular uniforme) pode ser descrita usando período e frequência.
    • 2.9.A.5.i O tempo para completar um caminho circular completo, uma rotação completa ou um ciclo completo de movimento oscilatório é definido como período, $T$.
    • 2.9.A.5.ii A taxa com que um objeto completa revoluções é definida como frequência, $f$.
      • Equação: $T = \dfrac{1}{f}$
    • 2.9.A.5.iii Para um objeto viajando a uma velocidade constante em um caminho circular, o período é dado pela equação derivada
      • Equação: $T = \dfrac{2\pi r}{v}$

Objetivo de Aprendizagem 2.9.B: Descrever órbitas circulares usando a terceira lei de Kepler.

  • 2.9.B.1 Para um satélite em órbita circular em torno de um corpo central, a aceleração centrípeta do satélite é causada apenas pela atração gravitacional. O período e o raio da órbita circular estão relacionados à massa do corpo central.
    • Equação: $T^2 = \dfrac{4\pi^2}{GM} R^3$

Declaração de escopo: AP Physics 1 espera apenas que os alunos analisem quantitativamente curvas superadas nas quais não é necessária fricção para manter o movimento circular uniforme. A análise de situações em que a fricção é necessária em uma curva superada se limita a descrições qualitativas.

Declaração de escopo: AP Physics 1 não espera que os alunos saibam a primeira ou a segunda lei do movimento planetário de Kepler.

Fonte: College Board AP Course and Exam Description

Movimento circular uniforme

Um objeto movendo-se em círculo a velocidade constante ainda acelera, porque a direção de sua velocidade muda continuamente. Essa aceleração centrípeta 向心加速度 aponta para o centro:

$$a_c=\frac{v^2}{r}.$$
Ela é produzida por uma força resultante interna (centrípeta) 向心力 $F_c=\dfrac{mv^2}{r}$ – fornecida por qualquer força real que aponte para dentro (tensão, gravidade, atrito, normal). O tempo para uma revolução completa é o período 周期 $T$, e o número de revoluções por segundo é a frequência 频率 $f$; elas são recíprocas, $f = 1/T$, e as mesmas definições descrevem qualquer rotação ou oscilação. Não há força externa separada; "centrífuga" é apenas um efeito aparente.

A velocidade aponta ao longo da tangente; a força centrípeta e a aceleração apontam para o centro
A velocidade aponta ao longo da tangente; a força centrípeta e a aceleração apontam para o centro

Exemplo resolvido. Uma bola de $0.30\ \text{kg}$ presa a uma corda é girada em um círculo horizontal de raio $0.80\ \text{m}$ a $4.0\ \text{m/s}$. Encontre a tensão na corda. A tensão fornece toda a força centrípeta:

$$T=\frac{mv^2}{r}=\frac{0.30\times4.0^2}{0.80}=6.0\ \text{N}.$$
Se a corda suporta no máximo $6.0\ \text{N}$, essa é a velocidade máxima que a bola pode ter naquele raio – girar mais rápido e a corda quebrará.

2.9

Dicas de prova

  • Sempre faça primeiro um diagrama de corpo livre: apenas forças reais sobre o objeto escolhido (peso, normal, tensão, atrito, aplicada) — nunca uma seta de "$ma$".
  • Aplique $\sum F = ma$ um eixo de cada vez; numa rampa, decomponha a gravidade em $mg\sin\theta$ (paralelo) e $mg\cos\theta$ (perpendicular).
  • Um par de ação e reação (Lei de Newton III) age em dois objetos diferentes – o peso de um livro e a força normal da mesa não formam um par (ambos atuam no livro).
  • O atrito estático ajusta-se até $\mu_s N$ (use-o para testar se o movimento começa); uma vez deslizante, use o atrito cinético $f_k=\mu_k N$.
  • O movimento circular precisa de uma força resultante interna (centrípeta) $mv^2/r$ fornecida por uma força real – não existe força "centrífuga" externa.

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