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Força e Dinâmica Translacional

Física C: Mecânica AP · Tópico 2

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9:06

Força e Dinâmica Translacional

Um carrinho percorre um loop vertical. No topo exato, ele está completamente de cabeça para baixo, sem nada segurando-o. Por que ele não cai? A resposta não é alguma…

Narração em inglês · legendas em inglês e 中文 que você pode alternar

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 objetos ou 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: $\vec{x}_{\text{cm}} = \dfrac{\sum m_i \vec{x}_i}{\sum m_i}$
  • 2.1.B.3 Para um sólido não uniforme que pode ser considerado como uma coleção de massas diferenciais, $dm$, o centro de massa do sólido pode ser calculado usando a equação
    • Equação: $\vec{r}_{\text{cm}} = \dfrac{\int \vec{r}\, dm}{\int dm}$
    • 2.1.B.3.i A densidade linear de massa de uma barra ou outro corpo rígido linear é a derivada da massa da barra em relação à posição do elemento de massa diferencial no corpo rígido.
      • Equação: $\lambda = \dfrac{d}{d\ell} m(\ell)$
    • 2.1.B.3.ii Se uma função de densidade de massa for dada para um sólido, a massa total pode ser determinada integrando a densidade de massa sobre o comprimento (uma dimensão), área (duas dimensões) ou volume (três dimensões) do sólido. Por exemplo:
      • Equação: $M_{\text{total}} = \int \rho(r)\, dV$
  • 2.1.B.4 Um sistema pode ser modelado como um objeto singular localizado no centro de massa do sistema.

Fonte: College Board AP Course and Exam Description

Em 2 de agosto de 1971, o astronauta David Scott estava na Lua e soltou um martelo e uma pena de falcão no mesmo instante. Sem ar para retardar a pena, ambos atingiram o solo empoeirado juntos — exatamente como Galileu havia previsto quase 400 anos antes. Esse único experimento resume esta unidade: as mesmas poucas leis das forças, aplicadas cuidadosamente por meio das leis de Newton, explicam a queda de penas, carros em curvas, paraquedistas e luas em órbita.

Um sistema é o objeto ou conjunto de objetos que você analisa, tratado como um ponto em seu centro de massa. Para um conjunto de massas, $x_{\text{cm}}=\dfrac{\sum m_i x_i}{\sum m_i}$; para um corpo contínuo, $x_{\text{cm}}=\dfrac{1}{M}\int x\,dm$. Somente uma força resultante externa acelera o centro de massa de um sistema de massa constante.

A escolha do sistema é sua decisão e altera a análise. Se os detalhes internos das partes não importam, trate todo o sistema como um único objeto em seu centro de massa. Se importam – dois blocos unidos por uma corda, uma pessoa em um elevador –, você pode analisá-lo internamente, e as partes podem se mover diferentemente entre si e do sistema como um todo. Um sistema também pode trocar energia ou massa com seu entorno (um foguete perdendo combustível, um carro perdendo calor). Para qualquer corpo com distribuição de massa simétrica, o centro de massa está sobre toda linha de simetria – o centro de um disco ou esfera uniforme, o ponto médio de uma barra uniforme.

Exemplo resolvido (uma barra não uniforme). Uma barra fina de comprimento $L=2.0\ \text{m}$ está ao longo do eixo $x$ de $x=0$. Sua densidade linear aumenta ao longo dela, $\lambda=kx$ com $k=3.0\ \text{kg/m}^2$. Encontre sua massa e seu centro de massa.

  • Um fatia de largura $dx$ na posição $x$ tem massa $dm=\lambda\,dx=kx\,dx$.
  • Massa: $M=\displaystyle\int_0^L kx\,dx=\frac{kL^2}{2}=\frac{(3.0)(2.0)^2}{2}=6.0\ \text{kg}$.
  • Centro de massa: $x_{\text{cm}}=\dfrac{1}{M}\displaystyle\int_0^L x\,(kx\,dx)=\dfrac{1}{M}\cdot\dfrac{kL^3}{3}=\dfrac{(3.0)(2.0)^3/3}{6.0}=1.33\ \text{m}$, que é $\tfrac23L$.

Verifique a resposta contra a física: uma barra uniforme equilibraria em seu ponto médio, $1.0\ \text{m}$. Mais massa está voltada para a extremidade direita, então o centro de massa deve estar à direita do ponto médio.

Uma barra de 0 a 2.0 m sombreada de claro à esquerda para denso à direita. Uma fatia fina marca dm = lambda dx = kx dx; uma linha tracejada marca o ponto médio em 1.0 m e um triângulo marca o centro de massa em 4/3 m
A barra fica mais densa à direita, então seu centro de massa fica em 2L/3, além do ponto médio
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Centro de massa de um sistema

Toque nas partes para ver onde fica o centro de massa de um sistema de dois corpos.

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 em um objeto ou sistema é sempre devida à interação desse objeto ou sistema 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 no objeto ou sistema 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 C: Mechanics e AP Physics C: Electricity and Magnetism esperam apenas que os alunos representem as forças exercidas em objetos, não os componentes de força em diagramas de corpo livre. Nos exames AP Physics, 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

Uma força é um empurrão ou puxão (um vetor, em newtons). Um diagrama de corpo livre desenha um objeto com uma seta para cada força atuando nele – peso, normal, tração, atrito, aplicada, arrasto. Desenhe-o primeiro; ele estabelece todas as equações de dinâmica.

  • Desenhe o objeto como um ponto representando seu centro de massa, com todas as setas de força partindo desse ponto.
  • Mostre apenas as forças exercidas sobre o objeto pelo ambiente — nunca as forças que o objeto exerce sobre outras coisas, e nunca “$ma$” ou “força centrípeta”.
  • Forças de contato (força normal, atrito, tração) são o resultado macroscópico das forças elétricas entre átomos nas superfícies em contato.
  • Escolha um eixo paralelo à aceleração (ao longo de um plano inclinado ou em direção ao centro de um círculo). Então apenas uma equação contém $a$.
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
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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
English Português
free-body diagram/friː ˈbɒdi ˈdaɪəɡræm/ diagrama de corpo livre
Newton's third law/ˈnjuːtnz θɜːd lɔː/ terceira lei de Newton
inertia/ɪˈnɜːʃə/ inércia
net force/net fɔːs/ força resultante
translational equilibrium/trænˈsleɪʃənl ˌiːkwɪˈlɪbrɪəm/ equilíbrio translacional
differential equation/ˌdɪfəˈrenʃl ɪˈkweɪʒn/ equação diferencial
incline/ɪnˈklaɪn/ plano inclinado
tension/ˈtenʃn/ tensão
Newton's law of gravitation/ˈnjuːtnz lɔː ɒv ˌɡrævɪˈteɪʃn/ Lei da gravitação universal
2.3

Terceira Lei de Newton

Programa

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

  • 2.3.A.1 A terceira lei de Newton descreve a interação de dois objetos ou sistemas em termos das forças pareadas que cada 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 infinitesimais 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.

Fonte: College Board AP Course and Exam Description

Lei da ação e reação de Newton: A empurra B, B empurra de volta com igual intensidade e sentido oposto. O par atua em objetos diferentes, então nunca se cancela dentro de um único diagrama de corpo livre:

$$\vec{F}_{\text{A on B}}=-\vec{F}_{\text{B on A}}.$$

As duas forças são sempre do mesmo tipo (ambas gravitacionais, ambas de contato) e atuam no mesmo instante. Quando um caminhão bate em uma mosca, a força sobre a mosca é exatamente igual à força sobre o caminhão; a mosca sofre mais porque sua massa é pequena. Dentro de um sistema, pares da terceira lei são forças internas: elas se cancelam em pares, logo não podem alterar o movimento do centro de massa do sistema.

Tração em uma corda ou cabo é o resultado líquido de cada pequeno segmento puxando seus vizinhos. Para uma corda ideal (sem massa) sobre uma polia sem atrito, a tração é a mesma em toda a extensão.

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
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Pares de terceira lei

Pares da terceira lei de Newton atuam em objetos diferentes. Classifique cada afirmação.

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 a configuração de forças tal que a força líquida exercida em um sistema é zero.
    • Equação derivada: $\sum \vec{F}_i = 0$
  • 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 (inércia): com força resultante nula, a velocidade permanece constante – o objeto está em equilíbrio translacional. A força resultante é a soma vetorial de todas as forças sobre o sistema, então equilíbrio significa $\sum F_x=0$ e $\sum F_y=0$ separadamente.

Forças podem estar equilibradas em uma direção, mas não em outra: um disco de hóquei deslizando sobre gelo sem atrito tem forças verticais equilibradas (peso e força normal), logo sua velocidade vertical permanece zero, enquanto qualquer força horizontal desequilibrada altera apenas sua velocidade horizontal. Um referencial inercial é exatamente um referencial no qual a primeira Lei de Newton é observada valendo – aquele que não está acelerando.

Exemplo resolvido (equilíbrio). Uma lâmpada de 4.0 kg pendurada em duas cordas, cada uma a $30^\circ$ acima da horizontal. Vertical: $2T\sin30^\circ=mg=40$ N, logo $T=40$ N. Cada corda suporta uma tração igual ao peso total da lâmpada – cordas rasas exigem grandes trações.

Explorar

Equilibradas ou desequilibradas?

Pela primeira lei de Newton, decida se as forças sobre cada objeto estão 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

A forma geral usa momento:

$$\sum\vec{F}=\frac{d\vec{p}}{dt}=m\vec{a}\ \ (\text{for constant mass}).$$
Aplique-a um eixo por vez. Quando as forças dependem da velocidade ou posição, isso torna-se uma equação diferencial a ser resolvida.

Exemplo resolvido. Um bloco de massa $2.0\ \text{kg}$ desliza por um plano inclinado sem atrito com aceleração $30^{\circ}$. Apenas a componente da gravidade ao longo do plano o impulsiona, resultando em $a=g\sin30^{\circ}=9.8(0.5)=4.9\ \text{m/s}^2$, independente da massa.

Exemplo resolvido (dois corpos). Um carrinho de massa $6.0\ \text{kg}$ sobre uma mesa sem atrito é puxado por uma corda sobre uma polia leve até uma massa pendente de $2.0\ \text{kg}$. Trate o par como um sistema: apenas o peso pendente o impulsiona, logo $a=\dfrac{2.0(9.8)}{8.0}=2.45\ \text{m/s}^2$. Em seguida, isole o carrinho para encontrar a tração na corda: $T=6.0(2.45)\approx15\ \text{N}$. Use o sistema primeiro para $a$, e o corpo único para forças internas; esse padrão de dois passos é o método padrão.

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

Exemplo resolvido (elevador e peso aparente). Um estudante de 60 kg em pé sobre uma balança em um elevador que acelera para cima a $2.0\ \text{m/s}^2$. Considerando para cima como positivo, $N-mg=ma$, logo $N=60(10+2.0)=720$ N. A balança mede a força normal, então o peso aparente do estudante é 720 N, embora a força gravitacional ainda seja 600 N. Acelerando para baixo a $2.0\ \text{m/s}^2$, resulta em $N=480$ N; em queda livre, $N=0$.

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Diagrama de corpo livre: F = ma

A resultante das forças, dividida pela massa, dá a aceleração. Altere uma força e observe a aceleração responder.

Vocabulário Treinar
English Português
system/ˈsɪstəm/ sistema
center of mass/ˈsentə ɒv mæs/ centro de massa
force/fɔːs/ força
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 conectando o centro 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 derivada: $\left| \vec{g} \right| = \dfrac{\left| \vec{F}_g \right|}{m} = G \dfrac{M}{r^2}$
    • 2.6.A.2.ii Se a força gravitacional for a única força exercida em um objeto, a aceleração observada do objeto (em $\text{m/s}^2$) é numericamente igual à magnitude da intensidade do campo gravitacional (em $\text{N/kg}$) naquele local.
  • 2.6.A.3 A força gravitacional exercida por um corpo astronômico sobre um objeto pequeno próximo é chamada de peso.
    • Equação derivada: $\text{Weight} = F_g = mg$

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
    • Equação: $g \approx 10\ \text{N/kg}$

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.

Objetivo de Aprendizagem 2.6.E: Descrever a força gravitacional exercida em um objeto por uma distribuição esférica uniforme de massa.

  • 2.6.E.1 A força gravitacional líquida exercida em um objeto por uma distribuição esférica uniforme de massa é a soma das forças individuais de pequenas massas diferenciais que compõem a distribuição.
  • 2.6.E.2 O teorema da casca de Newton descreve a força gravitacional líquida exercida em um objeto por uma casca esférica uniforme de massa.
    • 2.6.E.2.i A força gravitacional líquida exercida em um objeto dentro de uma casca esférica fina é zero.
    • 2.6.E.2.ii A força gravitacional líquida exercida em um objeto fora de uma casca esférica fina pode ser determinada tratando a casca como um único objeto massivo localizado no centro da casca.
    • 2.6.E.2.iii Um objeto dentro de uma esfera de densidade uniforme experimenta uma força gravitacional líquida apenas de uma massa parcial da esfera.
    • 2.6.E.2.iv A massa parcial de uma esfera que contribui para a força gravitacional líquida exercida sobre um objeto dentro dessa esfera é a porção da massa da esfera localizada a uma distância menor ou igual à distância do objeto desde o centro da esfera e pode ser calculada usando a densidade da esfera.
      • Equação derivada: $m_{\text{partial}} = \rho \dfrac{4}{3} \pi \left( r_{\text{partial}} \right)^3$
  • 2.6.E.3 A força gravitacional exercida sobre um objeto dentro de uma esfera uniforme pode ser demonstrada como sendo proporcional à distância do objeto em relação ao centro da esfera.
    • Equação derivada: $F_{g,\text{partial}} = -k r_{\text{partial}}$

Declaração de limite: AP Physics C: Mecânica não espera que os alunos provem matematicamente ou derivem o teorema da casca de Newton.

Fonte: College Board AP Course and Exam Description

Movimento orbital (Lei de Kepler 2)
Uma fotografia da NASA de Saturno contra o espaço preto: o planeta redondo com faixas de nuvens pálidas, rodeado por seu amplo sistema de anéis planos, com algumas luas pequenas visíveis como pontos brilhantes
Saturno, seus anéis e suas luas: cada partícula é mantida em órbita pela mesma força gravitacional que segue a lei do inverso do quadrado

Perto da superfície, o peso vale $F_g=mg$. Em geral, a lei da gravitação de Newton:

$$F_g=\frac{Gm_1m_2}{r^2},$$
atrativa e inversamente proporcional ao quadrado da distância, para massas pontuais ou corpos esfericamente simétricos que não se sobrepõem, em que $r$ é a distância entre seus centros. O campo gravitacional é $g=\dfrac{GM}{r^2}$: um campo descreve a força por quilograma que uma massa sentiria em cada ponto do espaço. A força gravitacional exercida por um planeta sobre um pequeno objeto próximo é o seu peso. Perto da superfície da Terra, o campo quase não varia com a altura, então é tratado como constante: $g\approx10\ \text{N/kg}$ (igual a $10\ \text{m/s}^2$).

Peso aparente é a magnitude da força normal sobre um sistema (o que uma balança de banheiro mede). Quando o sistema acelera, o peso aparente difere de $mg$ (veja o exemplo do elevador). Um objeto parece sem peso quando a gravidade é a única força sobre ele, como astronautas em uma estação espacial orbitando – eles estão em queda livre ao redor da Terra, não além de sua gravidade. O princípio de equivalência diz que um observador dentro de um quarto fechado acelerado não consegue distinguir essa aceleração de um campo gravitacional.

A massa aparece em dois papéis. Massa inercial mede quão fortemente um objeto resiste a mudanças em seu movimento ($m$ em $F=ma$); massa gravitacional mede quão fortemente ele atrai e é atraído por outras massas ($m$ em $Gm_1m_2/r^2$). Experimentos mostram que as duas são iguais com precisão melhor que uma parte em $10^{14}$ – razão pela qual todos os objetos caem com a mesma aceleração, como demonstrou o martelo e a pena.

Esferas e o teorema da casca. A força de um grande corpo é a soma das forças de todos os seus pequenos pedaços $dm$. Para uma casca esférica uniforme, Newton mostrou que:

  • fora da casca, ela atrai como se toda a massa estivesse em seu centro;
  • dentro da casca, as forças de todas as partes se cancelam – a força resultante é nula.

Assim, fora de uma esfera sólida uniforme, $g=GM/r^2$. Dentro dela, a raio $r$, apenas a massa mais próxima do centro atrai; essa massa é $M\dfrac{r^3}{R^3}$, logo $g=\dfrac{GMr}{R^3}$ – proporcional a $r$, e zero no centro.

Intensidade do campo de uma esfera uniforme: dentro cresce proporcionalmente a r; fora decresce como 1/r^2, como uma massa pontual; é máxima na superfície
Intensidade do campo de uma esfera uniforme: no interior cresce proporcionalmente a r; no exterior decresce como 1/r^2, como uma massa pontual; é máxima na superfície

Exemplo resolvido (campo em altitude). A que altura acima da superfície da Terra ($R=6.4\times10^6$ m) $g$ equivale a um quarto de seu valor na superfície? $g\propto1/r^2$, portanto $r=2R$ e a altura é $R=6.4\times10^6$ m. Em contrapartida, na metade do caminho até o centro de uma esfera de densidade uniforme, $g$ equivale à metade de seu valor na superfície.

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
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A gravidade diminui com a distância

A força gravitacional entre duas massas fica mais fraca conforme elas se afastam (uma lei do inverso do quadrado).

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 relativa 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 derivada: $F_{f,s,\text{max}} = \mu_s F_N$
  • 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 opõe-se ao deslizamento sobre uma superfície: cinético $f_k=\mu_k N$ durante o deslizamento, e estático $f_s\le\mu_s N$ até um máximo antes do deslizamento. $N$ é a força normal. Observe a desigualdade: o atrito estático assume qualquer valor e direção necessários para impedir o deslizamento, e $\mu_s N$ é seu limite superior, não seu valor. Para um par dado de superfícies, $\mu_s$ geralmente é maior que $\mu_k$, razão pela qual é mais difícil iniciar o movimento de uma caixa pesada do que mantê-la em movimento.

Exemplo resolvido (atrito estático). Uma caixa de 20 kg repousa sobre um piso com coeficientes $\mu_s=0.50$ e $\mu_k=0.40$. Um trabalhador empurra horizontalmente com 60 N. O atrito estático máximo é $0.50(200)=100$ N, maior que 60 N, logo a caixa permanece parada e o atrito estático é exatamente 60 N, não 100 N. A caixa só começa a se mover acima de 100 N; uma vez deslizando, o atrito cai para $0.40(200)=80$ N.

Atrito em função da força horizontal aplicada à caixa de 20 kg: o atrito estático aumenta e se iguala à força aplicada, sendo de 60 N para uma força de 60 N, até o máximo de 100 N; quando a caixa desliza, o atrito cinético permanece em 80 N
O atrito estático se iguala à força aplicada até atingir seu limite de 100 N; depois disso, a caixa desliza e o atrito cai para 80 N

Exemplo resolvido. O mesmo bloco no mesmo $30^{\circ}$ inclinado, agora com $\mu_k=0.20$. Perpendicular à rampa: $N=mg\cos30^{\circ}$. Ao longo da rampa: $ma=mg\sin30^{\circ}-\mu_k mg\cos30^{\circ}$, então $a=g(\sin30^{\circ}-0.20\cos30^{\circ})=9.8(0.500-0.173)=3.2\ \text{m/s}^2$ — a massa se cancela novamente.

Exemplo resolvido (dois blocos em repouso). Bloco 1 (massa $M=2.0$ kg) está sobre uma mesa, ligado por uma corda sobre uma polia leve e sem atrito ao bloco 2 (massa $m=0.60$ kg) pendurado na borda. Qual é o menor coeficiente $\mu_s$ que os mantém em repouso?

  1. Em repouso, a tensão iguala o peso suspenso: $T=mg$.
  2. O bloco 1 permanece imóvel se o atrito estático puder atingir $T$: $\mu_s Mg\ge mg$.
  3. Logo $\mu_s\ge\dfrac{m}{M}=\dfrac{0.60}{2.0}=0.30$. A resposta não depende de $g$.

Encontrar $\mu_k$ a partir de um gráfico. No mesmo arranjo, alunos mantêm a massa total $M_{\text{tot}}$ fixa, mas transferem pequenas massas do bloco 1 para o suporte, de modo que a massa suspensa $m$ varia. A segunda lei de Newton para todo o sistema:

$$M_{\text{tot}}\,a=mg-\mu_k\left(M_{\text{tot}}-m\right)g\ \Rightarrow\ a=\frac{(1+\mu_k)g}{M_{\text{tot}}}\,m-\mu_k g.$$

Um gráfico de $a$ contra $m$ é uma linha reta. Seu intercepto vertical é $-\mu_k g$, logo $\mu_k=-\dfrac{\text{intercept}}{g}$. Se um intercepto de $-2.0\ \text{m/s}^2$ for lido, $\mu_k\approx0.20$. Se a polia tiver atrito real, os valores medidos de $a$ são muito pequenos, então este método dá um $\mu_k$ que é muito grande.

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.

Vocabulário Treinar
English Português
Friction/ˈfrɪkʃn/ Atrito
kinetic/kɪˈnetɪk/ Cinético
static/ˈstætɪk/ Estático
normal force/ˈnɔːml fɔːs/ força normal
Hooke's law/hʊks lɔː/ lei de Hooke
spring constant/sprɪŋ ˈkɒnstənt/ constante elástica da mola
resistive force/rɪˈzɪstɪv fɔːs/ força resistiva
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 variação de seu comprimento medida a partir de seu comprimento relaxado. Uma mola não ideal tem massa não desprezível ou exerce uma força que não é proporcional à variação de 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.

Objetivo de Aprendizagem 2.8.B: Descrever a constante elástica equivalente de uma combinação de molas exercendo forças sobre um objeto.

  • 2.8.B.1 Um conjunto de molas que exercem forças sobre um objeto pode se comportar como se fossem uma única mola com uma constante elástica equivalente $k_{\text{eq}}$.
    • 2.8.B.1.i O inverso da constante equivalente da mola de um conjunto de molas em série é igual à soma dos inversos das constantes individuais das molas.
      • Equação derivada: $\dfrac{1}{k_{\text{eq, series}}} = \sum_i \dfrac{1}{k_i} = \dfrac{1}{k_1} + \dfrac{1}{k_2} + \dots$
    • 2.8.B.1.ii A constante equivalente da mola de um conjunto de molas dispostas em série é menor que a menor constante individual da mola.
    • 2.8.B.1.iii A constante equivalente da mola de um conjunto de molas dispostas em paralelo é a soma das constantes individuais das molas.
      • Equação derivada: $k_{\text{eq, parallel}} = \sum_i k_i = k_1 + k_2 + \dots$

Declaração de limite: AP Physics C: Mecânica apenas espera que os alunos encontrem a constante elástica efetiva de sistemas de molas dispostos em série ou em paralelo e não espera que os alunos encontrem a constante elástica efetiva de um sistema em que as molas estão dispostas tanto em série quanto em paralelo.

Fonte: College Board AP Course and Exam Description

Lei de Hooke & limite elástico

Uma mola ideal tem massa desprezível e exerce uma força proporcional à variação de seu comprimento em relação ao comprimento de equilíbrio. (Uma mola real pode ter massa significativa ou deixar de obedecer à regra de proporcionalidade quando esticada demais.) Ela obedece à lei de Hooke $\vec F_s=-k\Delta\vec x$, sempre dirigida para o comprimento de equilíbrio da mola — uma força restauradora determinada pela constante elástica $k$. Sua energia armazenada é $U=\tfrac12 kx^2$.

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

Molas combinadas agem como uma única mola equivalente de constante $k_{\text{eq}}$. Em paralelo (lado a lado, compartilhando a carga), as constantes se somam, $k_{\text{eq}}=k_1+k_2$ — mais rígida que qualquer uma. Em série (ponta com ponta), combinam-se como $\dfrac{1}{k_{\text{eq}}}=\dfrac{1}{k_1}+\dfrac{1}{k_2}$ — mais macia que a mais macia. Duas molas puxando uma massa de lados opostos também agem em paralelo, dando uma constante restauradora $k_1+k_2$. Qualquer que seja o caso, o período de MHS usa $k_{\text{eq}}$: $T=2\pi\sqrt{m/k_{\text{eq}}}$.

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

Forças Resistivas

Programa

Objetivo de Aprendizagem 2.9.A: Descrever o movimento de um objeto sujeito a uma força resistente.

  • 2.9.A.1 Uma força resistente é definida como uma força dependente da velocidade na direção oposta à velocidade de um objeto, por exemplo:
    • Equação: $\vec{F}_r = -k\vec{v}$
  • 2.9.A.2 A aplicação da segunda lei de Newton a um objeto sobre o qual uma força resistente é exercida resulta em uma equação diferencial para a velocidade.
    • 2.9.A.2.i Usando o método de separação de variáveis, a velocidade pode ser determinada integrando sobre os limites próprios de integração.
    • 2.9.A.2.ii A aceleração ou posição de um objeto em movimento que está sujeito a uma força dependente da velocidade pode ser determinada usando condições iniciais do objeto e métodos de cálculo, uma vez determinada uma função para a velocidade.
    • 2.9.A.2.iii A posição, velocidade e aceleração como funções do tempo de um objeto sob a influência de uma força resistiva da forma $\vec{F}_r = -k\vec{v}$ são exponenciais e têm assíntotas determinadas pelas condições iniciais do objeto e pelas forças exercidas sobre o objeto.
  • 2.9.A.3 A velocidade terminal é definida como a velocidade máxima alcançada por um objeto em movimento sob a influência de uma força constante e uma força resistente que são exercidas sobre o objeto em direções opostas. A condição terminal é atingida quando a força líquida exercida sobre o objeto é zero.

Fonte: College Board AP Course and Exam Description

Uma força resistiva (arrasto) opõe-se ao movimento através de um fluido e aumenta com a velocidade, frequentemente modelada como $F=-bv$ ou $F=-cv^2$. A segunda lei de Newton então fornece uma equação diferencial, ex.: $m\dfrac{dv}{dt}=mg-bv$ para um objeto caindo. À medida que a velocidade aumenta, o arrasto cresce até equilibrar a força motriz; o objeto então para de acelerar e move-se a uma velocidade terminal constante, encontrada igualando a força líquida (e $dv/dt$) a zero.

Exemplo resolvido. Para um objeto caindo com $m\dfrac{dv}{dt}=mg-bv$, a velocidade terminal é quando $\dfrac{dv}{dt}=0$: $mg=bv_T$, então $v_T=\dfrac{mg}{b}$. Com $m=0.10\ \text{kg}$ e $b=0.50\ \text{kg/s}$, $v_T=\dfrac{0.10(9.8)}{0.50}=2.0\ \text{m/s}$.

Para obter o movimento completo $v(t)$, separe as variáveis e integre a partir do repouso:

$$\int_0^{v}\frac{dv'}{mg-bv'}=\int_0^{t}\frac{dt'}{m}\;\Rightarrow\;-\frac{1}{b}\ln\!\frac{mg-bv}{mg}=\frac{t}{m},$$
que se reorganiza em $v(t)=v_T\left(1-e^{-bt/m}\right)$ — a velocidade aumenta exponencialmente em direção a $v_T$. Mostrar essa integração é a habilidade de cálculo que uma resposta discursiva de Física C premia, não apenas citar a fórmula final.

Um objeto caindo através de um fluido acelera até uma velocidade terminal
Um objeto caindo através de um fluido acelera até uma velocidade terminal
Quedistas em queda livre: o arrasto cresce com a velocidade até equilibrar o peso na velocidade terminal
Quedistas em queda livre: o arrasto cresce com a velocidade até equilibrar o peso na velocidade terminal

Exemplo resolvido (uma questão de tradução entre representações). A segunda questão de resposta livre, Tradução entre Representações, pede que uma situação seja apresentada como diagrama, equação e gráfico e, em seguida, que sejam estabelecidas as relações entre eles. Um bloco de massa $m$ é empurrado de modo a deslizar com velocidade $v_0$ sobre uma superfície horizontal sem atrito e depois é solto em $t=0$. A resistência do ar $F=-bv$ é a única força horizontal.

(a) Desenhe um diagrama de corpo livre do bloco depois de solto. Três setas a partir de um ponto: o peso $mg$ para baixo, a força normal $F_N$ para cima (de mesmo comprimento) e a força de resistência $bv$ apontando no sentido oposto ao da velocidade. Não há força para a frente: depois de solto, nada empurra o bloco.

(b) Deduza uma expressão para $v(t)$. Segunda lei de Newton na direção do movimento:

$$m\frac{dv}{dt}=-bv\;\Rightarrow\;\int_{v_0}^{v}\frac{dv'}{v'}=-\frac{b}{m}\int_0^t dt'\;\Rightarrow\;\ln\frac{v}{v_0}=-\frac{bt}{m}\;\Rightarrow\;v=v_0\,e^{-bt/m}.$$

(c) Esboce $v$ em função de $t$. A curva começa em $v_0$, cai rapidamente no início e depois cada vez mais devagar, aproximando-se de zero sem nunca alcançá-lo.

Um gráfico de velocidade em função do tempo para um bloco desacelerado apenas pela resistência do ar: a velocidade cai a partir de v0 seguindo uma curva de decaimento exponencial que se aproxima de zero; uma tangente inicial tracejada encontra o eixo do tempo em tau = m/b, quando a velocidade na curva caiu para v0/e
A resistência do ar sozinha desacelera o bloco: a velocidade decai exponencialmente, mais rápido no início, e a tangente inicial encontra o eixo t na constante de tempo m/b

(d) Explique como o formato do seu gráfico decorre do seu diagrama de corpo livre. A inclinação do gráfico é a aceleração, $-\dfrac{bv}{m}$. A seta da resistência do ar é mais longa no início, quando $v$ é maior, então o gráfico é mais inclinado nesse ponto, com inclinação $-\dfrac{bv_0}{m}$. À medida que o bloco desacelera, a seta da resistência diminui, então a inclinação se torna menos acentuada: a curva fica mais plana. Como a resistência nunca é zero enquanto o bloco se move, mas se torna muito pequena, a velocidade continua caindo sem nunca chegar a zero em um tempo finito.

Integrar $v(t)$ de $0$ a $\infty$ fornece a distância total: o bloco percorre apenas uma distância finita, $\dfrac{mv_0}{b}$, embora sua velocidade nunca chegue exatamente a zero.

Explorar

Forças resistivas e velocidade terminal

À medida que um corpo em queda acelera, o arrasto aumenta até equilibrar o peso e o corpo para de acelerar.

Vocabulário Treinar
English Português
terminal velocity/ˈtɜːmɪnl vəˈlɒsɪti/ velocidade terminal
separate the variables/ˈseprət ðə ˈveərɪəblz/ Separar as variáveis
centripetal acceleration/senˈtrɪpɪtl əkˌseləˈreɪʃn/ aceleração centrípeta
2.10

Movimento Circular

Programa

Objetivo de Aprendizagem 2.10.A: Descrever o movimento de um objeto viajando em um caminho circular.

  • 2.10.A.1 A aceleração centrípeta é o componente da aceleração de um objeto dirigido para o centro do caminho circular do objeto.
    • 2.10.A.1.i A magnitude da aceleração centrípeta para um objeto movendo-se em um caminho circular é a razão entre o quadrado da velocidade tangencial do objeto ao raio do caminho circular.
      • Equação: $a_c = \dfrac{v^2}{r}$
    • 2.10.A.1.ii A aceleração centrípeta é dirigida para o centro do caminho circular de um objeto.
  • 2.10.A.2 A aceleração centrípeta pode resultar de uma única força, mais de uma força ou componentes de forças que são exercidas em um objeto em movimento circular.
    • 2.10.A.2.i No topo de uma volta circular vertical, um objeto requer uma velocidade mínima para manter o movimento circular. Neste ponto, e com esta velocidade mínima, a força gravitacional é a única força que causa a aceleração centrípeta.
      • Equação derivada: $v = \sqrt{gr}$
    • 2.10.A.2.ii Componentes da força de atrito estático e da força normal podem contribuir para a força líquida produzindo aceleração centrípeta de um objeto viajando em um círculo em uma superfície inclinada.
    • 2.10.A.2.iii Um componente da tensão contribui para a força líquida produzindo aceleração centrípeta experimentada por um pêndulo cônico.
  • 2.10.A.3 A aceleração tangencial é a taxa na qual a velocidade de um objeto muda e é dirigida tangente ao caminho circular do objeto.
  • 2.10.A.4 A aceleração líquida de um objeto movendo-se em um círculo é a soma vetorial da aceleração centrípeta e da aceleração tangencial.
  • 2.10.A.5 A revolução de um objeto viajando em um caminho circular a uma velocidade constante (movimento circular uniforme) pode ser descrita usando período e frequência.
    • 2.10.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, $T$.
    • 2.10.A.5.ii A taxa na qual um objeto está completando revoluções é definida como frequência, $f$.
      • Equação: $T = \dfrac{1}{f}$
    • 2.10.A.5.iii Para um objeto viajando a uma velocidade constante em um caminho circular, o período é dado pela equação derivada
      • Equação derivada: $T = \dfrac{2\pi r}{v}$

Objetivo de Aprendizagem 2.10.B: Descrever órbitas circulares usando a terceira lei de Kepler.

  • 2.10.B.1 Para um satélite em órbita circular ao redor 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 derivada: $T^2 = \dfrac{4\pi^2}{GM} R^3$

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

Fonte: College Board AP Course and Exam Description

Movimento circular uniforme

O movimento circular uniforme possui uma aceleração centrípeta $a_c=\dfrac{v^2}{r}$ apontando para o centro, exigindo uma força resultante para dentro $F_c=\dfrac{mv^2}{r}$ fornecida por uma força real (tração, gravidade, atrito, normal). Não há força para fora. A aceleração centrípeta pode provir de uma única força, de várias forças ou de componentes de forças. Em círculos verticais e curvas banquetadas, decomponha as forças reais para encontrar qual satisfaz o requisito centrípeto.

Exemplo resolvido. Uma bola de $0.50\ \text{kg}$ desliza sobre uma mesa horizontal sem atrito, presa a um fio de $1.0\ \text{m}$ fixado no centro da circunferência, com $3.0\ \text{m/s}$. A tensão no fio fornece toda a força centrípeta: $T=\dfrac{mv^2}{r}=\dfrac{0.50(3.0)^2}{1.0}=4.5\ \text{N}$.

Exemplo resolvido (círculo vertical). No topo de uma laço vertical de raio $r$, a gravidade e a força normal ambas apontam para o centro: $N+mg=\dfrac{mv^2}{r}$. A menor velocidade possível no topo é quando a pista empurra com nada ($N=0$): $v_{\min}=\sqrt{gr}$. Para $r=2.5\ \text{m}$: $v_{\min}=\sqrt{9.8(2.5)}=4.9\ \text{m/s}$. Qualquer velocidade menor e o carrinho deixa a pista antes do topo.

Se a velocidade também estiver mudando, há uma aceleração tangencial $a_t=\dfrac{dv}{dt}$ ao longo da trajetória. A aceleração total do objeto é a soma vetorial $\vec a=\vec a_c+\vec a_t$, com magnitude $\sqrt{a_c^2+a_t^2}$.

O movimento circular uniforme repete-se, sendo descrito por seu período $T$ (tempo para uma volta completa) e frequência $f=1/T$; a velocidade escalar é $v=\dfrac{2\pi r}{T}$.

Para um satélite em órbita circular, apenas a gravidade fornece a força centrípeta:

$$\frac{GMm}{r^2}=\frac{m(2\pi r/T)^2}{r}\quad\Rightarrow\quad T^2=\frac{4\pi^2}{GM}r^3.$$

Esta é a terceira lei de Kepler: o quadrado do período é proporcional ao cubo do raio da órbita, e a massa própria do satélite cancela.

Exemplo resolvido (órbita geoestacionária). Um satélite que permanece fixo sobre um ponto no equador precisa de $T=24$ h $=8.64\times10^4$ s. Com $GM=4.0\times10^{14}\ \text{m}^3/\text{s}^2$: $r^3=\dfrac{GMT^2}{4\pi^2}=\dfrac{4.0\times10^{14}(8.64\times10^4)^2}{39.5}=7.6\times10^{22}$, logo $r=4.2\times10^7$ m – cerca de 6.6 raios terrestres do centro da Terra.

A velocidade aponta ao longo da tangente; a força centrípeta aponta para o centro
A velocidade aponta ao longo da tangente; a força centrípeta aponta para o centro
Explorar

O que fornece a força centrípeta?

O movimento circular uniforme precisa de uma força líquida em direção ao centro. Associe cada caso à sua origem.

2.10

Prática

Responda antes de ler as respostas abaixo.

  1. Um bloco de $2.0$ kg é puxado sobre um piso por uma força horizontal de $20$ N; $\mu_k = 0.30$. Determine sua aceleração.
  2. Uma máquina de Atwood tem massas de $3.0$ kg e $5.0$ kg em uma polia leve e sem atrito. Determine a aceleração e a tensão.
  3. Um objeto de massa $m$ cai a partir do repouso com uma força de resistência $-bv$. Determine a velocidade terminal e deduza $v(t)$.
  4. Determine a maior velocidade com que um carro pode fazer uma curva plana de raio $50$ m se $\mu_s = 0.80$.
  5. A Terra puxa um livro para baixo com uma força de $10$ N. Qual é a força que forma o par da terceira lei de Newton com essa força?
  6. Um bloco desliza por um plano inclinado sem atrito de $30^\circ$. Determine sua aceleração.
2.10

Respostas

  1. $f = 0.30(2.0)(9.8) = 5.9$ N; $a = (20 - 5.9) \div 2.0 = 7.1$ m/s².
  2. $a = \dfrac{(5 - 3)(9.8)}{8} = 2.45$ m/s²; $T = 3(9.8 + 2.45) = 36.8$ N.
  3. Velocidade terminal quando $mg = bv$: $v_T = mg/b$. $m\dfrac{dv}{dt} = mg - bv$; separando as variáveis e integrando a partir de $v = 0$, obtém-se $v(t) = \dfrac{mg}{b}\left(1 - e^{-bt/m}\right)$.
  4. O atrito fornece a força centrípeta: $\mu_s mg = mv^2/r$, portanto $v = \sqrt{\mu_s g r} = \sqrt{0.80(9.8)(50)} = 19.8$ m/s.
  5. O livro puxa a Terra para cima com uma força de $10$ N. (A força normal sobre o livro não forma o par: ela atua sobre o mesmo objeto e é um tipo diferente de força.)
  6. $a = g\sin 30^\circ = 4.9$ m/s².
2.10

Dicas de prova

  • Localize o centro de massa com $x_{cm}=\tfrac{1}{M}\int x\,dm$ (ou $\tfrac{\sum m_i x_i}{\sum m_i}$ para massas pontuais) e use $\lambda,\sigma,\rho$ para o elemento de massa.
  • A força externa resultante move o centro de massa como se toda a massa estivesse lá: $\vec F_{net}=M\vec a_{cm}$.
  • Defina seu sistema claramente — forças internas se cancelam, então apenas forças externas alteram seu momento.
  • Explore simetria para encurtar uma integral de centro de massa.
  • Distinga centro de massa de centro de gravidade (idênticos em um campo uniforme).

Erros comuns

  • Escrever $N = mg$ em toda superfície. Num rampa $N = mg\cos\theta$ (se nada mais empurrar), e num elevador acelerando para cima com $a$, a normal resulta em $N = m(g + a)$.
  • Usar $f_s = \mu_s N$ como o atrito estático. $\mu_s N$ é apenas o máximo; o atrito estático assume qualquer valor necessário ao equilíbrio, até esse limite.
  • Desenhar uma “força centrípeta” ou uma “força centrífuga” em um diagrama de corpo livre. Desenhe apenas forças reais; a componente resultante delas para o centro é igual a $mv^2/r$.
  • Esquecer que tanto $N$ quanto $mg$ apontam para o centro no topo de uma volta vertical: ambas contribuem para a resultante centripeta $N + mg = mv^2/r$.
  • Citar $v(t) = v_T(1 - e^{-bt/m})$ sem separar as variáveis quando uma demonstração é solicitada.

Aulas interativas sobre este tópico

Passe por ele passo a passo, com exercícios de verificação instantânea.

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