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Mecânica e Materiais

Pearson Edexcel · International A-Level · Physics · Tópico 1

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22:35

Unidade 1: Mecânica e Materiais

Comece pela situação física, não por uma busca de fórmulas. A unidade um conecta descrições do movimento com causas, depois usa momento e energia para explicar…

Narração em inglês · Legendas em inglês + 中文 gravadas

1.1

O que esta unidade cobre

Edexcel IAL Física Unidade 1 (prova WPH11) é Mecânica e Materiais: como as coisas se movem, o que as forças fazem, como o momento e a energia se comportam, e como os materiais sólidos e líquidos respondem às forças.

  • A prova dura 1 hora 30 minutos, vale 80 pontos, todas as questões são obrigatórias. Mistura múltipla escolha, respostas curtas, cálculos e uma ou duas respostas de redação estendida marcadas com asterisco (*).
  • Pelo menos 32 dos 80 pontos testam matemática de Nível-2: leitura de gráficos, rearranjo de equações, trigonometria e áreas.
  • A lista de fórmulas é impressa no final da prova. Aprenda o significado de cada símbolo e quando cada equação pode ser usada — a lista fornece fórmulas, não compreensão.
  • Use $g = 9.81\ \text{m s}^{-2}$. A prova exige esse valor; usar $g = 10$ pode causar perda de pontos de precisão. Forneça respostas finais com uma unidade e um número razoável de algarismos significativos (geralmente 2–3, correspondendo aos dados).

Um velocímetro mostra a velocidade em um instante; uma viagem ainda pode esconder paradas e acelerações. Esta unidade substitui um único número por uma visão completa: gráficos, vetores, forças, momento, energia e resistência dos materiais.

1.1

Movimento: grandezas e gráficos

Programa

Edexcel IAL Física Unidade 1 (WPH11), especificação Issue 3 (julho 2021), enunciados 1–3 e 11 (prática central 1; numerados entre os enunciados de força na especificação, ensinados aqui com o movimento).

  1. ser capaz de usar as equações para movimento uniformemente acelerado em uma dimensão: s = (u+v)t/2, v = u + at, s = ut + ½at², v² = u² + 2as
  2. ser capaz de desenhar e interpretar gráficos de deslocamento-tempo, velocidade-tempo e aceleração-tempo
  3. conhecer as grandezas físicas derivadas das inclinações e áreas de gráficos de deslocamento-tempo, velocidade-tempo e aceleração-tempo, incluindo casos de aceleração não uniforme, e entender como usar essas grandezas
  4. PRÁTICA CENTRAL 1: Determinar a aceleração de um objeto em queda livre

Fonte: Programa Cambridge International

  • deslocamento — variação de posição em linha reta, com direção (um vetor). distância — o comprimento total do caminho percorrido (uma grandeza escalar, sem direção).
  • velocidade — taxa de variação do deslocamento. rapidez — taxa de variação da distância.
  • aceleração — taxa de variação da velocidade: $a = \dfrac{\Delta v}{\Delta t}$, unidade $\text{m s}^{-2}$.

Como o deslocamento é a linha reta do início ao fim, um trajeto curvo sempre resulta em distância > módulo do deslocamento — o avaliador pede exatamente essa comparação.

Lendo gráficos de movimento

  • Em um gráfico de deslocamento-tempo, a inclinação é a velocidade. Uma linha curva indica velocidade variável; calcule a inclinação de uma tangente no ponto.
  • Em um gráfico de velocidade-tempo, a inclinação é a aceleração, e a área entre a linha e o eixo temporal é o deslocamento. Área abaixo do eixo representa deslocamento negativo (movimento para trás); a distância soma os valores absolutos de todas as áreas.
  • Em um gráfico de aceleração-tempo, a área sob a linha é a variação de velocidade.
  • Aceleração constante diferente de zero transforma um gráfico de deslocamento-tempo em uma parábola; uma linha reta nesse gráfico significa aceleração nula.
Um gráfico velocidade-tempo ascendente de 1.8 m/s em t = 4 s até 5.0 m/s em t = 16 s, depois constante. A seta de inclinação marca a aceleração; a área sombreada entre 4 s e 16 s marca o deslocamento

Exemplo resolvido (estilo junho 2025). Uma linha de velocidade-tempo sobe retilineamente de $1.8\ \text{m s}^{-1}$ em $t = 4\ \text{s}$ até $5.0\ \text{m s}^{-1}$ em $t = 16\ \text{s}$.

  • Dados conhecidos: dois pares de $(t, v)$ na parte retilínea. Motivo: a aceleração é a inclinação de um gráfico de velocidade-tempo.
    $$a = \frac{\Delta v}{\Delta t}$$
    $$a = \frac{5.0\ \text{m s}^{-1} - 1.8\ \text{m s}^{-1}}{16\ \text{s} - 4\ \text{s}} = \frac{3.2\ \text{m s}^{-1}}{12\ \text{s}} = 0.27\ \text{m s}^{-2}$$
  • Verificação: a linha sobe suavemente, logo uma pequena aceleração é plausível.

As quatro equações suvat

Para aceleração uniforme (aceleração constante) em uma dimensão, com $s$ deslocamento, $u$ velocidade inicial, $v$ velocidade final, $a$ aceleração, $t$ tempo:

$$v = u + at \qquad s = \frac{(u+v)t}{2} \qquad s = ut + \tfrac{1}{2}at^2 \qquad v^2 = u^2 + 2as$$
  • Escolha a equação que contenha suas quantidades conhecidas e aquela que deseja encontrar — e nada que você não sabe. Sem $t$? Use $v^2 = u^2 + 2as$. Sem $a$? Use $s = \tfrac{(u+v)}{2}t$.
  • Estas equações são válidas apenas enquanto a aceleração é constante. Um gráfico de velocidade-tempo curvo indica aceleração variável; um gráfico de posição-tempo curvo ainda pode representar aceleração constante.
  • Queda livre é aceleração uniforme com $a = g = 9.81\ \text{m s}^{-2}$ para baixo (resistência do ar desprezível).

Exemplo resolvido (deduzir e comparar, junho 2025 Q13). Uma bola de basquete é lançada de $1.7\ \text{m}$ acima do chão com velocidade vertical inicial $5.1\ \text{m s}^{-1}$ para cima, e entra no aro movendo-se para baixo em $2.1\ \text{m s}^{-1}$. O aro está $3.0\ \text{m}$ acima do chão?

  • Dados: $u = +5.1\ \text{m s}^{-1}$, $v = -2.1\ \text{m s}^{-1}$ (para baixo é negativo), $a = -9.81\ \text{m s}^{-2}$. Desejado: o aumento $\Delta s$. Sem tempo dado, use $v^2 = u^2 + 2a\Delta s$.
    $$v^2 = u^2 + 2a\Delta s \quad\Rightarrow\quad \Delta s = \frac{v^2 - u^2}{2a}$$
    $$\Delta s = \frac{(-2.1\ \text{m s}^{-1})^2 - (5.1\ \text{m s}^{-1})^2}{2 \times (-9.81\ \text{m s}^{-2})} = \frac{4.41 - 26.01}{-19.62}\ \text{m} = 1.1\ \text{m}$$
  • Altura do aro $= 1.7\ \text{m} + 1.1\ \text{m} = 2.8\ \text{m} \neq 3.0\ \text{m}$, logo o aro não estava na altura regulamentar. Em questões "deduzir se", o último ponto só é atribuído quando a comparação e a conclusão são declaradas.

Prática central 1: medindo $g$

Deixe cair um objeto e meça-o: com uma barreira fotoelétrica ou vídeo de taxa de quadros conhecida, obtenha $s$ e $t$ (ou velocidades em dois pontos) e use uma equação suvat. Mais limpo: plotar $s$ contra $t^2$ para $s = \tfrac{1}{2}gt^2$ — uma linha reta pela origem com inclinação $g/2$. Uma linha reta que não passa pela origem revela um desvio sistemático, por exemplo, um erro fixo na distância medida. Um atraso de temporização também pode distorcer a relação; a temporização automática reduz erros de tempo de reação. Em uma fotografia estroboscópica, o objeto se move durante cada flash. Um flash mais curto produz uma imagem mais nítida e uma menor faixa de posições possíveis, reduzindo a incerteza na leitura da distância se a escala e a resolução da imagem permanecem inalteradas.

Vocabulário Treinar
English Português
scalar/ˈskeɪlə/ escalar
velocity/vəˈlɒsɪti/ velocidade
speed/spiːd/ velocidade
acceleration/əkˌseləˈreɪʃn/ aceleração
gradient/ˈɡreɪdɪənt/ declive
tangent/ˈtændʒənt/ tangente
area/ˈeərɪə/ área
parabola/pəˈræbələ/ parábola
uniform acceleration/ˈjuːnɪfɔːm əkˌseləˈreɪʃn/ aceleração uniforme
negligible/ˈneɡlɪdʒəbl/ desprezível
light gate/laɪt ɡeɪt/ barreira fotossênica
systematic offset/ˌsɪstəˈmætɪk ˈɒfset/ deslocamento sistemático
uniform/ˈjuːnɪfɔːm/ uniforme
work/wɜːk/ trabalho
kinetic energy/kɪˈnetɪk ˈenədʒi/ energia cinética
gravitational potential energy/ˌɡrævɪˈteɪʃənl pəˈtenʃl ˈenədʒi/ energia potencial gravitacional
conservation of energy/ˌkɒnsəˈveɪʃn ɒv ˈenədʒi/ conservação de energia
1.2

Grandezas escalares, vetoriais e movimento de projéteis

Programa

Edexcel IAL Física Unidade 1 (WPH11), especificação Issue 3 (julho 2021), enunciados 4–7.

  1. compreender grandezas escalares e vetoriais e saber exemplos de cada tipo de grandeza e reconhecer notação vetorial
  2. ser capaz de decompor um vetor em duas componentes perpendiculares entre si por desenho e por cálculo
  3. ser capaz de encontrar a resultante de dois vetores coplanares em qualquer ângulo entre si por desenho, e em ângulos retos entre si por cálculo
  4. compreender como utilizar a independência do movimento vertical e horizontal de um projétil em movimento livre sob gravidade

Fonte: Programa Cambridge International

Um vetor tem magnitude e direção (deslocamento, velocidade, aceleração, força, momento); um escalar tem apenas magnitude (distância, rapidez, trabalho, energia). A notação vetorial no papel é uma seta sobre o símbolo, $\vec{F}$.

Decomposição e combinação

  • Decompor divide um vetor em duas componentes perpendiculares: a componente de força $F$ num ângulo $\theta$ numa direção é $F\cos\theta$ se $\theta$ for medido a partir dessa direção, $F\sin\theta$ a partir da perpendicular. Escolha desenhando o triângulo retângulo, não por hábito.
  • Combinar duas componentes perpendiculares reconstrói o vetor: magnitude $R = \sqrt{F_x^2 + F_y^2}$, direção obtida de $\tan\theta = F_y / F_x$.
  • Combine antes de elevar ao quadrado. A resultante de $500\ \text{N}$ e $200\ \text{N}$ em ângulo reto é $\sqrt{500^2 + 200^2}\ \text{N}$, não $\sqrt{500^2} + \sqrt{200^2}$.
  • Em qualquer ângulo, some vetores desenhando um diagrama em escala (um triângulo de vetores, ponta a cauda) ou decompondo cada vetor em componentes primeiro. Em equilíbrio, o triângulo de vetores fecha-se: $\vec{W} + \vec{T_1} + \vec{T_2} = 0$.

Exemplo resolvido. Uma caixa repousa numa rampa com ângulo $\theta$ em relação à horizontal, peso $W$ atuando verticalmente para baixo.

Uma caixa numa rampa com seu peso W apontando verticalmente para baixo, dividido em W sin θ ao longo da inclinação e W cos θ perpendicular à rampa; o ângulo θ está marcado na base da rampa
  • Por quê: a direção de deslizamento é ao longo da rampa, então decomponha $W$ em componentes paralelas e perpendiculares à rampa.
    $$W_{\text{along}} = W\sin\theta \qquad W_{\text{perp}} = W\cos\theta$$
  • A velocidade constante implica força resultante zero, logo o atrito $F = W\sin\theta$ exatamente. ($W\cos\theta$ atua perpendicularmente à rampa e é equilibrado pela força normal de contato.)

Movimento de projéteis

Um projétil em movimento livre sob gravidade representa dois movimentos independentes: velocidade horizontal constante (sem força horizontal), velocidade vertical variando sob $g$.

  • O tempo de queda depende apenas do movimento vertical. Duas bolas abandonando uma mesa em velocidades diferentes — ou com massas distintas — aterrissam após o mesmo tempo: massa e velocidade horizontal não aparecem em $s = ut + \tfrac{1}{2}gt^2$.
  • Método: decompor a velocidade de lançamento em $u_h = u\cos\theta$ e $u_v = u\sin\theta$; aplicar as equações suvat separadamente para cada direção; o tempo conecta as duas.
Trajetória parabólica de um projétil: a velocidade de lançamento u no ângulo θ é decomposta em componente horizontal u cos θ e componente vertical u sin θ; no ponto mais alto, a velocidade vertical é zero

Exemplo resolvido (Janeiro 2025 Q19). Um projétil é lançado a $500\ \text{m s}^{-1}$, $22^\circ$ acima da horizontal, de $2.0\ \text{km}$ acima do mar. Mostre que passa sobre um navio a $15\ \text{km}$ de distância após aproximadamente $30\ \text{s}$.

  • Dados conhecidos: $u$, $\theta$, distância horizontal $s_h$. O movimento horizontal tem $a = 0$, portanto use $s_h = u_h t$.
    $$u_h = u\cos\theta = 500\ \text{m s}^{-1} \times \cos 22^\circ = 464\ \text{m s}^{-1}$$
    $$s_h = u_h t \quad\Rightarrow\quad t = \frac{s_h}{u_h} = \frac{15\,000\ \text{m}}{464\ \text{m s}^{-1}} = 32\ \text{s} \approx 30\ \text{s}$$
  • A altura vertical nesse instante usa $s_v = u_v t - \tfrac{1}{2}gt^2$ com $u_v = u\sin\theta = 187\ \text{m s}^{-1}$:
    $$s_v = 187\ \text{m s}^{-1} \times 32\ \text{s} - \tfrac{1}{2} \times 9.81\ \text{m s}^{-2} \times (32\ \text{s})^2 = 5\,984\ \text{m} - 5\,023\ \text{m} = 961\ \text{m}$$
    $$h = 2.0\ \text{km} + 0.96\ \text{km} = 3.0\ \text{km above sea level}$$
  • Por que existe um alcance máximo: aumentar o ângulo de lançamento aumenta $u_v$ (mais tempo no ar) mas reduz $u_h$; o alcance $= u_h \times t$ atinge seu pico entre esses dois efeitos.
Vocabulário Treinar
English Português
perpendicular/ˌpɜːpənˈdɪkjʊlə/ perpendicular
scale diagram/skeɪl ˈdaɪəɡræm/ diagrama em escala
equilibrium/ˌiːkwɪˈlɪbrɪəm/ equilíbrio
projectile/prəˈdʒektaɪl/ projétil
free-body diagram/friː ˈbɒdi ˈdaɪəɡræm/ diagrama de corpo livre
centre of gravity/ˈsentə ɒv ˈɡrævɪti/ centro de gravidade
Newton's first law/ˈnjuːtnz fɜːst lɔː/ primeira lei de Newton
Newton's second law/ˈnjuːtnz ˈsekənd lɔː/ segunda lei de Newton
Newton's third law/ˈnjuːtnz θɜːd lɔː/ terceira lei de Newton
weight/weɪt/ peso
gravitational field strength/ˌɡrævɪˈteɪʃənl fiːld streŋθ/ intensidade do campo gravitacional
terminal velocity/ˈtɜːmɪnl vəˈlɒsɪti/ velocidade terminal
drag/dræɡ/ resistência
conservation of linear momentum/ˌkɒnsəˈveɪʃn ɒv ˈlɪnɪə məʊˈmentəm/ conservação do momento linear
isolated system/ˈaɪsəleɪtɪd ˈsɪstəm/ sistema isolado
moment of a force/ˈməʊmənt əvə fɔːs/ momento de uma força
1.3

Forças e Leis de Newton

Programa

Edexcel IAL Física Unidade 1 (WPH11), especificação Issue 3 (julho 2021), enunciados 8–10 e 12 (enunciado 11, prática central 1, é ensinado na folha 1.1 com movimento).

  1. ser capaz de desenhar e interpretar diagramas de forças livres para representar forças em uma partícula ou em um corpo estendido mas rígido usando o conceito de centro de gravidade de um corpo estendido
  2. ser capaz de usar a equação ΣF = ma, e compreender como utilizá-la em situações onde m é constante (segunda lei do movimento de Newton), incluindo a primeira lei do movimento de Newton onde a = 0, objetos em repouso ou se movendo com velocidade constante; o uso do termo velocidade terminal é esperado
  3. ser capaz de usar as equações para intensidade do campo gravitacional g = F/m e peso W = mg
  4. saber e compreender a terceira lei do movimento de Newton e conhecer as propriedades dos pares de forças em uma interação entre dois corpos

Fonte: Programa Cambridge International

  • Um diagrama de corpo livre mostra apenas as forças atuando sobre o objeto escolhido — nunca as forças que o objeto aplica em outros corpos. Em um corpo estendido, o peso atua no centro de gravidade.
  • Primeira Lei de Newton: força resultante nula significa nenhuma mudança no movimento — em repouso ou movendo-se com velocidade constante. Velocidade constante não significa "sem forças"; significa forças equilibradas.
  • Segunda Lei de Newton: $\sum F = ma$. A força resultante causa a aceleração; liste todas as forças, escolha uma direção positiva e aplique.
  • Terceira Lei de Newton: quando o corpo A exerce uma força sobre o corpo B, B exerce uma força igual e oposta sobre A. O par age em corpos diferentes, é do mesmo tipo de força e atua ao longo da mesma linha. O peso de um livro e a força normal de contato da mesa não formam um par da terceira lei: elas atuam no mesmo corpo.
  • peso $W = mg$; intensidade do campo gravitacional $g = \dfrac{F}{m}$, logo $g = 9.81\ \text{N kg}^{-1}$.
  • Velocidade terminal: à medida que um objeto em queda ganha velocidade, o arrasto aumenta até que o arrasto (+ empuxo) iguale o peso; a força resultante torna-se zero e a velocidade deixa de mudar. "Terminal" descreve o equilíbrio de forças, não um limite de velocidade impresso na natureza.

Exemplo resolvido (Junho 2025 Q11). Uma força resultante de $4800\ \text{N}$ acelera um barco a $0.31\ \text{m s}^{-2}$. Encontre o peso do barco.

  • Dados conhecidos: $\sum F$, $a$. Motivo: $\sum F = ma$ os conecta à massa; $W = mg$ conecta a massa ao peso.
    $$\sum F = ma \quad\Rightarrow\quad m = \frac{\sum F}{a} = \frac{4800\ \text{N}}{0.31\ \text{m s}^{-2}} = 15\,500\ \text{kg}$$
    $$W = mg = 15\,500\ \text{kg} \times 9.81\ \text{N kg}^{-1} = 1.5 \times 10^{5}\ \text{N}$$
  • Verificação: a resposta exige duas equações encadeadas; a unidade é newtons, não quilogramas.
1.4

Momento linear

Programa

Edexcel IAL Física Unidade 1 (WPH11), especificação Issue 3 (julho 2021), enunciados 13–14.

  1. compreender que o momento linear é definido como p = mv
  2. conhecer o princípio da conservação do momento linear, compreender como relacioná-lo às leis do movimento de Newton e compreender como aplicá-lo a problemas em uma dimensão

Fonte: Programa Cambridge International

  • quantidade de movimento $p = mv$, um vetor, unidade $\text{kg m s}^{-1}$.
  • Conservação da quantidade de movimento linear: quando a força externa resultante é zero (ou seu impulso durante uma interação curta é desprezível), a quantidade de movimento total antes de um evento é igual à quantidade de movimento total depois. Atribua sinais às velocidades: escolha uma direção como positiva e mantenha-a.
  • A conservação da quantidade de movimento decorre das segunda e terceira leis de Newton: as forças entre os dois corpos são iguais e opostas, atuam pelo mesmo tempo, portanto as variações de quantidade de movimento são iguais e opostas.
  • A energia cinética não precisa ser conservada em uma colisão; o momento linear sempre é (em um sistema isolado).

Exemplo resolvido (Junho 2025 Q10). Um trem de massa $3m$ à velocidade $v$ encontra um caminhão de massa $m$ à velocidade $2v$ em sentido oposto; eles acoplam. Encontre a nova velocidade.

  • Dados: massas e velocidades em direções opostas. Por quê: um par isolado, então conserve o momento com sinais. Considere a direção do trem como positiva.
    $$p_{\text{before}} = p_{\text{after}}$$
    $$3m \times v + m \times (-2v) = (3m + m)\,V$$
    $$mv = 4mV \quad\Rightarrow\quad V = \frac{v}{4}$$
  • Verificação: os momentos quase se cancelam, então uma pequena velocidade combinada na direção do trem faz sentido.
1.5

Momentos e equilíbrio

Programa

Edexcel IAL Física Unidade 1 (WPH11), especificação Issue 3 (julho 2021), enunciados 15–16.

  1. ser capaz de usar a equação para o momento de uma força, momento de força = Fx, onde x é a distância perpendicular entre a linha de ação da força e o eixo de rotação
  2. ser capaz de usar o conceito de centro de gravidade de um corpo estendido e aplicar o princípio dos momentos a um corpo estendido em equilíbrio

Fonte: Programa Cambridge International

  • O momento de uma força em relação a um pivô é $\text{moment} = Fx$, onde $x$ é a distância perpendicular do pivô à linha de ação da força. Se a força atua no braço de alavanca sob um ângulo $\theta$, use a componente perpendicular $F\sin\theta$ ou a distância perpendicular — nunca ambas.
  • Princípio dos momentos: em equilíbrio, o momento total horário = momento total anti-horário (o momento resultante é zero).
  • Equilíbrio completo exige ambos: força resultante zero e momento resultante zero. Uma gangorra com crianças iguais em distâncias iguais tem ambos; as mesmas crianças em distâncias desiguais ainda equilibram forças, mas não momentos.
  • Para uma viga uniforme, o peso atua em seu centro.

Exemplo resolvido (Junho 2025 Q19). Um trilho uniforme, comprimento $1.40\ \text{m}$, peso $95\ \text{N}$, está inclinado a $42^\circ$ em relação à horizontal, pivotado em uma extremidade. Um pistão empurra com $160\ \text{N}$ sob $18^\circ$ em relação ao trilho, a $0.37\ \text{m}$ do pivô. Qual força perpendicular $F$ na extremidade da manivela levanta o trilho?

Diagrama Original Junho 2025 WPH11 Q19(b)(i): o trilho está inclinado a 42 graus em relação à horizontal, com o pistão atuando sob 18 graus em relação ao trilho.
  • Dados: geometria, ambas as forças, ambos os ângulos. Por quê: apenas levantar significa equilíbrio no pivô, então aplique o princípio dos momentos com componentes perpendiculares.
    $$\text{moment of piston} = (160\ \text{N} \times \sin 18^\circ) \times 0.37\ \text{m} = 18.3\ \text{N m}$$
    $$\text{moment of weight} = (95\ \text{N} \times \cos 42^\circ) \times 0.70\ \text{m} = 49.4\ \text{N m}$$
    $$18.3\ \text{N m} + F \times 1.40\ \text{m} = 49.4\ \text{N m} \quad\Rightarrow\quad F = \frac{49.4\ \text{N m} - 18.3\ \text{N m}}{1.40\ \text{m}} = 22\ \text{N}$$
  • Puxar verticalmente na manivela: sua distância perpendicular ao pivô é menor que o comprimento do trilho, exigindo uma força maior para o mesmo momento.
Vocabulário Treinar
English Português
pivot/ˈpɪvət/ pivô
perpendicular distance/ˌpɜːpənˈdɪkjʊlə ˈdɪstəns/ distância perpendicular
principle of moments/ˈprɪnsɪpl ɒv ˈməʊmənts/ princípio dos momentos
1.6

Trabalho, energia, potência e eficiência

Programa

Edexcel IAL Física Unidade 1 (WPH11), especificação Issue 3 (julho 2021), enunciados 17–22.

  1. ser capaz de usar a equação para trabalho ΔW = FΔs, incluindo cálculos quando a força não está ao longo da linha de movimento
  2. ser capaz de usar a equação Ek = ½mv² para a energia cinética de um corpo
  3. ser capaz de usar a equação ΔEgrav = mgΔh para a diferença de energia potencial gravitacional perto da superfície da Terra
  4. saber e compreender como aplicar o princípio da conservação de energia, incluindo o uso de trabalho realizado, energia potencial gravitacional e energia cinética
  5. ser capaz de usar as equações que relacionam potência, tempo e energia transferida ou trabalho realizado P = E/t e P = W/t
  6. conseguir usar as equações eficiência = energia útil de saída / energia total de entrada e eficiência = potência útil de saída / potência total de entrada

Fonte: Programa Cambridge International

  • trabalho $\Delta W = F\Delta s$ quando a força age ao longo do movimento; se a força está sob um ângulo $\theta$ em relação ao movimento, apenas a componente ao longo do movimento realiza trabalho: $\Delta W = F\Delta s\cos\theta$.
  • energia cinética $E_k = \tfrac{1}{2}mv^2$ — dobrar a velocidade quadruplica a energia.
  • energia potencial gravitacional $\Delta E_{\text{grav}} = mg\Delta h$ próximo à superfície da Terra.
  • Conservação de energia: a energia é transferida ou transformada, nunca criada nem destruída. Em uma queda com resistência, $\Delta E_{\text{grav}}$ torna-se $E_k$ mais trabalho feito contra a resistência do ar; na velocidade terminal, $E_k$ é constante, portanto toda a $\Delta E_{\text{grav}}$ vai para trabalho contra a arrasto.
  • potência $P = \dfrac{E}{t} = \dfrac{W}{t}$ — energia transferida por unidade de tempo.
  • eficiência $= \dfrac{\text{useful energy output}}{\text{total energy input}} = \dfrac{\text{useful power output}}{\text{total power input}}$.

Exemplo resolvido (Junho 2025 Q14). Um carro elétrico de $1800\ \text{kg}$ a $14\ \text{m s}^{-1}$ freia até parar numa encosta, ganhando $0.76\ \text{m}$ de altura; a bateria ganha $45\ \text{kJ}$. Encontre a eficiência dos freios.

  • Conhecido: $m$, $v$, $\Delta h$, ganho da bateria. Por quê: a entrada total é a energia removida pelos freios — energia cinética perdida menos a energia gravitacional que o carro retém ao terminar mais alto.
    $$E_k = \tfrac{1}{2}mv^2 = \tfrac{1}{2} \times 1800\ \text{kg} \times (14\ \text{m s}^{-1})^2 = 1.76 \times 10^{5}\ \text{J}$$
    $$\Delta E_{\text{grav}} = mg\Delta h = 1800\ \text{kg} \times 9.81\ \text{N kg}^{-1} \times 0.76\ \text{m} = 1.34 \times 10^{4}\ \text{J}$$
    $$\text{efficiency} = \frac{\text{useful output}}{\text{total input}} = \frac{45 \times 10^{3}\ \text{J}}{1.76 \times 10^{5}\ \text{J} - 1.34 \times 10^{4}\ \text{J}} = 0.28$$
  • Verifique: $0.28 < 1$ — necessário. O erro comum é dividir apenas por $E_k$ e esquecer o ganho de altura.
Vocabulário Treinar
English Português
Mechanics and Materials/mɪˈkænɪks ænd məˈtɪərɪəlz/ Mecânica e Materiais
asterisk/ˈæstərɪsk/ asterisco
trigonometry/ˌtrɪɡəˈnɒmətri/ trigonometria
unit/ˈjuːnɪt/ unidade
significant figures/sɪɡˈnɪfɪkənt ˈfɪɡəz/ algarismos significativos
vectors/ˈvektəz/ vetores
forces/ˈfɔːsɪz/ forças
momentum/məʊˈmentəm/ quantidade de movimento
energy/ˈenədʒi/ energia
materials/məˈtɪərɪəlz/ materiais
displacement/dɪˈspleɪsmənt/ deslocamento
distance/ˈdɪstəns/ distância
power/ˈpaʊə/ potência
efficiency/ɪˈfɪʃənsi/ eficiência
density/ˈdensɪti/ densidade
upthrust/ˈʌpθrʌst/ empuxo
fluid displaced/ˈfluːɪd dɪˈspleɪst/ fluido deslocado
Stokes' law/stəʊks lɔː/ lei de Stokes
laminar flow/ˈlæmɪnɑː fləʊ/ fluxo laminar
viscosity/vɪˈskɒsɪti/ viscosidade
turbulence/ˈtɜːbjʊləns/ turbulência
Hooke's law/hʊks lɔː/ lei de Hooke
stiffness/ˈstɪfnəs/ rigidez
spring constant/sprɪŋ ˈkɒnstənt/ constante da mola
1.7

Materiais: densidade, empuxo e arrasto viscoso

Programa

Edexcel IAL Física Unidade 1 (WPH11), especificação Issue 3 (julho 2021), enunciados 23–26.

  1. conseguir usar a equação densidade ρ = m/V
  2. compreender como usar a relação empuxo = peso do fluido deslocado
  3. a) conseguir usar a equação para arrasto viscoso (lei de Stokes) F = 6πηrv; b) compreender que esta equação aplica-se apenas a pequenos objetos esféricos movendo-se em baixas velocidades com fluxo laminar (ou na ausência de fluxo turbulento) e que a viscosidade depende da temperatura
  4. PRÁTICA CENTRAL 2: Usar o método de queda de esfera para determinar a viscosidade de um líquido

Fonte: Programa Cambridge International

  • densidade $\rho = \dfrac{m}{V}$. Para uma esfera, $V = \tfrac{4}{3}\pi r^3$.
  • empuxo = peso do fluido deslocado — o peso deslocado, não seu volume ou massa.
  • Lei de Stokes: arrasto viscoso em pequena esfera a baixa velocidade em fluxo laminar é $F = 6\pi\eta rv$, com $\eta$ a viscosidade, $r$ o raio, $v$ a velocidade. É válida apenas para pequenas esferas movendo-se lentamente sem turbulência, e $\eta$ diminui à medida que o líquido aquece neste experimento; gases geralmente não seguem essa tendência.

Prática central 2: viscosidade pelo método da queda de bola

Deixe cair uma bolinha de metal num cilindro graduado com o líquido. Aguarde até que ela caia à velocidade terminal, depois meça o tempo sobre uma distância marcada. Na velocidade terminal, as forças se equilibram: peso = empuxo + arrasto, logo

$$6\pi\eta rv = \tfrac{4}{3}\pi r^3 (\rho_{\text{ball}} - \rho_{\text{oil}})\,g$$

Você precisa do raio e massa da bola (ou sua densidade), da densidade do óleo, da distância de queda e do tempo. Óleo quente tem menor viscosidade, então a bola cai mais rápido e o tempo medido é menor.

1.8

Materiais: sólidos esticáveis

Programa

Edexcel IAL Física Unidade 1 (WPH11), especificação Issue 3 (julho 2021), enunciados 27–32.

  1. conseguir usar a equação da lei de Hooke ΔF = kΔx, onde k é a rigidez do objeto
  2. compreender como usar as relações (tração ou compressão) tensão = força / área transversal, (tração ou compressão) deformação = variação de comprimento / comprimento original, e módulo de Young = tensão / deformação
  3. a) conseguir desenhar e interpretar gráficos de força-extensão e força-compressão; b) compreender os termos limite de proporcionalidade, limite elástico, ponto de escoamento, deformação elástica e deformação plástica e saber aplicá-los a esses gráficos
  4. conseguir desenhar e interpretar gráficos de tensão-deformação de tração ou compressão, e compreender o termo tensão de ruptura
  5. PRÁTICA CENTRAL 3: Determinar o módulo de Young de um material
  6. conseguir calcular a energia de deformação elástica Eel em uma amostra de material deformada, usando a equação ΔEel = ½FΔx, e pela área sob o gráfico de força-extensão; espera-se a estimativa de área e, consequentemente, variação de energia tanto para gráficos de força-extensão lineares quanto não-lineares

Fonte: Programa Cambridge International

  • Lei de Hooke: $\Delta F = k\,\Delta x$ enquanto o material comporta-se proporcionalmente; $k$ é a rigidez (constante elástica), a inclinação do gráfico força–extensão.
  • tensão $\sigma = \dfrac{F}{A}$ (unidade Pa), deformação $\varepsilon = \dfrac{\Delta x}{x}$ (sem unidade), módulo de Young $E = \dfrac{\sigma}{\varepsilon}$. Tensão e deformação descrevem o material; força e extensão descrevem a amostra.
  • Num gráfico força–extensão ou tensão–deformação: a parte reta termina no limite de proporcionalidade; além do limite elástico, a amostra não retorna ao comprimento original (deformação elástica = retorna; deformação plástica = permanece esticada); um material com ponto de escoamento distinto pode esticar substancialmente com pouco aumento de força no ponto de escoamento; outros materiais dúctis escorrem gradualmente. O ponto de escoamento marca o início do fluxo plástico substancial; a tensão de ruptura é a tensão na fratura.
  • energia de deformação elástica: $\Delta E_{\text{el}} = \tfrac{1}{2}F\Delta x$ para uma mola linear — a área sob o gráfico força–extensão. Para um gráfico não-linear, estime a área por quadrados. A área sob um gráfico de carregamento tensão–deformação é o trabalho realizado por unidade de volume, porque $\dfrac{F}{A} \times \dfrac{\Delta x}{x} = \dfrac{F\Delta x}{V}$. Na região elástica, isso é armazenado recuperavelmente como energia de deformação elástica; trabalho além do limite elástico nem todo é recuperável.
Curva tensão–deformação para material dúctil: subida reta até o limite de proporcionalidade, seguido pelo limite elástico e ponto de escoamento logo após, longa região plástica e ruptura marcada com um X. A inclinação da parte reta é o módulo de Young; a área sombreada sob a parte reta é a energia de deformação por unidade de volume

Exemplo resolvido (Junho 2025 Q17b). Uma corda de violino de comprimento original $0.750\ \text{m}$ e raio $0.85 \times 10^{-3}\ \text{m}$ estica para $0.752\ \text{m}$ sob $36\ \text{N}$. Encontre o módulo de Young.

  • Conhecido: $F$, $x$, $\Delta x$, $r$. Por quê: $E = \sigma/\varepsilon$ exige tensão e deformação; tensão requer a área da seção transversal.
    $$A = \pi r^2 = \pi \times (0.85 \times 10^{-3}\ \text{m})^2 = 2.27 \times 10^{-6}\ \text{m}^2$$
    $$\sigma = \frac{F}{A} = \frac{36\ \text{N}}{2.27 \times 10^{-6}\ \text{m}^2} = 1.59 \times 10^{7}\ \text{Pa} \qquad \varepsilon = \frac{\Delta x}{x} = \frac{0.002\ \text{m}}{0.750\ \text{m}} = 2.67 \times 10^{-3}$$
    $$E = \frac{\sigma}{\varepsilon} = \frac{1.59 \times 10^{7}\ \text{Pa}}{2.67 \times 10^{-3}} = 6.0 \times 10^{9}\ \text{Pa}$$
  • Verifique: o módulo de um fio metálico é $10^{9}$–$10^{12}\ \text{Pa}$; $6\ \text{GPa}$ está dentro da faixa.

Prática central 3: o módulo de Young de um fio

Pendure pesos conhecidos em um fio longo e meça a extensão com um marcador contra uma escala; mantenha o fio longo e as extensões pequenas para precisão, adicione cargas em etapas dentro da região proporcional e meça o diâmetro em vários lugares com um micrômetro. Então $E$ vem da inclinação da linha tensão-deformação, ou de $\sigma/\varepsilon$ ponto a ponto dentro da região proporcional.

Vocabulário Treinar
English Português
stress/stres/ tensão
strain/streɪn/ deformação
Young modulus/jʌŋ ˈmɒdjʊləs/ módulo de Young
limit of proportionality/ˈlɪmɪt ɒv prəˌpɔːʃəˈnælɪti/ limite de proporcionalidade
elastic limit/ɪˈlæstɪk ˈlɪmɪt/ limite elástico
elastic deformation/ɪˈlæstɪk ˌdiːfɔːˈmeɪʃn/ deformação elástica
plastic deformation/ˈplæstɪk ˌdiːfɔːˈmeɪʃn/ deformação plástica
yield point/jiːld pɔɪnt/ ponto de escoamento
breaking stress/ˈbreɪkɪŋ stres/ tensão de ruptura
elastic strain energy/ɪˈlæstɪk streɪn ˈenədʒi/ energia de deformação elástica
per unit volume/pɜː ˈjuːnɪt ˈvɒljuːm/ por unidade de volume
micrometer/maɪˈkrɒmɪtə/ paquímetro
1.8

Estratégias para WPH11

  • Mostre cada passo. O uso de $F = ma$ garante um ponto antes de qualquer número — escreva a equação em símbolos e substitua os valores.
  • Unidades e $g$. A falta de unidade geralmente anula o ponto final; $g = 10\ \text{m s}^{-2}$ pode perder pontos de precisão; questões "demonstre" exigem uma casa decimal a mais que o valor-alvo.
  • Palavras-chave: declare = resposta curta e precisa; calcule/determine = números com cálculos e unidade; deduza = cálculos mais conclusão comparativa; explique = razões físicas interligadas; descreva = o que acontece, em ordem sequencial.
  • Respostas marcadas com asterisco (*) avaliam raciocínio lógico além do conteúdo: organize os pontos e depois ligue-os.
  • A lista de fórmulas está no final — saiba onde encontrá-la para nunca memorizar o que se consulta em dois segundos.
1.8

Verifique você mesmo

  1. Em um gráfico velocidade-tempo, o que a inclinação e a área representam? — aceleração; deslocamento.
  2. Qual equação suvat calcula altura a partir de duas velocidades sem tempo? — $v^2 = u^2 + 2as$.
  3. A aceleração horizontal de um projétil em voo livre? — zero (apenas a gravidade atua verticalmente).
  4. Um livro repousa sobre uma mesa: seu peso e a força normal formam um par de ação-reação da Terceira Lei de Newton? — Não: atuam no mesmo corpo.
  5. Dois carris colidem e ficam presos. Qual quantidade é sempre conservada? — momento total (energia cinética não necessariamente).
  6. Uma força aplicada em ângulo a uma alavanca: qual distância entra no momento? — a distância perpendicular do pivô à linha de ação.
  7. Um carro freia subindo: qual é a energia de entrada para a eficiência? — a energia cinética perdida menos a energia potencial gravitacional ganha.
  8. Empuxo é igual ao peso do quê? — do fluido deslocado.
  9. A lei de Stokes exige quais três condições? — esfera pequena, baixa velocidade, fluxo laminar (e $\eta$ depende da temperatura).
  10. Em um gráfico tensão-deformação, qual é a inclinação da parte reta e qual é a área sob ela? — módulo de Young; energia de deformação elástica por unidade de volume.

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