Descrevendo e explicando o movimento
A Física começa com o movimento. Esta primeira seção constrói as ferramentas: gráficos que descrevem o movimento, equações que ligam velocidade, aceleração e distância, forças que causam toda mudança, e (P) momento e momentos que explicam zonas de amassamento e vigas equilibradas.
Física Edexcel International GCSE 4PH1, Seção 1 (afirmações 1.1–1.33P). As afirmações sufixadas com P são a extensão de ciência separada, avaliadas na Prova 2P; unidades a aprender incluem newton (N) e, (P), newton metro e kg m/s.
Movimento e posição
Velocidade média = distância percorrida ÷ tempo gasto. Num gráfico de distância–tempo, a inclinação é a velocidade: uma linha reta inclinada é velocidade constante, uma curva é aceleração, uma linha plana é repouso. Aceleração é a variação de velocidade por segundo:
Num gráfico de velocidade–tempo, a inclinação é a aceleração e a área entre a linha e o eixo temporal é a distância percorrida.
Verificação resolvida. Um carro acelera de 4 m/s para 16 m/s em 6 s: $a = (16 - 4)/6 = 2\ \mathrm{m/s^2}$. Distância percorrida $= \frac{1}{2}(4 + 16) \times 6 = 60$ m.
Forças e movimento
Forças alteram a velocidade, forma ou direção de um corpo. Força é um vetor (tamanho + direção); escalares como velocidade têm apenas tamanho. Ao longo de uma linha, as forças somam-se: duas trações de 5 N contra uma tração de 8 N resultam em uma força resultante de 2 N. Atrito opõe-se ao movimento. A força desequilibrada causa aceleração:
Verificação resolvida. Um carro de 1200 kg com força motriz de 3600 N contra 1200 N de arrasto: $F = 2400$ N; $a = 2400/1200 = 2\ \mathrm{m/s^2}$. Peso a $g = 10$ N/kg: $W = 1200 \times 10 = 12\,000$ N.
Distância de parada = distância de reação + distância de frenagem. A distância de reação aumenta com a velocidade e o tempo de reação (fadiga, álcool, uso do celular); a distância de frenagem aumenta com o quadrado da velocidade, massa, freios fracos ou aderência reduzida (estradas molhadas ou geladas, pneus desgastados).
Queda livre: objetos aceleram enquanto o peso supera a resistência do ar; à medida que a velocidade aumenta, a resistência também aumenta, resultando em uma força resultante decrescente até peso = resistência — velocidade terminal.
Forças e forma
Uma mola estica sob carga. Na região linear inicial, a extensão é proporcional à força — Lei de Hooke; após o limite de proporcionalidade, ela se curva. Comportamento elástico recupera a forma original quando a força é removida. Prático: pendure massas em uma mola (ou elástico), plote força contra extensão.
Momento linear e momentos (P)
O momento linear (kg·m/s) é conservado em colisões: total antes = total depois. Recursos de segurança funcionam aumentando o tempo da colisão, então para a mesma variação de momento, a força é menor — zonas de amassamento, cinto de segurança, airbags. Terceira Lei de Newton: a toda ação corresponde uma reação igual e oposta.
Momento = força × distância perpendicular ao pivô. Uma viga equilibra quando momentos horários = momentos anti-horários; o peso de um corpo atua através do seu centro de gravidade.
Exemplo resolvido. Duas crianças (300 N a 0.4 m, 200 N a 0.6 m do pivô) em uma balança: horário $200 \times 0.6 = 120$ N·m; anti-horário $300 \times 0.4 = 120$ N·m — equilibrada.
Verifique você mesmo
- O que a inclinação de um gráfico de distância-tempo e de velocidade-tempo fornece?
- Um ciclista percorre 900 m em 3 minutos. Calcule a velocidade média em m/s.
- Calcule a aceleração partindo de 30 m/s até parar em 5 s.
- Enuncie a equação que relaciona força resultante, massa e aceleração, e sua unidade.
- Cite dois fatores que aumentam a distância de reação e dois que aumentam a distância de frenagem.
- Explique, em termos de forças, por que um paraquedista atinge a velocidade terminal.
- Enuncie a Lei de Hooke.
- (P) Corredor de 60 kg a 8 m/s: calcule o momento linear.
- (P) Explique como uma zona de amassamento protege os passageiros.
- (P) Qual é o momento de uma força 50 N a 0.3 m da articulação?
Respostas: 1 velocidade; aceleração (e a área sob a linha de velocidade-tempo é distância); 2 $900/180 = 5$ m/s; 3 $a = (0 - 30)/5 = -6\ \mathrm{m/s^2}$ (desaceleração de 6 m/s²); 4 F = ma, com F em newtons; 5 pensamento — maior velocidade, tempo de reação mais longo; frenagem — maior velocidade (velocidade²), massa, freios/pneus ruins, estradas molhadas ou geladas; 6 arrasto aumenta com a velocidade até igualar ao peso — resultante e aceleração atingem zero, logo a velocidade é constante; 7 extensão é proporcional à força, até o limite de proporcionalidade; 8 (P) $p = 60 \times 8 = 480\ \mathrm{kg\,m/s}$; 9 (P) ela se amassa, aumentando o tempo da colisão; força = variação do momento ÷ tempo, logo um tempo maior significa uma força menor sobre os passageiros; 10 (P) $50 \times 0.3 = 15$ N m.