Parte i – cinemática tópico 5

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Parte i – cinemática tópico 5

  1. 1. Tópico 5 – Vetores e cinemática vetorial 65 Tópico 5 F1 1 A respeito das grandezas físicas escalares e vetoriais, analise as F2proposições a seguir:(01) As escalares f icam perfeitamente definidas, mediante um valor numérico acompanhado da respectiva unidade de medida.(02) As vetoriais, além de exigirem na sua definição um valor numérico, denominado módulo ou intensidade, acompanhado da respectiva unidade de medida, requerem, ainda, uma direção e um sentido. a) c) R e) R(04) Comprimento, área, volume, tempo e massa são grandezas R escalares. b) R d)(08) Deslocamento, velocidade, aceleração e força são grandezas R vetoriais.Dê como resposta a soma dos números associados às proposiçõescorretas. Resposta: b Resposta: 15 5 E.R. Num plano α, temos dois vetores a e b de mesma origem formando um ângulo θ. Se os módulos de a e de b são, respectiva- 2 Na f igura, temos três vetores coplanares formando uma linha mente, iguais a 3 u e 4 u, determine o módulo do vetor soma em cadapoligonal fechada. A respeito, vale a relação: um dos casos seguintes: a) θ = 0°; c) θ = 180°; b) θ = 90°; d) θ = 60°. Resolução: a b a) Se o ângulo formado pelos vetores é 0°, eles possuem a mesma direção e o mesmo sentido: a c O ba) a + b = c . Sendo s o módulo do vetor soma, temos:b) a = b + c . s=a+b⇒s=3+4c) a + b + c = 0 .d) a + b – c = 0 . s=7ue) a = b – c . b) Se θ = 90°, podemos calcular o mó- Resposta: c dulo s do vetor soma aplicando o Teorema de Pitágoras: 3 Dados os vetores A e B , a melhor representação para o vetorA+ B é: b a+ a s= A B θ O d) b a) b) c) e) s2 = a2 + b2 ⇒ s2 = 32 + 42 s=5u Resposta: d c) Se o ângulo formado pelos vetores é 180°, eles possuem a mesma direção e sentidos opostos: 4 (PUC-SP – mod.) Numa competição de arco-e-flecha, o que faz θa flecha atingir altas velocidades é a ação da força resultante R , obtida a bpor meio da soma vetorial entre as forças F1 e F2 exercidas pelo fio im- Opulsor. A figura que melhor representa a resultante R é:
  2. 2. 66 PARTE I – CINEMÁTICA O módulo s do vetor soma fica determinado por: (II) s=b–a⇒s=4–3 v v s=1u smin d) Para θ = 60°, aplicando a Lei dos cossenos, obtemos: smin = v – u ⇒ smin = 15 – 10 b smin = 5 u s (III) 5 u р s р 25 u O θ = 60º a Respostas: 5 unidades р s р 25 unidades 8 Dois vetores a e b , de mesma origem, formam entre si um ân- s2 = a2 + b2+ 2ab cos θ gulo θ = 60°. Se os módulos desses vetores são a = 7 u e b = 8 u, qual o s2 = 32 + 42 + 2(3)(4) cos 60° módulo do vetor soma? s2 = 9 + 16 + 24 · 1 ⇒ s2 = 37 2 Resolução: sӍ6u Lei dos cossenos: s2 = a2 + b2 + 2ab · cos θ s2 = (7)2 + (8)2 + 2 · 7 · 8 · cos 60° 6 Determine o módulo do vetor soma de a (a = 60 u) com b s2 = 49 + 64 + 112 · 1 2(b = 80 u) em cada caso: s2 = 169 ⇒ s = 13 u ba) O a Resposta: 13 u a O bb) 9 (UFRN) Qual é o módulo da resultante das forças coplanares M,c) N, P e Q aplicadas ao ponto O, como se mostra na figura abaixo? a M 1N O b Q O NResolução: 1N Pa) s = b + a ⇒ s = 80 + 60 s = 140 ub) s = b – a ⇒ s = 80 – 60 Resolução: s = 20 u (I) Na direção de N e Q :c) s2 = a2 + b2 ⇒ s2 = (60)2 + (80)2 R x = N – Q ⇒ Rx = 7 – 3 s = 100 u Rx = 4 newtons Respostas: a) 140 u; b) 20 u; c) 100 u (II) Na direção de M e P : Ry = M – P ⇒ Ry = 6 – 3 7 Considere dois vetores, u e v , de módulos respectivamente Ry = 3 newtonsiguais a 10 unidades e 15 unidades. Qual o intervalo de valores admis-síveis para o módulo do vetor s , soma de u com v ? (III)Resolução:(I) v Ry R v smáxsmáx = v + u ⇒ smáx = 15 + 10smáx = 25 u Rx
  3. 3. Tópico 5 – Vetores e cinemática vetorial 67 Teorema de Pitágoras: FA FB R 2 = R 2 + R2 x y R2 = (4)2 + (3)2 R=5N FC Resposta: 5 N 10 Considere as grandezas físicas relacionadas a seguir, acompa-nhadas de um código numérico:Energia (1) Aceleração (5) FE FDMassa (2) Deslocamento (6)Força (3) Tempo (7) a) 50 N. b) 45 N. c) 40 N. d) 35 N. e) 30 N.Densidade (4) Velocidade (8)Escrevendo em ordem crescente os códigos associados às grandezas Resolução:escalares e os códigos associados às grandezas vetoriais, obtemos (I) FB + FE = FCdois números com quatro algarismos cada um. Determine: (II) FD + FA = FCa) o número correspondente às grandezas escalares;b) o número correspondente às grandezas vetoriais. (III) Sendo R a resultante das cinco forças, tem-se: R = FC + FC + FC ⇒ R = 3 FC Respostas: a) 1 247; b) 3 568 | R | = 3 | FC| ⇒ | R | = 3 · 10 (N) 11 (Mack-SP) Com seis vetores de módulos iguais a 8 u, construiu- | R | = 30 Nse o hexágono regular ao lado. O módulo do vetor resultante desses Resposta: eseis vetores é: 13 E.R. No plano quadriculado a seguir, temos três vetores, a , b ec: 1u 1u ba) zero. d) 32 u.b) 16 u. e) 40 u. ac) 24 u. cResolução:Um hexágono regular inscrito em uma circunferência de raio R tem la- Qual é o módulo do vetor resultante da soma desses vetores?dos de comprimento R. Por isso, o triângulo destacado é equilátero. R Resolução: R R Inicialmente, devemos trasladar os vetores, de modo que a origem R R S1 (2R) de um coincida com a extremidade do outro, tomando cuidado para S manter as características (direção, sentido e módulo) de cada vetor ⇒ R R sem alteração. S2 (2R) R R O vetor resultante é aquele que fecha a linha poligonal. 1u R 1u bS = S1 + S2 ⇒ S = 2R + 2R ⇒ S = 4R c aS = 4 · 8u ⇒ S = 32 u s Resposta: d Observe que o vetor resultante é a hipotenusa de um triângulo retân- gulo de catetos 3 u e 4 u. Aplicando o Teorema de Pitágoras, temos: 12 (Mack-SP) A f igura mostra 5 forças representadas por vetores s2 = 32 + 42 ⇒ s2 = 9 + 16 ⇒ s2 = 25de origem comum, dirigindo-se aos vértices de um hexágono regular.Sendo 10 N o módulo da força FC , a intensidade da resultante dessas s=5u5 forças é:
  4. 4. 68 PARTE I – CINEMÁTICA 14 No plano quadriculado abaixo, estão representados três veto- Resolução: (I) Rmáx = F1 + F2res: x , y e z . Rmáx = 18 + 12 (N) x Rmáx = 30 N 1u (II) Rmin = F1 – F2 y 1u Rmin = 18 – 12 z Rmin = 6,0 N (III) 6,0 N р R р 30 NDetermine o módulo do vetor soma s = x + y + z . Resposta: eResolução: 1u 17 Suponha dois vetores de mesmo módulo v. A respeito da soma 1u desses vetores, podemos afirmar que: a) pode ter módulo v 10; d) é nula; x b) pode ter módulo v; e) tem módulo v 2 . c) tem módulo 2v; s y Resolução: 60° z s=v v 60° 60° vAplicando-se o Teorema de Pitágoras no triângulo destacado, vem: 0 р s р 2vs =3 +4 ⇒ 2 2 2 s = 5u A soma terá módulo v, no caso particular de os dois vetores formarem entre si um ângulo de 60°, conforme representa a figura acima. Resposta: 5 u Resposta: b 15 (Mack-SP) O vetor resultante da soma de AB , BE e CA é: 18 (Faap-SP) A intensidade da resultante entre duas forças concor- C rentes, perpendiculares entre si, é de 75 N. Sendo a intensidade de uma das forças igual a 60 N, calcule a intensidade da outra. B D Resolução: A E F1 Ra) AE . c) CD . e) BC .b) AD . d) CE .Resolução:(I) AB + BE = AE F2(II) CA + AE = CE Sendo F1 = 60 N e R = 75 N, aplicando-se o Teorema de Pitágoras,(III) Logo: vem: AB + BE + CA = CE R2 = F2 + F2 ⇒ (75)2 = (60)2 + F2 1 2 2 Resposta: d F2 = 45 N 16 Considere duas forças F e F de intensidades respectivamen- Resposta: 45 N 1 2te iguais a 18 N e 12 N, aplicadas em uma partícula P. A resultanteR = F1 + F2 não poderá ter intensidade igual a: 19 Os vetores a e b da figura a seguir têm módulos respectivamen-a) 30 N. c) 12 N. e) 3,0 N. te iguais a 24 u e 21 u. Qual o módulo do vetor soma s = a + b ?b) 18 N. d) 6,0 N. Dado: sen 30° = cos 60° = 0,50
  5. 5. Tópico 5 – Vetores e cinemática vetorial 69 y Qual deve ser o módulo de F3 para que a soma F1 + F2 + F3 : a) tenha módulo nulo? b) tenha módulo 5,0 N estando dirigida para baixo? b a Resolução: 30° Inicialmente, vamos calcular o módulo da soma F1 + F2 . Aplicando a x Lei dos cossenos, vem: s = F1 + F2Resolução:Lei dos cossenos:s2 = a2 + b2 + 2ab · cos 60° 1s2 = (24)2 + (21)2 + 2 · 24 · 21 · 2 60° 60° s = 39 u F1 F2 Resposta: 39 u 120° 120° 20 A soma de dois vetores perpendiculares entre si tem móduloigual a 20. Se o módulo de um deles é o dobro do módulo do outro,qual é o módulo do maior? s2 = F 1 + F 2 + 2F1F2 cos 120° 2 2 s2 = (10)2 + (10)2 + 2 · 10 · 10 – 1Resolução: 2 2R2 = v1 + v2 ⇒ ( 20 )2 = x2 + x 2 2 s2 = (10)2 2 s = 10 N 2 220 = x2 + x ⇒ 5x = 20 ⇒ x=4 2 4 F3 tem a mesma direção de s = F1 + F2 , porém sentido oposto, logo: Resposta: 4 a) F3 – s = 0 ⇒ F3 – 10 = 0 F3 = 10 N 21 Duas forças F e F estão aplicadas sobre uma partícula, de modo 1 2que a força resultante é perpendicular a F1 . Se | F1 | = x e | F2 | = 2x, qual o 120° F1 (10 N)ângulo entre F1 e F2 ? 60° 120° F3 (10 N) 60°Resolução: 60° F2 (10 N) R 120° F2 θ Nesse caso, a linha poligonal de F1 , F2 e F3 forma um triângulo equi- F1 látero, conforme ilustra a figura acima. F1 x 1sen θ = = = b) F3 – s = 5,0 ⇒ F3 – 10 = 5,0 F2 2x 2∴ θ = 30° F3 = 15 Nα = θ + 90° ⇒ α = 30° + 90° ⇒ α = 120° 23 Considere três vetores coplanares A, B e C , de módulos iguais Resposta: 120° a x e com origens coincidentes num ponto O. Calcule o módulo do vetor resultante da soma A + B + C nos dois casos esquematizados 22 E.R. Três forças F , F e F , contidas em um mesmo plano, estão abaixo: 1 2 3 aplicadas em uma partícula O, conforme ilustra a figura. F1 e F2 têm a) b) módulos iguais a 10 N. 120° 120° A B A B F1 F2 O O O 120° 120° 120° C C F3 Dado: cos 120° = – 1 2
  6. 6. 70 PARTE I – CINEMÁTICAResolução: Resolução:a) R = 2x – x ⇒ R=x a) d 1 = x – y ⇒ d 1 = x + (– y ) 1,0 u 1,0 ub) RAB = x2 + x2 + 2x · x · cos 120° RAB = 2x2 + 2x2 – 1 ⇒ RAB = x –y 2 R AB tem a mesma direção de C , porém sentido oposto, logo: d1 x R=x–x ⇒ R=0 Observando a figura, concluímos que: Professor: chame a atenção para a grande importância desse caso; | d 1| = 6,0 u contextualize-o. b) d 2 = z – w ⇒ d 2 = z + (–w ) Respostas: a) x; b) zero O módulo de d 2 f ica determinado aplicando-se o Teorema de Pitágoras ao triângulo retângulo destacado na figura: 24 Três forças coplanares F , F e F , de intensidades respectivamen- 1 2 3 1,0 ute iguais a 10 N, 15 N e 20 N, estão aplicadas em uma partícula. Essas 1,0 uforças podem ter suas direções modificadas de modo a alterar os ân- 6,0 ugulos entre elas. Determine para a resultante de F1 , F2 e F3 :a) a intensidade máxima; –w 8,0 u d2b) a intensidade mínima.Resolução: za) A resultante de F1 , F2 e F3 terá intensidade máxima quando essas três forças tiverem a mesma direção e o mesmo sentido. Nesse caso: | d 2 |2 = (8,0)2 + (6,0)2 Rmáx = 10 + 15 + 20 (N) ⇒ Rmáx = 45 N | d 2 | = 10 ub) A resultante de F1 , F2 e F3 terá intensidade mínima igual a zero. Isso ocorrerá quando F3 equilibrar a resultante de F1 , e F2 (5,0 N р 26 No plano quadriculado abaixo, estão representados dois veto- |F1 , + F2 | р 25 N), como está esquematizado abaixo: res x e y . O módulo do vetor diferença x – y vale: F1 F1 + F2 F3 x y 1,0 u 1,0 u F2 a) 1 u. b) 2 u. c) 3 u. d) 4 u. e) 5 u.|F1 , + F2 | = |F3 | = 20 NLogo: Resolução: Rmin = | F1 + F2 + F3 | = 0 x Respostas: a) 45 N; b) zero d 1,0 u 25 E.R. No plano quadriculado abaixo, estão representados os y vetores x , y , z e w . 1,0 u 1,0 u 1,0 u x d =x +y z w Aplicando-se o Teorema de Pitágoras ao triângulo retângulo destaca- y do, vem: | d |2 = 32 + 42 Determine o módulo dos vetores: |d |=5u a) d 1 = x – y b) d 2 = z – w Resposta: e
  7. 7. Tópico 5 – Vetores e cinemática vetorial 71 27 E.R. Dados os vetores V e V , representados na figura, com b) | D 1| = | D 2| = D 1 2 V1 = 16 u e V2 = 10 u, pede-se: D2 = a2 + b2 – 2ab cos θ D2 = (7,0)2 + (8,0)2 – 2 · 7,0 · 8,0 · cos 120° V2 1 D2 = 49 + 64 – 2 · 56 · – 2 60° D2 = 169 ⇒ D = 13 u O V1 Respostas: a) a –a a) representar os vetores D 1 = V 1 – V 2 e D 2 = V 2 – V 1; 120° –b 120° b b) calcular os módulos de D 1 e D 2. D1 D2 Resolução: b) 13 u a) D 1 = V 1 – V 2 ⇒ D 1 = V 1 + (– V 2) V1 29 Na f igura, estão representadas três forças que agem em um ponto material. Levando em conta a escala indicada, determine a in- 60° tensidade da resultante dessas três forças. D1 –V2 D 2 = V 2 – V 1 ⇒ D 2 = V 2 + (– V 1) –V1 60° D2 V2 4N O vetor D 2 é o vetor oposto de D 1, isto é, D 2 e D 1 têm mesmo 4N módulo, mesma direção e sentidos contrários. a) 5 N d) 20 N b) Sendo D o módulo de D 1 ou de D 2, aplicando a Lei dos cossenos, b) 10 N e) 25 N vem: c) 15 N 2 2 D2 = V1 + V2 – 2V1V2 cos 60° D2 = (16)2 + (10)2 – 2 (16) (10) 1 Resolução: 2 Na horizontal: D = 14 u Rx = 10 + 4 – 6 (N) ⇒ Rx = 8 N Na vertical: 28 Observe os vetores a e b representados abaixo. Considerando Ry = 10 – 4 (N) ⇒ Ry = 6 Na = 7,0 u e b = 8,0 u, pede-se: 120° b R a Rya) represente os vetores D 1 = a – b e D 2 = b – a ;b) calcule os módulos de D 1 e D 2. Rx 1 Dado: cos 120° = – 2 4NResolução:a) 4N a –a R = R + R = ⇒ R2 = 82 + 62 2 2 x 2 x R = 10 N 120º –b 120º b D1 D2 Resposta: b
  8. 8. 72 PARTE I – CINEMÁTICA 30 No plano quadriculado abaixo, estão representados cinco veto-res: a , b , c , d e e . b 1,0 u c d 1,0 u FB D a e FAAponte a alternativa incorreta:a) a = – e Teorema de Pitágoras:b) c – a = d |D |2 = (12)2 + (5,0)2c) c – e = b |D | = 13 Nd) a + d = b + ee) a + c = e + c Respostas: a) |S | = 7,0 N e |D | = 17 N; b) |S | = |D | = 13 N Resposta: e 32 (Ufop-MG) Os módulos de duas forças F e F são | F | = 3 e 1 2 1 31 Considere duas forças F e F com intensidades respectivamen- | F2 | = 5, expressos em newtons. Então, é sempre verdade que: A Bte iguais a 12 N e 5,0 N. Calcule a intensidade das forças S = FA + FB e I. | F1 – F2 | = 2. III. | F1 + F2 | = 8.D = FA – FB nos seguintes casos: II. 2 ≤ | F1 – F2 | ≤ 8. IV. 2 ≤ | F1 + F2 | ≤ 8.a) FA e FB têm mesma direção e sentidos opostos; Indique a alternativa correta:b) FA e FB são perpendiculares. a) Apenas I e III são verdadeiras. b) Apenas II e IV são verdadeiras.Resolução: c) Apenas II e III são verdadeiras.a) d) Apenas I e IV são verdadeiras. e) Nenhuma sentença é sempre verdadeira. FB FA Resolução:| S | = | FA | – | FB | (I) F2| S | = 12 – 5,0 (N) |S | = 7,0 N F1 | F1 + F2 | = |3 + 5| (N)|D | = | FA + (– FB )||D | = | 12 + 5,0 | (N) | F1 + F2 | = 8 (N) | F1 – F2 | = |3 – 5| (N) |D | = 17 N | F1 – F2 | = 2Nb) (II) F1 F2 | F1 + F2 | = |3 – 5| (N) FB S | F1 + F2 | = 2 N | F1 – F2 | = |3 + 5| (N) FA | F1 – F2 | = 8 NTeorema de Pitágoras: (III) 2 N ≤ | F1 + F2 | ≤ 8 N|S |2 = (12)2 + (5,0)2 2 N ≤ | F1 – F2 | ≤ 8 N |S | = 13 N Resposta: b
  9. 9. Tópico 5 – Vetores e cinemática vetorial 7333 E.R. Nas duas situações esquematizadas a seguir, o garoto 34 Na figura, estão representadas as velocidades vetoriais v e v de 1 2lança uma bola de borracha contra uma parede vertical fixa. Admita uma bola de sinuca, imediatamente antes e imediatamente depois deque as colisões sejam perfeitamente elásticas, isto é, que a bola con- uma colisão contra uma das bordas da mesa.serve o módulo de sua velocidade vetorial igual a v.Na situação 1, a bola vai e volta pela mesma reta horizontal.Na situação 2, a bola incide sob um ângulo de 60° em relação à reta 60° 60°normal à parede no ponto de impacto, sendo refletida sob um ângu- v2 v1lo também de 60° em relação à mesma reta.Situação 1 Sabendo que v1 e v2 têm intensidades iguais a v, aponte a alternativa que melhor caracteriza a intensidade, a direção e o sentido da variação da velocidade vetorial da bola no ato da colisão: a) v c) 60˚ e) Vetor nulo. 2v b) v d) 60˚Situação 2 2v Resolução: Δv = v2 – v1 60° v2 60º 60° 30º ⌬v 30º v1 60ºCalcule o módulo da variação da velocidade vetorial da bola:a) na situação 1; b) na situação 2. O triângulo formado por v1 , v2 e Δv é equilátero, com lados de com-Resolução: primento v, logo:Em ambos os casos, a variação da velocidade vetorial da bola | Δv | = v(Δv ) fica determinada pela diferença entre a velocidade final (vf ) e avelocidade inicial (vi ). Resposta: a Δv = vf – vi ⇒ Δv = vf + (– vi ) 35 E.R. O peso de um corpo é uma força vertical, dirigida paraa) baixo. Na figura, está representado um bloco de peso P , apoiado em –vi Δv um plano inclinado de 60° em relação à horizontal. vf n | Δv | = v + v ⇒ | Δv | = 2vb) O triângulo formado pelos vetores vf , – vi e Δ v é equilátero e, por isso, esses três vetores têm módulos iguais. P t 60° 60° –vi vf 60° 60° Δv Sabendo que a intensidade de P é igual a 20,0 newtons, calcule a intensidade das componentes de P segundo as retas t e n, respecti- | Δv | = v vamente, tangente e normal ao plano inclinado no local em que se encontra o bloco. Adote: sen 60° Ӎ 0,87 e cos 60° = 0,50.
  10. 10. 74 PARTE I – CINEMÁTICA Resolução: Sabendo que a força F que o cabo AB exerce sobre a antena tem inten- Na figura ao lado, estão representadas as componentes de P segun- sidade igual a 2,0 · 103 N, determine a intensidade das componentes do as setas t e n, respectivamente, Pt (componente tangencial) e Pn horizontal e vertical de F . (componente normal). É importante observar que, no triângulo retângulo destacado, temos Resolução: β = α = 60° (ângulos de lados perpendiculares têm medidas iguais). (I) Teorema de Pitágoras: Fx x y n Pn θ Pt β F P t α = 60 Fy Pt = P sen β ⇒ Pt = 20,0 · 0,87 (N) Pt = 17,4 N (AB)2 = x2 + y2 (40)2 = x2 + (32)2 Pn = P cos β ⇒ Pn = 20,0 · 0,50 (N) x = 24 m Pn = 10,0 N (II) Fx = F sen θ ⇒ Fx = 2,0 · 103 24 (N) ⇒ FX = 1,2 · 103 N 40 36 (UFC-CE) Na figura abaixo, em que o reticulado forma quadradosde lado L = 0,50 cm, estão desenhados dez vetores, contidos no plano xy. (III) FY = F cos θ ⇒ FY = 2,0 · 103 32 (N) ⇒ FY = 1,6 · 103 N 40O módulo da soma de todos esses vetores é, em centímetros: y Respostas: Componente horizontal: Fx = 1,2 · 103 N; Componente vertical: Fy = 1,6 · 103 N 38 Objetivando a decolagem, um avião realiza a corrida na pis- x ta, alçando vôo com velocidade V, de intensidade 360 km/h, que é mantida constante ao longo de uma trajetória retilínea e ascendente,a) 0,0. b) 0,50. c) 1,0. d) 1,5. e) 2,0. como esquematizado a seguir. O Sol está a pino, e a sombra do avião é projetada sobre o solo plano e horizontal.Resolução:(I) Na direção x: Luz| sx | = 4,5 – 4,5 = 0 solar(II) Na direção y:| sy | = 1,0 + 1,0 = 2,0 V(III) | s | = 2,0 Resposta: e Sombra 30 m projetada 37 Uma antena transmissora de TV, de comprimento igual a 32 m, émantida em equilíbrio na posição vertical devido a um sistema de cabos 40 m Solode aço que conectam sua extremidade superior ao solo horizontal. Na fi-gura, está representado apenas o cabo AB, de comprimento igual a 40 m. Determine: A a) a intensidade da velocidade com que a sombra do avião percorre o F solo; b) o intervalo de tempo gasto pelo avião para atingir a altura de 480 m; c) a distância percorrida pelo avião desde o instante em que alça vôo até o instante em que atinge a altura de 480 m. Antena Resolução: Solo B A velocidade V do avião admite duas componentes: V x horizontal e V y vertical.
  11. 11. Tópico 5 – Vetores e cinemática vetorial 75 V Aplicando o Teorema de Pitágoras ao triângulo retângulo destaca- do, obtemos o módulo do deslocamento vetorial do escoteiro de P até Q. | d |2 = (300)2 + (400)2 ⇒ | d | = 500 m Vy b) O intervalo de tempo gasto pelo escoteiro de P até Q é Δt = 8 min 20 s = 500 s. Logo: θ | | Vx | v m| = d ⇒ | v m| = 500 m ⇒ | v m| = 1,0 m/s Δt 500 sVX = V cos θ ⇒ Vx = 360 · 40 (km/h) | | | d | + | dII | + | dIII | 50 | vm | = Δs = I Δt Δt Vx = 288 km/h = 80 m/s 800 + 300 + 400 | vm | = 3,0 m/s | vm | = (m/s) ⇒Vy = V sen θ ⇒ Vy = 360 · 30 (km/h) 500 50 Vy = 216 km/h = 60 m/s 40 Três cidades A, B e C, situadas em uma região plana, ocupam osa) Vsombra = Vx ⇒ Vsombra = 288 km/h vértices de um triângulo equilátero de 60 km de lado. Um carro viaja de Δy A para C, passando por B. Se o intervalo de tempo gasto no percursob) Vy = ⇒ 60 = 480 total é de 1,0 h 12 min, determine, em km/h: Δt Δt a) o valor absoluto da velocidade escalar média; Δt = 8,0 s b) a intensidade da velocidade vetorial média.c) V = Δs ⇒ 360 = Δs Δt 3,6 8,0 Resolução: C Ds = 800 m Respostas: a) 288 km/h; b) 8,0 s; c) 800 m d dll 39 E.R. Um escoteiro, ao fazer um exercício de marcha com seu pelotão, parte de um ponto P e sofre a seguinte sequência de deslo- camentos: I. 800 m para o Norte; II. 300 m para o Oeste; A B dl III. 400 m para o Sul. Sabendo que a duração da marcha é de 8 min 20 s e que o escoteiro Δt = 1,0 h 12 min = 1,2 h atinge um ponto Q, determine: | dI | + | dII | a) o módulo do seu deslocamento vetorial de P a Q; a) | vm | = b) o módulo da velocidade vetorial média e da velocidade escalar Δt média de P a Q. (Dê sua resposta em m/s.) | vm | = 60 + 60 (km/h) 1,2 Resolução: | vm | = 100 km/h a) No esquema abaixo, estão representados os três deslocamentos par- | dI | ciais do escoteiro e também seu deslocamento total, de P até Q. b) | v m| = Δt N | v m| = 60 km ⇒ | v m| = 50 km/h dII 1,2 h O L Respostas: a) 100 km/h; b) 50 km/h S dIII 41 Um carro percorreu a trajetória ABC, representada na f igura, partindo do ponto A no instante t0 = 0 e atingindo o ponto C no ins- tante t1 = 20 s. Considerando que cada quadradinho da figura tem lado Q dI igual a 10 m, determine: 100 m C B 100 m d P A
  12. 12. 76 PARTE I – CINEMÁTICAa) o módulo do deslocamento vetorial sofrido pelo carro de A Resolução: até C; a) O intervalo de tempo gasto pela ambulância de A até B será míni-b) o módulo das velocidades vetorial média e escalar média no inter- mo se o veículo percorrer a trajetória de menor comprimento entre valo de t0 a t1. esses dois pontos. 200 mResolução: 100 ma) B dll 400 m 200 m A dl Δs Δs vm = ⇒ Δt = d Δt vm Δs = 200 m + 400 m + 200 m + 100 m Δs = 900 m e vm = 18 km/h ⇒ 5,0 m/s. Logo: Teorema de Pitágoras: 900 m |d |2 = |d I|2 + |d II|2 Δt = ⇒ Δt = 180 s ⇒ Δt = 3,0 min 5,0 m/s |d |2 = (60)2 + (80)2 b) Teorema de Pitágoras: |d |2 = 100 m B |d |b) |Vm | = d Δt 300 m |Vm | = 100 m ⇒ |Vm | = 50 m/s 20 s A 400 m | d | + | dII | 2 2 |d | = (300) + (400) 2 | vm | = I Δt |d | = 500 m | vm | = 60 + 80 (m/s) 20 |d | |Vm | = = 500 m | vm | = 7,0 m/s Δt 180 s |Vm | = 500 · 3,6 km/h ⇒ |Vm | = 10 km/h 180 Respostas: a) 100 m; b) 5,0 m/s e 7,0 m/s Respostas: a) 3,0 min; b) 10 km/h 42 (Unicamp-SP) A f igura abaixo representa um mapa da cidadede Vectoria o qual indica o sentido das mãos do tráfego. Devido ao 43 Uma embarcação carregada com suprimentos zarpa de um por-congestionamento, os veículos trafegam com a velocidade média de to O na costa às 7 h para fazer entregas em três pequenas ilhas, A, B e18 km/h. Cada quadra dessa cidade mede 200 m por 200 m (do centro C, posicionadas conforme representa o esquema.de uma rua ao centro da outra rua). Uma ambulância localizada em Aprecisa pegar um doente localizado bem no meio da quadra em B, sem B 9,0 km Aandar na contramão. 3,0 km C 15,0 km O A embarcação atraca na ilha C às 13 h do mesmo dia. Calcule para o A percurso total de O até C: a) a velocidade escalar média; b) a velocidade vetorial média.a) Qual é o menor intervalo de tempo gasto (em minutos) no percurso de Resolução: A para B? a) 1) Δs = OA + AB + BC = 27,0 kmb) Qual é o módulo do vetor velocidade média (em km/h) entre os pon- 2) vm = Δs = 27,0 km ⇒ vm = 4,5 km/h tos A e B? Δt 13 h – 7 h
  13. 13. Tópico 5 – Vetores e cinemática vetorial 77b) 1) v (m/s) C 9,0 km 4,0 A 2,0 12,0 km B d 0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 t (s) C Considerando o intervalo de 0 a 5,0 s, calcule para a partícula: a) o valor absoluto da velocidade escalar média; O b) a intensidade da velocidade vetorial média. Teorema de Pitágoras: Resolução: |d |2 = (9,0)2 + (12,0)2 (3,0 + 1,0) 4,0 (I) AB = = 8,0 m; 2 |d |2 = 81,0 + 144 = 225 (2,0 + 1,0) 4,0 (II) BC = = 6,0 m |d |2 = 15,0 km 2 |d | 15,0 km Teorema de Pitágoras: 2) |vm | = = ⇒ |vm | = 2,5 m/s Δt 6,0 h (III) (AC)2 = (8,0)2 + (6,0)2 ⇒ AC = 10 m Respostas: a) 4,5 km/h; b) 2,5 km/h |Δs| 14 m a) |vm| = = ⇒ |vm| = 2,8 m/s Δt 5,0 s 44 Um navio navega 80 milhas de Sudoeste para Nordeste e, em |d | 10 m b) |vm | = = ⇒ |vm | = 2,0 m/sseguida, 60 milhas de Sudeste para Noroeste. Sendo X a intensidade da Δt 5,0 svelocidade vetorial média e Y o módulo da velocidade escalar média,esses dois valores referentes ao percurso total, é correto que: Respostas: a) 2,8 m/s; b) 2,0 m/sa) X = 3 . c) X = 4 . e) X = 7 . Y 5 Y 5 Y 5 46 E.R. Considere uma partícula que percorre um quarto de cir-b) X = 5. d) X = 1. Y 7 Y cunferência de 2,0 m de raio em 10 s. Adotando 2 Ӎ 1,4 e π Ӎ 3,0, determine:Resolução: a) o módulo da velocidade escalar média da partícula;Teorema de Pitágoras: b) a intensidade da sua velocidade vetorial média. NO 60 milhas Resolução: Na f igura abaixo, estão indicados o deslocamento escalar (Δs) e o NE deslocamento vetorial ( d ) da partícula: d Δs 80 milhas 2,0 m d SO 2,0 m|d |2 = (80)2 + (60)2 ⇒ |d | = 100 milhas|Δs| = 80 milhas + 60 milhas ⇒ Δs = 140 milhas | Δs | = 2πR = 2 · 3,0 · 2,0 (m) |d | 4 4X = Δt ⇒ X = |d | 100 = ⇒ X = 5 | Δs | = 3,0 mY |Δs| Y Δs 140 Y 7 Δt | d | = (2,0)2 + (2,0)2 = 2,0 2 m Resposta: b | d | = 2,0 · 1,4 (m) ⇒ | d | = 2,8 m 45 Uma partícula parte do ponto A da trajetória ABC, esquemati- a) O módulo da velocidade escalar média é dado por:zada abaixo, no instante t0 = 0, atinge o ponto B no instante t1 = 3,0 s | vm | = Δs =e para no ponto C no instante t2 = 5,0 s. A variação de sua velocidade | | 3,0 m ⇒ | vm | = 0,30 m/sescalar pode ser observada no gráfico abaixo: Δt 10 s
  14. 14. 78 PARTE I – CINEMÁTICA b) A intensidade da velocidade vetorial média é dada por: 49 Analise as proposições a seguir: | | 2,8 m (01) A velocidade vetorial média entre dois pontos de uma trajetória |vm|= d = ⇒ | v m | = 0,28 m/s Δt 10 s tem sempre a mesma direção e o mesmo sentido do deslocamen- Observe, nesse caso, que | v m | < | vm | . to vetorial entre esses pontos. (02) A velocidade vetorial é, em cada instante, tangente à trajetória e orientada no sentido do movimento. 47 Um ciclista percorre a metade de uma pista circular de 60 m de (04) Nos movimentos uniformes, a velocidade vetorial é constante.raio em 15 s. Adotando π Ӎ 3,0, calcule para esse ciclista: (08) Nos movimentos retilíneos, a velocidade vetorial é constante.a) o módulo da velocidade escalar média; (16) A velocidade vetorial de uma partícula só é constante nas situa-b) a intensidade da velocidade vetorial média. ções de repouso e de movimento retilíneo e uniforme. Dê como resposta a soma dos números associados às proposiçõesResolução: corretas. Δs Resposta: 19 50 E.R. Dois aviões de combate, A e B, em movimento num mes- d mo plano vertical, apresentam-se em determinado instante, confor- me ilustra a figura, com velocidades vetoriais vA e vB de intensidades |Δs| πR respectivamente iguais a 1 000 km/h.a) |vm| = = Δt Δt (A) 3,0 · 60 |vm| = (m/s) ⇒ |vm| = 12 m/s vA 15 | | 2Rb) |Vm| = d = Δt Δt |vm | = 2 · 60 (m/s) ⇒ 45° |vm | = 8,0 m/s 15 Respostas: a) 12 m/s; b) 8,0 m/s 45° 48 Considere o esquema seguinte, em que o trecho curvo corres- vBponde a uma semicircunferência de raio R. (B) Adotando 2 Ӎ 1,41, determine as características da velocidade ve- torial vR do avião B em relação ao avião A no instante considerado. Resolução: A B Do ponto de vista vetorial, a velocidade de uma partícula 1 em rela- C ção a outra partícula 2 é vrel , dada pela subtração: R R 1,2Duas partículas, X e Y, partem simultaneamente do ponto A rumo ao vrel = v1 – v2 1,2ponto B. A partícula X percorre o trecho curvo, enquanto a partícula Ysegue pelo diâmetro AB. Sabendo que as partículas atingem o ponto B em que v1 e v2 são as velocidades vetoriais de 1 e 2 em relação ao solo.no mesmo instante, calcule: Assim, a velocidade vR do avião B em relação ao avião A fica deter-a) a relação entre os módulos das velocidades escalares médias de X e Y; minada por:b) a relação entre as intensidades das velocidades vetoriais médias vR = vB – vA ⇒ vR = vB + (– vA ) de X e Y. Graficamente:Resolução: –vA |Δsx| |vm | |vm | = π |vm | Δt |Δsx| πR 45°a) x = ⇒ x = = ⇒ x |vmy| |Δsy| |vmy| |Δsy| 2R |vmy| 2 vR 45° Δt |dx | vB |vm | Δt |vm | |dx | 2R |vm |b) x = ⇒ x = = ⇒ x =1 |vm | y |dy | |vm | |dy | 2R y |vm | y vR é vertical e dirigida para cima e sua intensidade pode ser obtida Δt pelo Teorema de Pitágoras: | vR |2 = | vA |2 + | vB |2 ⇒ | vR |2 = (1 000)2 + (1 000)2 Respostas: a) π ; b) 1 | vR | = 1 000 2 (km/h) ⇒ | vR | = 1 410 km/h 2
  15. 15. Tópico 5 – Vetores e cinemática vetorial 79 51 Considere um carro A dirigindo-se para o Norte, com velocidade 52 Se a aceleração vetorial de uma partícula é constantementevA de intensidade igual a 45 km/h, e um carro B dirigindo-se para o nula, suas componentes tangencial e centrípeta também o são. A res-Leste, com velocidade vB de intensidade igual a 60 km/h, conforme peito de um possível movimento executado por essa partícula, pode-representa a figura a seguir. mos afirmar que ele pode ser: vA N a ) acelerado ou retardado, em trajetória retilínea. b) uniforme, em trajetória qualquer. O L c) apenas acelerado, em trajetória curva. A d) apenas uniforme, em trajetória retilínea. e) acelerado, retardado ou uniforme, em trajetória curva. S vB Resolução: B a t = 0 ⇒ Movimento uniforme a cp = 0 ⇒ Movimento retilíneo Resposta: d 53 Uma partícula movimenta-se ao longo de uma trajetória circular com velocidade escalar constante. A f igura representa a partícula noAponte a alternativa que melhor traduz as características da velocida- instante em que passa pelo ponto P:de vB,A do carro B em relação ao carro A: Sentido doa) N d) N movimento vB, A 45° (60 km/h) 45° O L O L C 5 6 vB, A 1 S S 4 (75 km/h) Pb) N e) N vB, A 3 2 45° (45 km/h) 45° O L O L As setas que representam a velocidade vetorial e a aceleração vetorial da partícula em P são, respectivamente: vB, A a) 1 e 2. c) 1 e 4. e) 1 e 5. S S (75 km/h) b) 3 e 5. d) 3 e 6.c) N Resolução: 45° v é sempre tangente à trajetória e orientada no sentido do movimento O L (seta 1). a é a centrípeta no movimento circular e uniforme (seta 5). vB, A S (75 km/h) Resposta: eResolução:VB, A = VB – VA 54 A figura a seguir representa um instante do movimento curvilí- neo e acelerado de uma partícula: 45º 5 1 Trajetória vA vA, B (45 km/h) 4 2 3 vB (60 km/h) Se o movimento ocorre da esquerda para a direita, os vetores que melhor representam a velocidade vetorial e a aceleração vetorial daTeorema de Pitágoras: partícula no instante considerado, e nessa ordem, são:|VB, A |2 = (45)2 = (60)2 a) 1 e 2. c) 1 e 4. e) 1 e 1. b) 5 e 3. d) 5 e 4. |VB, A | = 75 km/h Resolução: Resposta: c v é sempre tangente à trajetória e orientada no sentido do movimento (vetor 1).
  16. 16. 80 PARTE I – CINEMÁTICAa 0 , já que o movimento é acelerado. 57 Um garoto monitora, por controle remoto, um aeromodelo quea cp 0 , já que o movimento é curvilíneo. descreve uma circunferência de 18 m de raio com velocidade de inten- at sidade constante e igual a 108 km/h. Determine: a) a intensidade dos deslocamentos escalar e vetorial do aeromodelo ao completar uma volta; b) a intensidade de aceleração vetorial do aeromodelo num instante qualquer do movimento. acp Resolução: a (vetor 2) a) Δs = 2π R ⇒ Δs Ӎ 2 · 3 · 18 (m) Δs Ӎ 108 m Resposta: a |Δr | = 0 108 m 55 Admita que o piloto Felipe Massa entre em uma curva freando b) v = 108 km = = 30 m/s h 3,6 sseu carro de fórmula 1. Seja v a velocidade vetorial do carro em deter- Movimento circulante uniforme:minado ponto da curva e a a respectiva aceleração. 2 (30)2A alternativa que propõe a melhor configuração para v e a é: acp = v ⇒ acp = (m/s2) R 18a) a v d) v acp = 50 m/s2 a Respostas: a) Ӎ 108 m, zero; b) 50 m/s2b) v a 58 Um móvel executa um movimento com velocidade escalar e) v constante ao longo de uma trajetória plana, composta de trechos reti-c) v líneos e trechos em arcos de circunferências, conforme indica a figura a a a seguir. Os raios de curvatura nos pontos A, C, D e E estão indicados na ilustração: B CResolução: A Rc at v Ra E Re a acp Rd Resposta: c D 56 E.R. Um piloto consegue manter seu kart em movimento uni- Ra = 2,50 m Rc = 1,20 m Rd = 1,70 m Re = 3,50 m forme numa pista circular de raio 50 m. Sabendo que a velocidade escalar do kart é igual a 20 m/s, determine a intensidade da sua ace- Pode-se afirmar corretamente que o valor máximo da aceleração veto- leração vetorial. rial ocorreu quando o móvel passava nas proximidades do ponto: a) A. b) B. c) C. d) D. e) E. Resolução: O movimento do kart é circular e uniforme, o que torna sua acele- Resolução: ração vetorial centrípeta. Nos trechos curvilíneos, o móvel realiza movimento circular e uniforme Sendo v = 20 m/s e R = 50 m, a intensidade da aceleração centrípeta e sua aceleração vetorial é centrípeta. (acp) fica determinada por: 2 acp = v 2 (20)2 R acp = v ⇒ acp = (m/s2) Sendo v constante, acp é inversamente proporcional a R. Assim, em C, R 50 ocorre Rmin e acp . máx acp = 8,0 m/s2 Resposta: c
  17. 17. Tópico 5 – Vetores e cinemática vetorial 81 59 Um carrinho percorre a trajetória representada na f igura, pas-sando pelo ponto P1 no instante t1 = 5,0 s, com velocidade vetorial V Iv1 , e pelo ponto P2 no instante t2 = 10 s, com velocidade vetorial v2 . Asretas r e s são perpendiculares entre si. r IV II v1 III P1 s P2 v2 C a) o movimento é acelerado;Sabendo que | v1 | = 15 m/s e que | v2 | = 20 m/s, calcule para o percurso b) o movimento é retardado;de P1 a P2 o módulo dos seguintes vetores: c) o movimento é uniforme.a) variação de velocidade vetorial;b) aceleração vetorial média. Resolução: a)Resolução: va) at Δv v1 (15 m/s) acp a v2 (20 m/s) Δv = v2 – v1 C Teorema de Pitágoras: v : vetor I; a : vetor II |v |2 = (15)2 + (20)2 |Δv | = 25 m/s b) v atb) |a | = |Δv | ⇒ |a | = 25 m/s ⇒ |am | = 5,0 m/s 2 m Δt m 5,0 s Respostas: a) 25 m/s; b) 5,0 m/s2 acp 60 Analise as proposições: I. No movimento retilíneo e acelerado, a aceleração tangencial é não- nula e a aceleração centrípeta é nula. a II. No movimento parabólico e retardado, as acelerações tangencial e C centrípeta são não-nulas.III. No movimento circular e uniforme, a aceleração tangencial é nula e v : vetor I; a : vetor IV a aceleração centrípeta é não-nula.Podemos afirmar que: c) va) Todas são corretas.b) Todas são incorretas.c) Apenas I e II são corretas.d) Apenas I e III são corretas.e) Apenas II e III são corretas. a = acp Resposta: a 61 O carrinho esquematizado na f igura a seguir percorre a traje- Ctória circular da esquerda para a direita. I, II, III, IV e V são vetores quepodem estar associados ao movimento. Indique, justificando, que ve- v : vetor I; a : vetor IIItores representam melhor a velocidade e a aceleração do carrinho nos Respostas: a) I e II; b) I e IV; c) I e IIIseguintes casos:

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