1
1. Considere o trecho ABC da figura sem atrito.
Um corpo de massa m1 = 5.0 kg é abandonado da posição A e choca-se elasticamente (coeficiente de restituição e = 1) com um corpo de massa m2 = 10 kg, inicialmente em repouso. Encontre a máxima altura atingida pelo corpo de massa m1 após o choque.
Solução:
1A 1A 1B 1B
K U K U
2
1 1
1 1
2
2
B B
m g h m v v g h
1
2 10 5
110
1B B i
v v m s v
Conservação da quantidade de movimento no choque entre A e B:
0
f ip p p
1 1i 1 1f 2 2f
m v m v m v
1 2
5 10 5 10
f f
v v
1 2
10 2
f f
v v
1 2
1 1
10
f f
v v
e
1 2
10
f f
v v
1 2
1 2
2 10
10
f f
f f
v v
v v
2 2
3 20 20
3
f f
v v
1 2 1 1
20 10
10 10
3 3
f f f f
v v v v m s
1 1
2 2
1
1
2 2
f f
f f
m v v
m g h h
g
10 3
210
2 10 18
f f
h h m
0.556 h
f m
2. Uma bala de 8 g é atirada na direção de um bloco de massa 2.5 kg, como mostra a figura:
O bloco está sobre uma mesa de 1 m de altura e não há atrito sobre a mesa. A bala se aloja no bloco e o conjunto bloco-bala cai a 2.00 m da mesa. Determine a velocidade inicial da bala.
Solução:
i f i f
m v m M v v m M v
m
1
2 f2
d v t h g t 2
f f
2
h d g
t v v d
g t h
i
2
m M g
v d
m h
2.5 8 10 2.5 2 2 1 v
i
18.78 67.6
i
m km
v s h
3. A massa de uma bola de futebol é 0.4 kg. Determine o impulso da força resultante e a força resultante média para o caso da bola sabendo que inicialmente a bola se desloca da direita para a esquerda com 20 m/s e após o chute, de interação 0.01s, desloca com módulo 30 m/s fazendo um ângulo de 45° com a horizontal.
Solução:
cos 45 30 cos 45
x x
f f f
v v v 30 0.707 21.21
x x
f f
v v
45 30 45
y y
f f f
v v sen v sen 30 0.707 21.21
y y
f f
v v
f i
p m v m v
x x
x f i
p m v m v
21.2 0.4 20 0.4 16.48
x x
p p kg m
s
y y
8.48
y f i y
p m v m v p kg m
s
x
y
x med
med
y med
F p
p t
F t p
F t
2 1650
850
x
y
med med
F N
F N
2 2
x y
med med med
F F F 1.9 10
3F
med N
Direção:
850 1650
y
x
med med
F
arctg arctg
F
27
4. O diâmetro do sistema de giro de um helicóptero são 7.60 m e 1.06 m (traseiro). Eles giram a 450 rev/min e 4138 rev/min, respectivamente. Calcule a velocidade da extremidade de cada hélice e compare com a velocidade do som, que é de 343 m/s.
Solução:
1 1
450 7.5
f 60 f Hz
1
2 f
1 12 7.5
147.123 rad s
1 1 1 1 1
47.123 7.6 179 v r v 2 v m s
1
0.52
sv v
2 2
4138 68.967
f 60 f Hz
2
2 f
2 22 68.967
2433.33 rad s
2 2 2 2 2
433.33 1.06 229.66 v
r v 2 v m s2
0.669
sv v
5. Um bloco de 6 kg é abandonado do alto de uma rampa como ilustra a figura a seguir. Não há atrito entre o bloco e o plano.
Encontre a componente centrípeta e tangencial da aceleração do bloco no ponto P indicado e o módulo da aceleração resultante.
Solução:
Fazendo a conservação da energia, temos:
A A P P
K U K U
2
2 m v
Pm g h m g R
2
2 2
P
P
m g h m v m g R v g h R
2 10 5 2 60
P P
v v m
s
22
2
60 2 30
P
P
cp cp cp
v m
a a a
r s
No ponto P o bloco é liberado do contato com a rampa; portanto, a aceleração tangencial é g.
T 2
a g m
s
6. Uma bola de gude de 10.0 g se desloca com velocidade de 0.400 m/s da direita para a esquerda sobre uma pista horizontal sem atrito e colide frontalmente com outra bola de gude de 30.0 g que se desloca com velocidade de 0.200 m/s da esquerda para a direita (Figura 8.35).
(a) Determine o módulo, a direção e o sentido de cada bola de gude depois da colisão. (Como a colisão é frontal, todos os movimentos ocorrem ao longo da mesma linha reta.)
(b) Calcule a variação do momento linear (isto é, o momento linear depois da colisão menos o momento linear antes da colisão) para cada bola de gude. Compare os valores obtidos para cada bola de gude.
(c) Calcule a variação de energia cinética (isto é, a energia cinética depois da colisão menos a energia cinética antes da colisão) para cada bola de gude. Compare com os valores obtidos para cada bola de gude. 0.200 m/s
0.400 m/s
30.0 g 10.0 g FIGURA 8.35 Exercício 8.34.
Solução:
(a) Na notação do exemplo 8-10, com a bola de gude maior (que se move originalmente para a direita) denotada como sendo A, temos
(3.00)vA2 + (1.00)vB2 = 0.200 m/s.
A velocidade relativa mudou de direção, então vA2 – vB2 = -0.600 m/s. Somando-se estas, eliminamos vB2 resultando em (4.00)vA2 = -0.400 m/s, or vA2 = -0.100 m/s, com o sinal negativo indicando uma velocidade final à esquerda. Isto pode ser substituído em qualquer uma das duas relações acima, resultando em: vB2 = 0.500 m/s; ou , a segunda das relações acima pode ser multiplicado por 3,00 e ser subtraída da primeira resultando em:
(4.00)vB2 = 2.00 m/s, que é o mesmo resultado.
(b) PA = -0.009 kgm/s, PB = 0.009 kgm/s (c) KA = -4.5 x 10-4, KB = 4.5 x 10-4. Como a colisão é elástica, os números têm o mesmo valor.
(d)
3
7. Uma bala de 8.00 g disparada por um rifle penetra e fica retida em um bloco de 0.992 kg ligado a uma mola e apoiado sobre uma superfície horizontal sem atrito (Figura 8.39). O impacto produz uma compressão de 15.0 cm na mola. A calibração mostra que uma força de 0.750 N comprime a mola 0.250 cm.
(a) Calcule o módulo da velocidade do bloco imediatamente após o impacto.
(b) Qual era a velocidade inicial da bala?
V
FIGURA 8.39 Problema 8.68.
Solução:
(a) e (b) Conservação da quantidade de movimento no choque entre a bala b e o bloco B:
0
f ip p p
b
b b B b B B b
B b
m v m m v v m v
m m
0.992 0.008 0.008
B b
v v
1 0.008
b B
v v
Fazendo a conservação da energia do sistema Bloco+bala e mola, temos:
b B M
K
U
22 2
b B B
m m v k x
Cálculo da constante elástica:
0.75 0.0025
F k x k F k
x 300 N k m
0.008 0.992
2300 0.15
22 2
v
B
1
26.75 2 2 2.60
B
B
v m
v s
1 0.008
b B
v v
1 2.6 325
0.008
b b
v v m
s
8. Uma criança está empurrando um carrossel. O deslocamento angular do carrossel varia com o tempo de acordo com a relação
t t t
3, onde = 0.400 rad/s e = 0.0120 rad/s2.
(a) Calcule a velocidade angular do carrossel em função do tempo,
(b) Qual é o valor da velocidade angular inicial?
(c) Calcule o valor da velocidade angular instantânea para t = 5.00 s e a velocidade angular média med para o intervalo de tempo de t = 0 até t = 5.00 s. Mostre que mednão é igual a média das velocidades angulares para t = 0 até t = 5.00 s e explique a razão dessa diferença.
Solução:
(a)
t d t d 0.4 t 0.012 t
3
dt dt
t 0.4 0.036 t
2
(b)
t 0 0.4
0
0.4 rad
s
(c)
t 5 0.4 0.036 5
2 t 5 s 0.5 rad
s
(d) 1
1 0
01 0
t t
t t t
0.18
rads
9. Para t = 0 a corrente de um motor elétrico de corrente contínua (de) é invertida, produzindo um deslocamento angular do
eixo do motor dado por
t 250rad s t
20rad s2
t2 1.50rad s3
t3
(a) Em que instante a velocidade angular do eixo do motor se anula?
(b) Calcule a aceleração angular no instante em que a velocidade angular do eixo do motor é igual a zero.
(c) Quantas revoluções foram feitas pelo eixo do motor desde o instante em que a corrente foi invertida até o momento em que a velocidade angular se anulou?
(d) Qual era a velocidade angular do eixo do motor para t
= 0, quando a corrente foi invertida?
(e) Calcule a velocidade angular média no intervalo de tempo desde t = 0 até o instante calculado no item (a).
Solução:
(a) d dt
250 20 2 1.5 3
250 40 4.5 2d t t t t t
dt
t 250 40 t 4.5t2
t 0 250 40 t 4.5t2 0
2 4 40 402 4 4.5 250
2 2 4.5
b b a c
t t
a
40 1600 4500
t 9
1
2
40 6100
40 6100 9
9 40 6100
9 t
t
t
40 78.10 9 4.23
t t s
(b) d
dt
250 40 4.5 2
40 9d t t t
dt
4
t 40 9 t
t 4.23
40 9 4.23
4.23
78.07² t rad
s (c) 0
t0
0
2 31 t1 4.23 250 4.23 20 4.23 1.5 4.23
1 t1 4.23 1057.5 3936.438 113.5304
1 t1 4.23 2992.468
1 0 2992.468rad
476.3
2 rev
(d)
t 0 250 rad
s
(e) 1
1 0
01 0
t t
t t t
2992.468
707.43 4.23
rad
s
10. Projeto de uma hélice. Você foi solicitado para projetar a hélice de um avião que deve girar a 2400 rpm. A velocidade do avião deve ser de 75.0 m/s (270 km/h), e a velocidade da extremidade da lâmina da hélice não pode superar 270 m/s. (Isso é cerca de 0.8 vezes a velocidade do som no ar. Se as extremidades das lâminas se deslocassem com a velocidade do som, elas poderiam produzir uma enorme quantidade de ruído. Mantendo a velocidade menor que a velocidade do som obtém-se um nível de ruído aceitável.)
(a) Qual é o raio máximo que a hélice pode ter?
(b) Com esse raio, qual é a aceleração da extremidade da hélice?
Solução:
2400 2400
f rpm f 60 Hz 40
f Hz
2 2 40 251.3 rad
f s
(a) Velocidade tangencial de um ponto P na extremidade da hélice::
v
P r
Velocidade do avião em relação ao ar: vA. Velocidade total:
2 2 2 2 2
A P A
v v v v v r
2 2 2 2
2
2 2
270 75 251 v v
Ar r
1.03 r m
(b) A velocidade angular da hélice é constante:
2 2
251 1.03
cp cp
a r a
4
6.5 10
2 cpa m
s
Força que a hélice exerce:
6.5 10
4 cpF N
F m a
m kg
As hélices são fabricadas de materiais leves e duros, como ligas de alumínio.
11. Movimento de um CD/DVD. Em um compact disc ou digital video disc, as informações são gravadas digitalmente em uma série de pits (“buracos”) e flats (regiões de áreas planas) sobre a superfície do disco, representando uma série de binários 0 ou 1, que serão lidos pelo compact disc player e convertidos em ondas sonoras. Os pits e as flat areas são detetados por um sistema de um laser e lentes. O comprimento de um certo número de zeros e uns gravados é o mesmo ao longo de todo o disco, próxima a borda ou próximo ao seu centro. Para que o comprimento da região gravada de “0s” e “1s” sempre passe pelo sistema de leitura lentes e laser no mesmo período, a velocidade linear da superfície do disco na região de leitura deve ser constante. Em um aparelho de CD típico, a velocidade de leitura é da ordem de 1.3 m/s. Encontre a velocidade angular do disco quando a informação está sendo lida do interior (first track) em r = 23 mm e no exterior (final track) r = 58 mm.
Solução:
2
2
1.3 56.5
2.3 10
1.3 22.4
5.8 10
i i
i i
e e
rad
v s
r rad
s
56.5 8.99
2 22.4
2 3.565
2
i i
i i
e e
f f Hz
f
f f Hz
( ) ( ) 60 f rpm
i f Hz
539.4 213.9
i e
f rpm
f rpm
5
Dados:
Impulso I:
I F t
Conservação da quantidade de movimento:
Num sistema de partículas de massas m1,m2 ,…,mn , se não há forças externas atuando no sistema, a quantidade de movimento se conserva:
0
f i0
p p p
Coeficiente de restituição como a razão entre a velocidade relativa de afastamento e a velocidade relativa de aproximação:
1 0
e
v e v
rap raf
Elásticas. Nesse caso a energia mecânica se conserva:
F
i M
M
E
E
e o coeficiente de restituição é igual a 1 (e = 1).Inelásticas. (parcialmente elásticas
(0< e< 1)). Quando e = 0, ou seja, dois corpos após se colidirem saem com a mesma velocidade, chamamos de colisão perfeitamente inelástica.
Aceleração tangencial:
a
T r
Aceleração centrípeta ou normal:
2
2
cp cp
a v a r
r
Aceleração resultante:
2 2
cp T
a a a
Energia potencial gravitacional:
E
p U m g y
Energia cinética:
2 c
2
K E m v
2 12 2 1 1
F F m m
W K U K U W E E
Estuda aí, hein, carinha!?!?