segunda-feira, 14 de novembro de 2016

Cursos do Blog - Mecânica

Um garoto (m) sobre patins empurra sua namorada (M), também sobre patins; o garoto recua com v e a namorada adquire V.

35ª aula
Conservação da Quantidade de Movimento

Borges e Nicolau

Forças internas e forças externas

Considere um sistema de corpos. As forças que um corpo do sistema exerce em  outro do próprio sistema são chamadas forças internas. As forças que agem nos corpos do sistema e que provém de outros corpos não pertencentes ao sistema são chamadas forças externas.

Sistema isolado

Um sistema de corpos é chamado isolado quando:

• Não agem forças externas.
• Agem forças externas, mas a resultante é nula.
• As forças internas são muito intensas de modo que as forças externas podem ser desprezadas. É o que ocorre numa explosão, num choque entre duas bolas de bilhar, por exemplo.

Conservação da Quantidade de Movimento

Considere um sistema de corpos isolado. Se a resultante das forças externas é nula, decorre que seu impulso é nulo e pelo Teorema do Impulso, a quantidade de movimento inicial é igual à quantidade de movimento final. Isto é: a quantidade de movimento se conserva.

I = Q2Q1 => Sendo I = 0, resulta: Q2 = Q1

Observação: De acordo com o princípio da ação e reação os impulsos das forças internas ao sistema de corpos se anulam.

Exemplos:

1º) Um bloco de massa m está em repouso. Num certo instante ele explode em duas partes A e B de massa m/3 e 2m/3,  respectivamente. Sendo vA = 20 m/s o módulo da velocidade de A, imediatamente após a explosão, vamos calcular o módulo da velocidade que B adquire, imediatamente após a explosão.


A quantidade de movimento  do bloco, imediatamente antes da explosão, é igual à quantidade de movimento imediatamente depois. 

Q1 = Q2
      (antes)   (depois)     

Estando inicialmente em repouso, temos Q1 = 0.
Portanto, Q2 = QA+ QB = 0 => mA.vA + mB.vB = 0 => mA.vA = -mB.vB:
as partes A e B têm quantidades de movimentos de mesma direção, sentidos opostos e módulos iguais:
mA.vA = mB.vB => (m/3).20 = (2m/3).vB => vB = 10 m/s.

2º) Um bloco de massa m está movimento retilíneo e uniforme com velocidade  de módulo v = 16 m/s. Num certo instante ele explode em duas partes A e B de massa m/3 e 2m/3, respectivamente. Sendo vA = 12 m/s o módulo da velocidade de A, imediatamente após a explosão e com mesmo sentido da velocidade do bloco, vamos calcular o módulo da velocidade que B adquire, imediatamente após a explosão. 


A quantidade de movimento do bloco, imediatamente antes da explosão, é igual à quantidade de movimento imediatamente depois.
                                  
Q1 = Q2
                                               (antes)   (depois)
     
  
Como os vetores têm a mesma direção, a igualdade vetorial se transforma numa igualdade escalar:
m.v = mA.vA + mB.vB
m.16 = (m/3).12 + (2m/3).vB
vB = 18 m/s

Tipos de Choque

Uma esfera desloca-se com velocidade de módulo vA e colide frontalmente com outra esfera B, que se desloca com velocidade de módulo vB, conforme indica a figura. Sejam VA e VB as velocidades das esferas imediatamente após o choque.


Define-se coeficiente de restituição a grandeza e dada por:

e = velocidade relativa de afastamento / velocidade relativa de aproximação ou seja:

e = (VBVA)/(vAvB)

De acordo com o valor de e temos três tipos de choques:

e = 1 : choque perfeitamente elástico.
0 < e < 1: choque parcialmente elástico.
e = 0: choque perfeitamente inelástico.


Nos choques perfeitamente elásticos a energia cinética se conserva, o que não ocorre nos choques parcialmente elástico e perfeitamente inelástico.

Exercício básicos
 

Exercício 1:
Um menino está sobre um skate segurando uma bola. A massa do menino mais o skate é de 50 kg e a massa da bola é de 500 g. O sistema está em repouso. O menino lança a bola horizontalmente com velocidade de módulo 10 m/s. Qual é o módulo da velocidade com que o menino e o skate se deslocam em sentido contrário ao da bola? 


Resolução: clique aqui

Exercício 2:
Um bloco A desloca-se horizontalmente, com velocidade de módulo v = 12 m/s, colidindo com outro bloco B, inicialmente em repouso. Após a colisão os blocos adquirem velocidades de módulos vA = 8,0 m/s e vB, respectivamente. Determine vB, sabendo-se que os blocos têm massas iguais.


Resolução: clique aqui

Exercício 3:
Um carrinho de massa m desloca-se com velocidade v e colide com outro idêntico, que se encontra em repouso. Após o choque os carrinhos seguem unidos com velocidade V.
a) Qual é a relação entre v e V.
b) Qual é a relação entre as energias cinéticas do sistema imediatamente antes e imediatamente depois do choque?

Resolução: clique aqui  

Exercício 4:
O carrinho de massa m desloca-se com velocidade v e colide, num cruzamento P, com outro carrinho de massa 2 m e que também se desloca com velocidade v. Após a colisão os carrinhos seguem unidos com velocidade V.
a) Qual é a possível trajetória dos carrinhos entre as indicadas na figura? A, B, C, D ou E?
b) Qual é o valor de V em função de v?



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Exercício 5:
Uma esfera de massa m desloca-se com velocidade vA e colide frontal e elasticamente com outra esfera B, de mesma massa m e que está inicialmente em repouso, conforme indica a figura. Sejam VA e VB as velocidades das esferas imediatamente após o choque.


Prove que neste caso ocorre troca de velocidades, isto é,
VB = vA e VA = 0.

Resolução: clique aqui

Nota: As notações de velocidade (v), impulso (I) e quantidade de movimento (Q), em negrito, representam grandezas vetoriais.

Exercícios de Revisão

Revisão/Ex 1:
(Unirio-RJ)
A esfera A, com velocidade 6,0 m/s, colide com a esfera B, em repouso, como mostra a figura. Após a colisão, as esferas se movimentam com a mesma direção e sentido, passando a ser a velocidade da esfera A 4,0 m/s e a da esfera B, 6,0 m/s. Considerando mA a massa da esfera A e ma massa da esfera B, assinale a razão mA/mB.



a) 1,0
b) 2,0
c) 3,0
d) 4,0
e) 5,0

Resolução: clique aqui

Revisão/Ex 2:
(VUNESP)
Duas crianças divertem-se patinando em uma pista de gelo. Uma delas, de massa 45xkg, tinha uma velocidade de 4,0 m/s, quando colidiu frontalmente com a outra, que se deslocava com velocidade de 3,0 m/s, no sentido contrário. Imediatamente após a colisão, as duas param no local do encontro. Nessas condições, pode-se afirmar que a massa, em kg, da outra criança, era de

a) 30.
b) 40.
c) 50.
d) 60.
e) 70.

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Revisão/Ex 3:
(FGV-RJ)
Leonardo, de 75 kg, e sua filha Beatriz, de 25 kg, estavam patinando em uma pista horizontal de gelo, na mesma direção e em sentidos opostos, ambos com velocidade de módulo v = 1,5 m/s. Por estarem distraídos, colidiram frontalmente, e Beatriz passou a se mover com velocidade de módulo u = 3,0 m/s, na mesma direção, mas em sentido contrário ao de seu movimento inicial. Após a colisão, a velocidade de Leonardo é

a) nula.   
b) 1,5 m/s no mesmo sentido de seu movimento inicial.   
c) 1,5 m/s em sentido oposto ao de seu movimento inicial.   
d) 3,0 m/s no mesmo sentido de seu movimento inicial.   
e) 3,0 m/s em sentido oposto ao de seu movimento inicial.

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Revisão/Ex 4:
(UESPI)
Em um acidente de trânsito, os carros A e B colidem no cruzamento mostrado nas figuras 1 e 2 a seguir. Logo após a colisão perfeitamente inelástica, os carros movem-se ao longo da direção que faz um ângulo de  = 37° com a direção inicial do carro A (figura 2). Sabe-se que a massa do carro A é o dobro da massa do carro B, e que o módulo da velocidade dos carros logo após a colisão é de 20 km/h. Desprezando o efeito das forças de atrito entre o solo e os pneus e considerando sen(37°) = 0,6 e cos(37°) = 0,8, qual é a velocidade do carro A imediatamente antes da colisão?



a) 24 km/h   
b) 39 km/h   
c) 63 km/h   
d) 82 km/h   
e) 92 km/h 

Resolução: clique aqui

Revisão/Ex 5:
(ITA-SP)
Na figura temos uma massa M = 132 g, inicialmente em repouso, presa a uma mola de constante elástica k = 1,6.104 N/m, podendo se deslocar sem atrito sobre a mesa em que se encontra. Atira-se uma bala de massa m = 12 g que encontra o bloco horizontalmente, com uma velocidade v0 = 200 m/s incrustando-se nele. Qual é a máxima deformação que a mola experimenta?



a) 25 cm.
b) 50 cm.
c) 5,0 cm. 
d) 1,6 m.
e) nenhum dos resultados anteriores

Resolução: clique aqui
n
Desafio:

Uma pequena esfera A de massa 3m é lançada com velocidade de módulo vA e colide elasticamente com outra esfera B, de massa m, em repouso na extremidade de uma mesa de 0,80 m de altura. Considere o choque unidimensional. Após a colisão a esfera B atinge um ponto do solo situado a 0,80 m da vertical onde ocorre o choque. Qual é o módulo da velocidade vA com que a esfera A é lançada? Dado: g = 10 m/s2.


A resolução será publicada na próxima segunda-feira.

Resolução do desafio anterior:


Em cada batida dada num prego, para introduzi-lo na guarnição de madeira de uma porta, o martelo comunica ao prego um impulso de intensidade I = 50 N.s, durante 1,0.10-1 s. A massa do prego é de 10 g.


Sabendo-se que o prego e o martelo partem do repouso, determine:

a) a variação do módulo da quantidade de movimento do martelo;
b) módulo da velocidade comunicada ao prego, durante a batida do martelo;
c) a intensidade da força média que o martelo aplica no prego;
d) a potência média do golpe do martelo.


Resolução:

a) 

Pelo princípio da ação e reação a intensidade do impulso que o martelo aplica no prego é igual a intensidade do impulso que o prego aplica no martelo. Pelo teorema do impulso, temos:

ΔQ = I => ΔQ = 50 N.s

b)

ΔQ = I => m(v-v0) = I => 10.10-3(v-0) = 50 => v = 5,0.103 m/s  

c)
I = Fm.Δt => 50 = Fm.1,0.10-1 => Fm = 5,0.102 N
 
d)

Pot = τ/Δt => Pot = [(mv2/2)-(mv02/2)]t =>
Pot = [(10.10-3).(5,0.103)2/2-0]/1,0.10-1
Pot = 1,25.106 W = 1250 kW

Respostas: a) 50 N.s; b) 5,0.103 m/s; c) 5,0.102 N; d) 1250 kW

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