Escrito por João G. Pepato
Problema 01*
Ao cobrar uma falta em um jogo de futebol, um jogador imprime à bola uma velocidade de . Sabendo que a bola gasta
até atingir as redes, determine a distância percorrida.
Como esse movimento é um MRU, usaremos a função horária do espaço do MRU:
Antes de fazer as contas, é importante nos atentarmos que a velocidade está em e convertê-la para
:
Substituindo os valores de e de
na função horária do espaço do MRU, temos que
Problema 02*
Um motociclista entra em um túnel a . A partir desse instante, ele desacelera uniformemente a
, chegando ao fim do túnel com velocidade de
. Quanto tempo o motociclista levou para atravessar o túnel?
Para resolver esse exercício, usaremos a função horária da velocidade para o MRUV:
A velocidade inicial () é
, e a velocidade final (
) é
. Assim, variação de velocidade é
.
Substituindo os valores da varição de velocidade e da aceleração na funçaõ horária da velocidade para o MRUV, temos que , o que implica
.
Problema 03*
A posição de um móvel, em movimento uniforme, varia com o tempo conforme a tabela a seguir.
Qual é a equação horária desse movimento?
O móvel está em movimento uniforme, então a função horária do movimento é dada por:
é a posição do móvel quando
. Na tabela, vemos que
.
Como a velocidade é constante, podemos escolher dois instantes quaisquer para calculá-la. Escolhendo os instantes e
temos:
Assim, a função horária do movimento é:
Problema 04*
Um móvel parte do repouso e desenvolve uma aceleração constante de durante
segundos. Qual foi o deslocamento desse móvel?
A função horária do MRUV é .
Como o móvel parte do repouso, a velocidade inicial é .
Segundo o enunciado, e
, então
Problema 05*
Um ônibus que tem um comprimento de 10m e uma velocidade de passa por um túnel de 100m de comprimento. Quanto tempo o ônibus leva para atravessar o túnel?
Nesse exercício, o corpo estudado é um corpo extenso: temos que levar em considerção o seu comprimento.
O momento em que o ônibus adentra o túnel é quando a sua dianteira entra no túnel.
O momento em que o ônibus sai do túnel é quando a sua traseira sai do túnel - nesse momento, a dianteira do ônibus já está a (comprimento do ônibus) da saída do túnel, então o
é o comprimento do túnel + comprimento do ônibus, que é igual a
.
Agora, basta usarmos a função horária do espaço para o MRU:
Problema 06*
a) O gráfico a seguir representa a posição de uma partícula em função do tempo. Calcule a velocidade da partícula em cada trecho do movimento (1,2,3) e a velocidade média do trajeto como um todo.
A velocidade em um instante é a numericamente igual à inclinação da função nesse instante.
No trecho 1 , a inclinação da reta é
. Assim, a velocidade é
No trecho 2 , a inclinação da reta é
. Assim, a velocidade é
No trecho 3 , a inclinação da reta é
. Assim, a velocidade é
A distância total percorrida pela partícula foi , e o tempo decorrido foi
. Assim, a velocidade média é
,
,
,
Problema 07*
Questão Iniciante Semana 15 - Solução
Um ponto atravessou metade da distância com velocidade . O restante foi coberto com velocidade
pela metade do tempo, e com velocidade
pela outra metade. Ache a velocidade média do ponto.
Solução por João Guilherme Araújo
Temos que se o espaço total é :
Assim, como , temos:
Problema 08*
Questão Iniciante Semana 3 - Solução
Calcule a condição para que um corpo se movendo com velocidade constante , que começou a se mover
após um corpo acelerado de aceleração
, do mesmo espaço inicial, ainda alcance esse corpo.
Solução por João Guilherme Araújo
Podemos ver que se o segundo corpo não alcançar o primeiro antes da velocidade do primeiro se tornar igual a sua a distância entre tornará a aumentar e o feito será impossível. Assim podemos olhar para o caso limite, onde eles se encontram no momento que as velocidades se igualam. Portanto:
![t](https://i0.wp.com/noic.com.br/wp-content/plugins/latex/cache/tex_e358efa489f58062f10dd7316b65649e.gif?w=640&ssl=1)
No encontro podemos igualar os espaços, assim:
Como estamos lidando com um caso limite, vemos que se v for maior que também ocorrerá encontro, portanto a condição que queremos é
Problema 09**
Questão Iniciante Semana 13 - Solução
O trem I desloca-se em linha reta, com velocidade constante de 54 km/h, aproximando-se do ponto B, como mostra a figura. Determine quanto tempo após a locomotiva do trem I atingir o ponto A, deve o trem II partir do repouso em C, com aceleração constante de 0,2 m/s2 de forma que, 10 segundos após terminar a sua passagem pelo ponto B, o trem inicie pelo mesmo ponto.
NOTAS:
1) Ambos os trens medem 100 metros de comprimento, incluindo suas locomotivas, que viajam à frente.
2) As distâncias ao ponto B são: AB = 3.000 m CB = 710 m
Solução por João Guilherme Araújo
Inicialmente, calculemos quanto tempo gastará o trem II para II para ultrapassar totalmente o ponto B:
Toricelli:
Substituindo os valores dados na questão:
Disso podemos achar o tempo através da equação horária do MUV:
Calculamos agora quanto o trem I demorará para iniciar a passagem pelo ponto B
dados
Função horária do espaço de I em MU:
Agora sabemos que I demorará 200s para alcançar o ponto B
Mas queremos que o trem I so alcance B após 10s da passagem do trem 2 por B, e como 2 demora 90s para isso, devemos considerar
Assim, .
Problema 10**
Questão Intermediária Semana 7 - Solução
O cientista Succa Liaudzionis viaja, todos os dias, à mesma hora, de sua casa ao Núcleo Olímpico de Incentivo à Computação (Noic), onde trabalha. O trajeto é feito da seguinte forma: primeiro ele vai de trem até a casa de seu amigo, Sictor Vales, onde são recolhidos sempre pontualmente por uma limousine que os deixa no Noic. Os trens partem de hora em hora da estação e demoram sempre o mesmo tempo na primeira parte do trajeto.
Um dia, Succa levantou-se mais cedo e apanhou o trem uma hora antes do costume. Quando chegou à casa de Sictor, obviamente a limousine ainda não chegara; então os dois decidem fazer um pouco de exercício e começam a caminhar em direção ao Noic. Em determinado momento, encontram-se com a limousine, que para imediatamente e os levam ao trabalho.
Supondo que os dois caminhem a mesma velocidade constante, e que a limousine viaja numa velocidade também constante que é vezes maior que a velocidade de caminhada deles, calcule quanto tempo, antes do habitual, os cientistas chegam para trabalhar.
Solução por Victor Sales
Para nossa análise, podemos dizer que o carro da empresa sai de um ponto G ao mesmo tempo que o cientista pega o trem. Ou seja, se o trem leva um tempo
para ir deixar o Succa na casa de Sictor, a distância da casa deste até o ponto G será
, como na figura, onde
é a velocidade da limousine.
![V_T](https://i0.wp.com/noic.com.br/wp-content/plugins/latex/cache/tex_836249d25ff1e3569fb77f337d1ed248.gif?w=640&ssl=1)
![ii)](https://i0.wp.com/noic.com.br/wp-content/plugins/latex/cache/tex_a5efa8186bd4a083c7b71c83fc4135e2.gif?w=640&ssl=1)
![T = {\Delta t}_1 + {\Delta t}_2](https://i0.wp.com/noic.com.br/wp-content/plugins/latex/cache/tex_8e0bb8e17e8d8479bd8c77b360519afd.gif?w=640&ssl=1)
![T'](https://i0.wp.com/noic.com.br/wp-content/plugins/latex/cache/tex_6f3357ae1d6de5c7df30cf8503177f87.gif?w=640&ssl=1)
![iii)](https://i0.wp.com/noic.com.br/wp-content/plugins/latex/cache/tex_d63c15ce124eced5755c38457f207dac.gif?w=640&ssl=1)
![{{\Delta t}_1}' = {\Delta t}_1 - {\Delta t}_0](https://i0.wp.com/noic.com.br/wp-content/plugins/latex/cache/tex_e4de3bcb805828a3da768b324653c77a.gif?w=640&ssl=1)
![{\Delta t}_0](https://i0.wp.com/noic.com.br/wp-content/plugins/latex/cache/tex_e3dcf519eae326ed82aaa0d1645d34e0.gif?w=640&ssl=1)
![iv)](https://i0.wp.com/noic.com.br/wp-content/plugins/latex/cache/tex_2391b356adb67f210893125e4e1489ed.gif?w=640&ssl=1)
![S_c](https://i0.wp.com/noic.com.br/wp-content/plugins/latex/cache/tex_a4dae485d3b9dff2b68583c536cce145.gif?w=640&ssl=1)
![x_c](https://i0.wp.com/noic.com.br/wp-content/plugins/latex/cache/tex_37f14e7725ae8fec0cacf956a69e3f6e.gif?w=640&ssl=1)
![x = 0](https://i0.wp.com/noic.com.br/wp-content/plugins/latex/cache/tex_3dad28281778d5ef4b7a78c7bc7a6b09.gif?w=640&ssl=1)
![v)](https://i0.wp.com/noic.com.br/wp-content/plugins/latex/cache/tex_5fa72f546a9fbca5a519c2d848b916b6.gif?w=640&ssl=1)
![V](https://i0.wp.com/noic.com.br/wp-content/plugins/latex/cache/tex_5206560a306a2e085a437fd258eb57ce.gif?w=640&ssl=1)
![{{\Delta t}_2}'](https://i0.wp.com/noic.com.br/wp-content/plugins/latex/cache/tex_775cd46fc483c54cce90b818546883d8.gif?w=640&ssl=1)
![0](https://i0.wp.com/noic.com.br/wp-content/plugins/latex/cache/tex_cfcd208495d565ef66e7dff9f98764da.gif?w=640&ssl=1)
![vi)](https://i0.wp.com/noic.com.br/wp-content/plugins/latex/cache/tex_511428aaceaf9f8fd01cae0f66eabda1.gif?w=640&ssl=1)
![vii)](https://i0.wp.com/noic.com.br/wp-content/plugins/latex/cache/tex_8e4652b71faaafd62e347a90cb04d80a.gif?w=640&ssl=1)
![{{\Delta t}_3}'](https://i0.wp.com/noic.com.br/wp-content/plugins/latex/cache/tex_c9e6e6a59af04e8a55000a47a5007a13.gif?w=640&ssl=1)
![Viii)](https://i0.wp.com/noic.com.br/wp-content/plugins/latex/cache/tex_1272d05565546573bb5bef79651e9e48.gif?w=640&ssl=1)
![T' = {{\Delta t}_1}' + {{\Delta t}_2}' + {{\Delta t}_3}'](https://i0.wp.com/noic.com.br/wp-content/plugins/latex/cache/tex_a9cff1b2cb4a53bbcc3dc53e31cf1746.gif?w=640&ssl=1)
![\eta = 11](https://i0.wp.com/noic.com.br/wp-content/plugins/latex/cache/tex_dd20738560e91856c10cde947b98d891.gif?w=640&ssl=1)
![{\Delta t}_0 = 1 h](https://i0.wp.com/noic.com.br/wp-content/plugins/latex/cache/tex_b9820239a96aeccadad913632c03c762.gif?w=640&ssl=1)
Problema 11***
Questão Intermediária Semana 11 - Solução
Um plano horizontal suporta um cilindro vertical estacionário de raio e um disco
preso ao cilindro por uma corda horizontal
de comprimento
, como na figura. Uma velocidade inicial
é dada ao disco como mostrado. Por quanto tempo o disco vai se mover ao longo do plano até que atinja o cilindro? Assuma que não há atrito.
Solução por Victor Sales
![i)](https://i0.wp.com/noic.com.br/wp-content/plugins/latex/cache/tex_71e30cee73fa1933d3cd6959ef542ab9.gif?w=640&ssl=1)
![v_0](https://i0.wp.com/noic.com.br/wp-content/plugins/latex/cache/tex_8bcda5f030288c05bb245be5d42b3c07.gif?w=640&ssl=1)
![ii)](https://i0.wp.com/noic.com.br/wp-content/plugins/latex/cache/tex_a5efa8186bd4a083c7b71c83fc4135e2.gif?w=640&ssl=1)
![t](https://i0.wp.com/noic.com.br/wp-content/plugins/latex/cache/tex_e358efa489f58062f10dd7316b65649e.gif?w=640&ssl=1)
![\theta](https://i0.wp.com/noic.com.br/wp-content/plugins/latex/cache/tex_2554a2bb846cffd697389e5dc8912759.gif?w=640&ssl=1)
![x = R \theta](https://i0.wp.com/noic.com.br/wp-content/plugins/latex/cache/tex_0853b8d4bc291c92efa1918435b70d70.gif?w=640&ssl=1)
![iii)](https://i0.wp.com/noic.com.br/wp-content/plugins/latex/cache/tex_d63c15ce124eced5755c38457f207dac.gif?w=640&ssl=1)
![t + \mathrm{d}t](https://i0.wp.com/noic.com.br/wp-content/plugins/latex/cache/tex_61163a675017a8e2df3c61fd6e996d8d.gif?w=640&ssl=1)
![v_0 \mathrm{d}t](https://i0.wp.com/noic.com.br/wp-content/plugins/latex/cache/tex_ee6cd1a539100e3c413c4ff03835c722.gif?w=640&ssl=1)
![(l_0 - x) \mathrm{d}\theta](https://i0.wp.com/noic.com.br/wp-content/plugins/latex/cache/tex_2e943c6be02b7355f7e13faaafe034a4.gif?w=640&ssl=1)
Problema 12***
Duas rampas estão localizadas no mesmo plano vertical e formam ângulos em relação à horizontal (veja a figura). Em algum momento, duas bolinhas são soltas dos pontos A e B, e começam a deslizar. A bolinha A levou um tempo
para atingir o solo, enquanto a bolinha B levou
. Em que momento a distância entre as bolinhas foi a menor?
A distância pode ser calculada com base no tempo em que cada bolinha leva para atingir o chão:
A função horária do espaço para o MRUV é dada por . Como
, a aceleração da bolinha A é
, e o tempo que a bolinha A leva para atingir o chão é
, a distância que a bolinha um percorre até atingir o chão é
. Da mesma forma, a distância que a bolinha B percorre até atingir o chão é
. Assim, a distância
é
, e a distância horizontal entre as bolinhas é
.
A seguir, está representada a aceleração de cada bolinha no referencial do laboratório:
Contudo, o exercíco fica muito simples se mudarmos para o referencial da bolinha A uma vez que, nesse referencial a bolinha B se move horizontalmente para a esquerda com aceleração constante igual a .
Nesse referencial, a trajetória de B é um segmento de reta horizontal. Dessa forma, a distância entre as bolinhas será menor quando o segmento de reta que liga elas for perpendicular à trajetória de B (quando A estiver exatamente acima de B). Isso acontece quando B percorre uma distância . O instante de tempo em que isso ocorre pode ser calculardo usando a funçãp horária do espaço para o MRUV:
, onde
,
, e
, então:
Problema 13**
Um cachorro está perseguindo uma raposa que está correndo com velocidade constante ao longo de uma linha reta. O módulo da velocidade do cachorro é constante e igual a
, mas o vetor
está sempre direcionado para a raposa. A distância entre os animais era
no momento em que seus vetores de velocidade eram perpendiculares. Qual era a aceleração do cachorro nesse momento?
O módulo da velocidade do cachorro não muda, então a aceleração se dá exclusivamente pela alteração de sentido da velocidade.
Para resolver esse exercício, trabalharemos com intervalos de tempo infinitesimais (extremamente pequenos).
Em um intervalo de tempo , a raposa se desloca uma distância
. Como estamos considerando um
muito pequeno,
é muito pequeno, o que implica que
também é muito pequeno. Nesse caso, podemos perceber pelo desenho que
. Uma rotação em
no vetor velocidade, para um
muito pequeno, corresponde a uma variação de velocidade
. Assim, temos que:
Problema 14***
Um carro está se movendo em uma estrada reta com velocidade constante . Um menino, em pé em um campo adjacente avista o carro e espera pegar uma carona nele. Qual é a velocidade mínima
com a qual o menino deve correr para alcançar o carro? Resolva o problema de forma geral: denotando a velocidade do carro por
, a velocidade máxima do menino por
, e considerando as posições iniciais do carrinho e do menino conforme mostrado na figura.
Antes de mais nada, mudaremos para o referencial do carro - o que equivale a somar um vetor à velocidade de todos os corpos.
O carro e o menino chegarão simultaneamente em um ponto da rua se, nesse referencial, o menino corre diretamente em direção ao carro. Assim, a velocidade total do menino nesse referencial (
) deve ser paralela ao segmento de reta que liga o menino ao carro (representado na figura). Essa condição pode ser cumprida com vários vetores
(como por exemplo pelos vetores
e
representados na figura). Contudo, o módulo do vetor
só é mínimo (
) quando
é perpendicular ao segmento que liga o carro ao menino. Denotaremos o ângulo entre a rua e o segmento de reta que liga o carro até o menino por
. Por geometria, vemos que, na condição do módulo de
ser mínimo, este deve forma um ângulo
com
. Do triângulo retângulo formado pelos vetores
,
e
, temos que
.
Resta-nos agora calcular o valor de .
Da figura, vemos que . Assim,
.
Então:
Problema 15***
Um menino está correndo para o norte, com uma velocidade de sobre a superfície lisa de um grande lago congelado. O coeficiente de atrito (tanto cinético quanto estático) entre a sola de seus tênis e o gelo é
. Para simplificar, assuma que a força normal que ele exerce sobre o gelo, que na realidade varia com o tempo, pode ser substituída pelo seu valor médio.
a) Qual é o tempo mínimo que ele precisa para mudar de direção, de forma que ele esteja correndo para o leste com a mesma velocidade ?
b) Qual é a forma da trajetória do menino durante a curva neste caso ótimo (esse item exige um conhecimento básico de movimentos bidimensionais - se preferir, pode deixá-lo para fazer após estudar o tema).
a)
Para responder essa questão, temos que pensar tanto sobre o módulo quanto o sentido do vetor . Para que a mudança de velocidade seja feita o mais rápido possível, o módulo da aceleração deve ser o maior possível. O valor máximo da força de atrito é
, então o maior módulo possível da aceleração é
. E sobre seu sentido?
Para isso, vamos desenhar um sistema de coordenadas , no qual
é a componente da velocidade na direção leste e
é a componente da velocidade na direção norte com a velocidade inicial
e a velocidaed final
representadas.
Queremos passar o vetor velocidade de para
o mais rápido possível. A aceleração não é nada mais nada menos que a velocidade da ponta do vetor
, então, se quisermos que a mudança de velocidade ótima, devemos escolher a menor distância no plano
, que é o segmento de reta que liga a ponta do vetor
à ponta do vetor
: a aceleração é constante em módulo e sentido. Seu módulo é
é ela aponta para o sudeste.
Agora, basta usarmos função horária da velocidade:
O módulo do é a distância entre a ponta do vetor
e a ponta do vetor
, que é
. Assim:
b)
Quando um corpo é lançado obliquamente sob a ação de um campo gravitacional constante, sua trajetória é uma parábola. Essa situação é análoga ao que acontece com o menino no caso ótimo uma vez que, nessas condições, a aceleração que ele sofre é constate em módulo e sentido. Assim, a trajetória que o menino executa é uma parábola com concavidade apontando para o sudeste.
, Parábola com concavidade apontando para o sudeste.