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Apostila compilada considerando informações de livros sobre física newtoniana, incluindo conceitos de força, impulso, momento angular e torque.
Tipologia: Exercícios
1 / 10
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Essa apostila intitulada “QUANTIDADE DE MOVIMENTO, TORQUE E MOMENTO ANGULAR” foi montada considerando, principalmente, as informações
contidas nos livros: [1] Halliday, Resnick e Walker, Fundamentos de Física, volume 1, SP, Livros Técnicos e Científicos S.A, 8ª edição, 20 09 , [2] Halliday,
Resnick e Krane., Física, volume 1, SP, Livros Técnicos e Científicos S.A., 5ª edição, 20 10 e [3] Gaspar, A., Compreendendo a Física, Volume 1 , Editora Ática,
2ª edição, São Paulo, 2013. A motivação para produzir a montagem do próprio texto, ocorre devido ao benefício da flexibilização encontrada para modificar,
acrescentar ou retirar informações e, portanto, tornar o texto melhor adaptado para o desenvolvimento da didática aplicada em aulas sobre esse assunto. Esse
Universidade Federal de Rondonópolis (UFR)
Reinaldo Takara Zoppei
QUANTIDADE DE MOVIMENTO ............................................................................................................................................................. 1
TORQUE.................................................................................................................................................................................................. 4
MOMENTO ANGULAR ............................................................................................................................................................................ 6
PROBLEMAS PROPOSTOS.................................................................................................................................................................... 9
BIBLIOGRAFIA CONSULTADA ............................................................................................................................................................. 10
1. Introdução
Em testes de impacto é verificada a importância do air bag na redução dos danos que uma colisão
pode causar no corpo de uma pessoa, sobretudo no rosto e na cabeça. Essa redução se deve principalmente
ao intervalo de tempo em que ocorre a deformação sofrida pelo air bag no momento da colisão [1].
Segundo a Física, a redução dos danos que uma colisão pode causar está intimamente relacionada
com a compreensão de dois pares de grandezas. O primeiro é o par força-tempo e o segundo é o par massa-
velocidade , ambos constituem os núcleos das definições das grandezas impulso e quantidade de
movimento (a “quantidade de movimento” também pode ser denominada como momento linear ) ,
respectivamente. Essas grandezas guardam entre si uma relação simples, mas de implicações extraordinárias
para a compreensão da natureza [1, 3].
Essa apostila intitulada “QUANTIDADE DE MOVIMENTO, TORQUE E MOMENTO ANGULAR” foi montada considerando, principalmente, as informações
contidas nos livros: [1] Halliday, Resnick e Walker, Fundamentos de Física, volume 1, SP, Livros Técnicos e Científicos S.A, 8ª edição, 20 09 , [2] Halliday,
Resnick e Krane., Física, volume 1, SP, Livros Técnicos e Científicos S.A., 5ª edição, 20 10 e [3] Gaspar, A., Compreendendo a Física, Volume 1 , Editora Ática,
2ª edição, São Paulo, 2013. A motivação para produzir a montagem do próprio texto, ocorre devido ao benefício da flexibilização encontrada para modificar,
acrescentar ou retirar informações e, portanto, tornar o texto melhor adaptado para o desenvolvimento da didática aplicada em aulas sobre esse assunto. Esse
Universidade Federal de Rondonópolis (UFR)
Reinaldo Takara Zoppei
Em uma colisão, para a mesma variação de velocidade, quanto maior o tempo de interação, menor a
força média exercida entre os corpos que colidem; assim, a deformação do air bag , por resultar no aumento
do tempo de interação da colisão, reduz drasticamente a força média exercida pelo painel do carro no rosto
do motorista e os danos provocados sobre ele [1]. O estudo dessas novas grandezas — impulso e momento
linear (ou quantidade de movimento) — é o assunto que será discutido a seguir.
2. Impulso e Variação do Momento Linear
Com base na nossa experiência diária, sabemos que empurrar um corpo não é apenas exercer força
sobre ele, mas exercer força durante um determinado intervalo de tempo. Quanto maior o intervalo de tempo
em que determinada força é exercida sobre um corpo, maior será o efeito que ela produzirá em relação à
velocidade desse corpo [3].
Para entender o significado físico das
relações entre força, intervalo de tempo e o
efeito por elas produzido num corpo de
determinada massa e velocidade considere a
figura ao lado. Essa figura esquematiza um blo-
co de massa 𝑚 sofrendo a ação de uma resultante de forças 𝐹
𝑅
, constante, atuando durante um certo intervalo
de tempo 𝛥𝑡. A força resultante 𝐹
𝑅
nesse intervalo de tempo 𝛥𝑡 faz a velocidade do bloco variar de 𝑣⃗
0
a 𝑣⃗ ou
seja, o bloco adquire uma aceleração 𝑎⃗. Para essa situação podemos utilizar a segunda lei de Newton que é
dada pela equação [3]:
𝑅
utilizando a definição de aceleração 𝑎⃗ = 𝛥𝑣⃗ /𝛥𝑡, com 𝛥𝑣⃗ = 𝑣⃗ − 𝑣⃗ 0
, obtemos:
𝑅
𝑣
⃗⃗ −𝑣
⃗⃗
0
𝛥𝑡
reorganizando:
𝑅
0
do ponto de vista da Física, podemos concluir dessa expressão que a força resultante multiplicada pelo
intervalo de tempo (𝐹
𝑅
∙ 𝛥𝑡) representa uma grandeza capaz de variar outro tipo de grandeza: o produto 𝑚 ∙ 𝑣⃗.
Em outras palavras, essa expressão nos permite definir duas novas grandezas físicas:
∙ 𝛥𝑡 é, por definição, o impulso de uma força 𝐹
sobre o corpo, que
denominamos 𝐼
𝐹
, então [3]:
𝐹
A unidade de impulso é o produto da unidade de força pela unidade de tempo,
portanto, no SI é o 𝑛𝑒𝑤𝑡𝑜𝑛
, ou simplesmente 𝑁 ∙ 𝑠.
corpo, que denominamos 𝑝⃗ , então [3]:
Essa apostila intitulada “QUANTIDADE DE MOVIMENTO, TORQUE E MOMENTO ANGULAR” foi montada considerando, principalmente, as informações
contidas nos livros: [1] Halliday, Resnick e Walker, Fundamentos de Física, volume 1, SP, Livros Técnicos e Científicos S.A, 8ª edição, 20 09 , [2] Halliday,
Resnick e Krane., Física, volume 1, SP, Livros Técnicos e Científicos S.A., 5ª edição, 20 10 e [3] Gaspar, A., Compreendendo a Física, Volume 1 , Editora Ática,
2ª edição, São Paulo, 2013. A motivação para produzir a montagem do próprio texto, ocorre devido ao benefício da flexibilização encontrada para modificar,
acrescentar ou retirar informações e, portanto, tornar o texto melhor adaptado para o desenvolvimento da didática aplicada em aulas sobre esse assunto. Esse
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Reinaldo Takara Zoppei
Depois da colisão, os blocos possuem uma quantidade de momento linear dada por [3]:
𝑑𝑒𝑝𝑜𝑖𝑠
𝐴
𝐴
′
𝐵
𝐵
′
Durante a colisão, nos casos em que a resultante das forças externas exercidas no sistema formado
pelos blocos A e B for nula (𝐹
𝑅
= 0 ), dizemos que o sistema de corpos é isolado. Assim, através do teorema
do impulso podemos escrever [3]:
𝐹𝑅
ou
𝑅
𝑧𝑒𝑟𝑜
𝑑𝑒𝑝𝑜𝑖𝑠
𝑎𝑛𝑡𝑒𝑠
logo
𝑎𝑛𝑡𝑒𝑠
𝑑𝑒𝑝𝑜𝑖𝑠
Ou seja, num sistema isolado a quantidade de momen-
to linear total desse sistema permanece constante.
OBSERVAÇÃO [3]: A rigor não existem sistemas isolados , mesmo nas regiões mais remotas do espaço.
Todo corpo ou sistema de corpos, por exemplo, na superfície da Terra, está sujeito, no mínimo, à ação
gravitacional terrestre e, portanto, às forças externas. No entanto, muitas vezes as forças externas se
equilibram ou têm efeitos desprezíveis, por isso a existência de sistemas isolados, na prática, é bastante
frequente.
TAREFA: Resolver os PROBLEMAS PROPOSTOS 3 e 4 que se encontram no final dessa apostila. Juntá-los
com os demais Problemas Propostos e entregá-los (via e-mail) ao professor até o dia 05/02/2 1.
1. Introdução
Na “dinâmica rotacional”, a grandeza
que leva em consideração tanto a
intensidade, a direção e o sentido da força
quanto a localização do ponto na qual ela é
aplicada é chamada TORQUE [1]. A palavra
torque vem de uma raiz latina que significa
“ torcer ”. Então, pode-se pensar em um
torque como o ato de torcer, da mesma
maneira que se pensa em uma força como o
ato de empurrar ou puxar [1]. Assim como a
força, o torque é uma grandeza vetorial.
Essa apostila intitulada “QUANTIDADE DE MOVIMENTO, TORQUE E MOMENTO ANGULAR” foi montada considerando, principalmente, as informações
contidas nos livros: [1] Halliday, Resnick e Walker, Fundamentos de Física, volume 1, SP, Livros Técnicos e Científicos S.A, 8ª edição, 20 09 , [2] Halliday,
Resnick e Krane., Física, volume 1, SP, Livros Técnicos e Científicos S.A., 5ª edição, 20 10 e [3] Gaspar, A., Compreendendo a Física, Volume 1 , Editora Ática,
2ª edição, São Paulo, 2013. A motivação para produzir a montagem do próprio texto, ocorre devido ao benefício da flexibilização encontrada para modificar,
acrescentar ou retirar informações e, portanto, tornar o texto melhor adaptado para o desenvolvimento da didática aplicada em aulas sobre esse assunto. Esse
Universidade Federal de Rondonópolis (UFR)
Reinaldo Takara Zoppei
2. A Maçaneta de Uma Porta
Uma das experiências mais comuns com movimento de rotação é a abertura de uma porta com
dobradiças ( hinges = dobradiças ).
A maioria das pessoas experimentou acidentalmente ou propositadamente a abertura de uma porta,
aplicando uma força perto das dobradiças como a força 𝐹
2
na figura e descobriu que ela era um procedimento
ineficiente. Obter a rotação é muito mais fácil quando a força é aplicada longe das dobradiças como a força
3
na figura ( counter clockwise rotation = rotação em sentido anti-horário ), daí a colocação de maçanetas
opostas às dobradiças [1].
No entanto, considere outro experimento. Suponha que você abra uma porta para que ela fique
entreaberta. Posicione-se na borda da porta oposta às dobradiças e empurre diretamente ao longo da porta
em direção às dobradiças com a força 𝐹
1
na figura. A porta não irá rotacionar, isso indica que a direção da
força também é importante para a rotação produzida [1].
Com esses experimentos em mente, reconhecemos que devemos definir uma nova grandeza física
que descreva a interação de uma força com a produção de rotação de um corpo em torno de um eixo
específico (em nossos exemplos, o eixo de rotação foi definido pela linha das dobradiças da porta). Essa
grandeza física deve considerar o ponto onde a força está sendo aplicada em relação ao eixo de rotação,
assim como a direção da força aplicada. Essa nova grandeza física é chamada de TORQUE e é um vetor
cuja direção está relacionada ao sentido de rotação [1]. O torque é definido na próxima seção.
3. A Definição de Torque
No item anterior vimos como a “direção” e o “ponto de aplicação”
de uma força são importantes para definir a nova grandeza física “torque”.
O torque é a grandeza física que descreve como uma força é capaz de
girar um corpo em torno de um eixo fixo, com todas as partículas desse
corpo sendo forçadas a se mover em trajetórias circulares com centro
nesse eixo.
Essa apostila intitulada “QUANTIDADE DE MOVIMENTO, TORQUE E MOMENTO ANGULAR” foi montada considerando, principalmente, as informações
contidas nos livros: [1] Halliday, Resnick e Walker, Fundamentos de Física, volume 1, SP, Livros Técnicos e Científicos S.A, 8ª edição, 20 09 , [2] Halliday,
Resnick e Krane., Física, volume 1, SP, Livros Técnicos e Científicos S.A., 5ª edição, 20 10 e [3] Gaspar, A., Compreendendo a Física, Volume 1 , Editora Ática,
2ª edição, São Paulo, 2013. A motivação para produzir a montagem do próprio texto, ocorre devido ao benefício da flexibilização encontrada para modificar,
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2. Momento Angular de Uma Partícula
A figura mostra uma partícula de massa 𝑚, se movimentando no plano 𝑥𝑦, com um momento linear
(= 𝑚𝑣⃗ ) [1]. A posição da partícula em relação à origem 𝑂 é dada pelo vetor posição 𝑟⃗. O momento angular
que age sobre a partícula em relação ao ponto fixo 𝑂 é uma grandeza vetorial definida pelo produto vetorial
entre os vetores 𝑟⃗ e 𝑃
, tal que [1]:
ou ℓ
com: 𝑖⃗ × 𝑗⃗ = 𝑘
× 𝑖⃗ = 𝑗⃗ e 𝑖⃗ × 𝑖⃗ = 𝑗⃗ × 𝑗⃗ =
= 0. O vetor ℓ
também pode ser obtido
através do cálculo do determinante a seguir:
𝑥
𝑦
𝑧
𝑥
𝑦
𝑧
As características (módulo, direção e sentido)
do vetor momento angular ℓ
podem ser melhor visualizadas quando é efetuada a superposição das origens
dos vetores 𝑟⃗ e 𝑃
sem mudar suas orientações, conforme mostra a figura a seguir [1].
é determinado através da equação:
ℓ = 𝑟 𝑃 𝑠𝑒𝑛𝜙 onde 𝜙 é o menor ângulo entre 𝑟⃗ e 𝑃
. A unidade
de momento angular no SI é o quilograma multiplicado pelo metro
ao quadrado por segundo (𝑘𝑔 · 𝑚
2
/𝑠), que equivale ao joule
multiplicado pelo segundo ( 𝐽 · 𝑠).
é perpendicular ao plano definido pelos vetores 𝑟⃗ e
é determinado usando a regra da mão direita para
produtos vetoriais. A aplicação da regra da mão direita consiste em: (a) Imagine uma reta perpendicular
ao plano definido pelos vetores 𝑟⃗ e 𝑃
, passando pela origem comum. (b) Envolva essa linha com a mão
direita de modo que seus dedos empurrem o vetor 𝑟⃗ em direção ao vetor 𝑃
ao longo do menor ângulo
entre eles. (c) O polegar estendido aponta no sentido de ℓ
. Neste caso, ℓ
aponta no sentido positivo do
eixo 𝑧, que corresponde a uma rotação do vetor 𝑟⃗ no sentido anti-horário em torno do eixo 𝑧.
Importante [1]: O momento angular sempre é calculado em relação a um ponto (no presente caso, o ponto
𝑂). A mudança do ponto pode mudar tanto o módulo quanto a orientação do momento angular ℓ
. Observe que
a partícula não precisa estar girando em torno do ponto. Além disso, se a partícula não estivesse se
movimentando no plano 𝑥𝑦, ou seja, se o momento linear 𝑃
na partícula não estivesse no plano 𝑥𝑦, o momento
𝑚
𝑂
𝜙
𝑟⃗
𝑦
𝑥
𝑧
𝑃
⃗⃗
𝑂
𝑟⃗
𝑦
𝑥
𝑧
ℓ
⃗
= 𝑟⃗ × 𝑃
⃗⃗
𝑃
⃗⃗
𝜙
Essa apostila intitulada “QUANTIDADE DE MOVIMENTO, TORQUE E MOMENTO ANGULAR” foi montada considerando, principalmente, as informações
contidas nos livros: [1] Halliday, Resnick e Walker, Fundamentos de Física, volume 1, SP, Livros Técnicos e Científicos S.A, 8ª edição, 20 09 , [2] Halliday,
Resnick e Krane., Física, volume 1, SP, Livros Técnicos e Científicos S.A., 5ª edição, 20 10 e [3] Gaspar, A., Compreendendo a Física, Volume 1 , Editora Ática,
2ª edição, São Paulo, 2013. A motivação para produzir a montagem do próprio texto, ocorre devido ao benefício da flexibilização encontrada para modificar,
acrescentar ou retirar informações e, portanto, tornar o texto melhor adaptado para o desenvolvimento da didática aplicada em aulas sobre esse assunto. Esse
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Reinaldo Takara Zoppei
angular ℓ
não seria paralelo ao eixo 𝑧. O vetor momento angular ℓ
sempre é perpendicular ao plano formado
pelos vetores 𝑟⃗ e 𝑃
3. Momento Angular de Uma Partícula em Movimento Circular
Definindo a origem do referencial como o centro da circunferência para o caso do movimento circular
de uma partícula, os vetores 𝑟⃗ e 𝑝⃗ são perpendiculares, então, o módulo do vetor momento angular ℓ
é [1]:
𝑜
como 𝑣 = 𝜔 ∙ 𝑟, onde 𝜔 é a velocidade angular da partícula em movimento circular, então:
2
como o termo 𝑚 ∙ 𝑟
2
é constante, então, quanto maior a velocidade angular 𝜔 da partícula maior será o seu
momento angular ℓ. Como os vetores ℓ
e 𝜔⃗⃗⃗ têm a mesma direção e o mesmo sentido, então, a equação
anterior pode ser escrita na forma vetorial [1]:
2
4. Momento Angular de Um Sistema de Partículas
Para um sistema de partículas, definimos o momento angular total 𝐿
como a soma dos momentos
angulares ℓ
de cada uma das partículas. Para um sistema de 𝑛 partículas, temos [1]:
1
2
𝑛
TAREFA: Resolver os PROBLEMAS PROPOSTOS 7, 8 e 9 que se encontram no final dessa apostila. Juntá-
los com os demais Problemas Propostos e entregá-los (via e-mail) ao professor até o dia 05/02/2 1.
Essa apostila intitulada “QUANTIDADE DE MOVIMENTO, TORQUE E MOMENTO ANGULAR” foi montada considerando, principalmente, as informações
contidas nos livros: [1] Halliday, Resnick e Walker, Fundamentos de Física, volume 1, SP, Livros Técnicos e Científicos S.A, 8ª edição, 20 09 , [2] Halliday,
Resnick e Krane., Física, volume 1, SP, Livros Técnicos e Científicos S.A., 5ª edição, 20 10 e [3] Gaspar, A., Compreendendo a Física, Volume 1 , Editora Ática,
2ª edição, São Paulo, 2013. A motivação para produzir a montagem do próprio texto, ocorre devido ao benefício da flexibilização encontrada para modificar,
acrescentar ou retirar informações e, portanto, tornar o texto melhor adaptado para o desenvolvimento da didática aplicada em aulas sobre esse assunto. Esse
Universidade Federal de Rondonópolis (UFR)
Reinaldo Takara Zoppei
vetores unitários, qual é o torque 𝒯
em relação à origem sobre a partícula quando submetida
separadamente a cada uma das três forças citadas a seguir: (a) 𝐹
𝑖⃗ , (b) 𝐹
𝑗⃗ e, (c)
. Respostas: (a) 𝒯
⃗⃗ = +( 15 , 0 𝑁𝑚)𝑗⃗; (b) 𝒯
⃗⃗ = −( 10 , 0 𝑁𝑚)𝑖⃗; (c) 𝒯
⃗⃗ = 𝑧𝑒𝑟𝑜.
força 𝐹
= −( 3 , 0 𝑁)𝑖⃗. Em termos de vetores unitários, qual é o torque 𝒯
em relação ao ponto
( 0 , 0 𝑚; 0 , 0 𝑚; 1 , 0 𝑚) sobre a partícula. Resposta: 𝒯
⃗⃗
= −( 12 , 0 𝑁𝑚)𝑗⃗.
com componentes de velocidade 𝑣
𝑥
= 30 𝑚/𝑠 e 𝑣
𝑦
= 60 𝑚/𝑠 ao passar por um ponto de coordenadas
( 3 , 0 ; − 4 , 0 ) 𝑚. Nesse instante, em termos dos vetores unitários, qual é o momento angular do objeto
em relação (a) à origem e (b) ao ponto (− 2 , 0 ; − 2 , 0 ) 𝑚? Respostas: (a) ( 600 𝑘𝑔 ∙ 𝑚
2
/𝑠) 𝑘
⃗⃗ ; (b) ( 720 𝑘𝑔 ∙ 𝑚
2
/𝑠) 𝑘
⃗⃗ .
constante ao longo de trajetórias horizontais. A partícula 1, com um momento de módulo 𝑝
1
𝑚/𝑠, tem um vetor posição 𝑟⃗
1
e passará a 2 , 0 𝑚 do ponto 𝑂. A partícula 2, com um momento e módulo
2
= 2 , 0 𝑘𝑔 ∙ 𝑚/𝑠, tem um vetor posição 𝑟⃗
2
e passará a 4 , 0 𝑚 do ponto 𝑂. Determine em relação ao pon-
to 𝑂: (a) o módulo e a orientação do momento angular ℓ
1
da partícula 1? (b) o módulo e a orientação do momento
angular ℓ
2
da partícula 2? (c) o módulo e a orientação do
momento angular total 𝐿
do sistema formado pelas duas
partículas? Respostas: (a) 10 , 0 𝑘𝑔 ∙ 𝑚
2
/𝑠, para fora do papel; (b)
8 , 0 𝑘𝑔 ∙ 𝑚
2
/𝑠, para dentro do papel; (c) 2 , 0 𝑘𝑔 ∙ 𝑚
2
/𝑠, para fora do papel.
A partícula 𝑃
1
possui uma massa de 6 , 5 𝑘𝑔 e uma velocidade
1
= 2 , 2 𝑚/𝑠 e está a uma distância 𝑑
1
= 1 , 5 𝑚 do ponto 𝑂. A
partícula 𝑃
2
possui uma massa de 3 , 1 𝑘𝑔 e uma velocidade
2
= 3 , 6 𝑚/𝑠 e está a uma distância 𝑑
2
= 2 , 8 𝑚 do ponto 𝑂.
Quais são (a) o módulo e (b) a orientação do momento angular
resultante das duas partículas em relação ao ponto 𝑂?
Respostas: (a) 9 , 8 𝑘𝑔 ∙ 𝑚
2
/𝑠; (b) +𝑧.
[1] Halliday, Resnick e Walker, Fundamentos da Física , volume 1 , Livros Técnicos e Científicos, 7ª ed, 200 9.
[2] Halliday, Resnick e Krane, Física , volume 1 , Livros Técnicos e Científicos S.A, 5ª edição, 2010.
[3] Gaspar, A., Compreendendo a Física , Volume 1 , Editora Ática, 2ª edição, São Paulo, 2013.