Objetivos
Analisar o movimento em um plano.
Revisar operações vetorial em duas dimensões.
Estudar o movimento parabólico.
Enunciar o princípio de independência dos movimentos de Galileu.
Vetores e referenciais
Vetores em um plano
Revisão: Soma de vetores
Em duas dimensões, o comprimento da soma do vetor depende do ângulo entre os vetores que estão sendo adicionados.
A soma de dois vetores pode ser menor do que o comprimento de qualquer vetor original.
A ordem da soma é irrelevante. É comutativa:
Fonte: https://phet.colorado.edu
A subtração de vetores não é comutativa.
Vetores em um plano
Qualquer vetor \(\vec A\) pode ser decomposto em vetores componentes \(A_x\) e \(A_y\) ao longo dos eixos de um conjunto convenientemente escolhido de eixos perpendiculares, chamados de sistema de coordenadas retangulares.
Fonte: https://phet.colorado.edu
Revisão: Decomposição de vetores
Exemplo 1
Se cada unidade principal da grade na figura corresponder a 1 unidade, especifique a localização do ponto P em termos de suas coordenadas x e y em cada um dos três sistemas de coordenadas.
O vetor \(\vec A\) é o mesmo em qualquer referencial, mas os componentes \(A_x,A_y\) dependem da escolha desse referencial.
O vetor sempre terá o mesmo valor seja qual for o referencial, mas não os componentes!
Matematicamente, qual seria o referencial mais fácil para fazer cálculos?
Vetores em um plano
Revisão: Decomposição de vetores
É particularmente útil ao adicioná-los ou subtraí-los:
Soma:
Vetores em um plano
Revisão: Decomposição de vetores
É particularmente útil ao adicioná-los ou subtraí-los:
Diferença:
Álgebra vetorial
Também podemos especificar um ponto usando coordenadas polares.
A coordenada radial r indica a distância da origem ao ponto e é sempre positiva.
A coordenada angular θ especifica o ângulo entre r e o eixo x e é medida no sentido anti-horário a partir do eixo x positivo (0 ≤ θ < 360°).
onde os sinais de x e y determinam em qual quadrante θ se encontra.
Qualquer ponto arbitrário P é especificado inteiramente por (x, y) ou (r, θ):
Exemplo 2
Se cada unidade principal da grade na figura corresponder a 1 m, especifique a localização do ponto P nas coordenadas polares
O movimento é relativo
Considere o movimento de uma bola lançada do topo de um canhão anexado a um carrinho que se move a velocidade constante ao longo de uma pista horizontal:
É um movimento acelerado em linha reta, no referencial do carrinho \(\vec v_{carro} = \vec 0\).
Fonte: https://www.compadre.org
É um movimento acelerado curvilíneo, no referencial da Terra \(\vec v_{carro} = \vec c\).
Como os dois referenciais são inerciais (\(\vec v_c = constante\)) ambos observadores medem a mesma aceleração de queda livre para a bola:
O movimento depende do referencial do observador.
As animações 4 e 5 não são referenciais inercial!
O movimento é relativo
O movimento da bola no referencial da Terra pode ser dividido em duas partes:
Movimento de queda livre na direção vertical (chamada componente vertical do movimento)
Nesse caso, há um MRUV.
Movimento à velocidade constante na direção horizontal (chamado de componente horizontal do movimento).
Nesse caso, há um MRU.
Fonte: https://www.compadre.org
Fonte: https://www.compadre.org
Estamos estudando a independência dos movimentos de Galileu.
Exemplo 3
(a) Na figura, qual é a velocidade da bola antes de sua liberação?
(b) A velocidade da bola no quadro de referência do carrinho é maior que, igual ou menor que sua velocidade no quadro de referência da Terra
Fonte: https://www.compadre.org
Fonte: Eric Mazur
A bola cai verticalmente para baixo relativo ao carro...
...enquanto o carro se move horizontalmente relativo à Terra
Fonte: Eric Mazur
deslocamento da bola relativamente ao carro
deslocamento do carro
deslocamento da bola relativamente à Terra
Eixo de referência indica o sistema de coordenadas
Movimento em um plano
Vejamos, primeiramente as coordenadas da bolinha no referencial da Terra em dois instantes de tempo distintos.
Referencial da Terra
Fonte: https://www.compadre.org
Fonte: https://www.compadre.org
No tempo t = 4,3 s.
No tempo t = 2,8 s.
Para qualquer tempo t:
A partir dos vetores posições \(\vec r_1\) e \(\vec r_2\) é possível determinar o deslocamento (\(\Delta \vec r \)) da bolinha no plano.
O vetor deslocamento da bola:
Movimento em um plano
Referencial da Terra
Esse é o deslocamento entre os dois instantes de tempo \(t_1\) e \(t_2\).
Os vetores posições da bolinha são:
Veja, isso vale \(+1,5\hat i\)
Veja, isso vale \(-2,5\hat j\)
A velocidade média é calculada para cada uma das componentes.
O vetor velocidade média é dado por:
Movimento em um plano
Referencial da Terra
Se o vetor deslocamento é dado por:
O vetor velocidade média tem a direção e sentido do vetor deslocamento.
O vetor velocidade instantânea é dado por:
Movimento em um plano
Referencial da Terra
Na horizontal (MRU):
Na vertical (MRUV):
O vetor velocidade instantânea é tangente à trajetória e não tem a mesma direção que o vetor deslocamento \(\Delta \vec r\).
A velocidade instantânea é calculada para cada uma das componentes.
O vetor velocidade instantânea é tangente à trajetória e tem a direção do vetor deslocamento infinitesimal \(d \vec r\).
Aqui você precisa das funções: \(v_x,v_y\)!
O vetor aceleração média é dado por:
Movimento em um plano
Referencial da Terra
Na horizontal (MRU):
Na vertical (MRUV):
O vetor aceleração média tem a direção da variação do vetor velocidade.
A aceleração média é calculada para cada uma das componentes. No movimento de queda livre, lançamento horizontal e vertical há somente a componente vertical da aceleração.
Aqui você precisa das funções: \(v_x,v_y\)!
O vetor aceleração instantânea tem a direção do vetor velocidade infinitesimal.
Movimento em um plano
Referencial da Terra
Na horizontal (MRU):
Na vertical (MRUV):
A aceleração média é calculada para cada uma das componentes. No movimento de queda livre, lançamento horizontal e vertical há somente a componente vertical da aceleração.
Aqui você precisa das funções: \(v_x,v_y\)!
Movimento em um plano
Referencial da Terra
Na horizontal (MRU):
Na vertical (MRUV):
A velocidade é a composição dos movimentos MRU e MRUV:
O movimento na horizontal é independente do movimento na vertical. Isso é chamado de independência dos movimentos de Galileu.
A velocidade inicial de lançamento:
Movimento em um plano
Para especificar a posição da bola, precisamos de uma coordenada x para especificar a posição ao longo do eixo x e uma coordenada y para especificar a posição ao longo do eixo y.
Referencial do Carro x Referencial da Terra
Fonte: Eric Mazur
deslocamento \(\Delta \vec r\)
vel. instantânea \(\vec v\)
aceleração \(\vec a =\vec 0\)
\(\vec v\) é tangente à trajetória
trajetória da bola
\(\vec a\) está na direção de \(\Delta \vec v\)
Fonte: Eric Mazur
deslocamento da bola relativamente ao carro
deslocamento do carro
deslocamento da bola relativamente à Terra
Eixo de referência indica o sistema de coordenadas
Os movimentos no plano são úteis para estudar os movimentos parabólicos e os lançamentos horizontais.
Movimento em um plano
Referencial da Terra
Fonte: Tipler & Mosca
Podemos aplicar o princípio da independência dos movimentos de Galileu no movimento parabólico.
Movimento em um plano
Referencial da Terra
Vetores:
Componentes:
Fonte: https://phet.colorado.edu
Movimento em um plano
Referencial da Terra
A trajetória. Composição do movimento.
Fonte: Ralliday & Resnick
A altura:
O alcance:
Podemos aplicar o princípio da independência dos movimentos de Galileu no movimento parabólico.
É uma função quadrática no alcance!
\(|b|> |4 a c|\)
As trajetórias mudam conforme as condições iniciais!
Condições iniciais: \(v_0, \theta, y_0, x_0\)
import math
def calcular_raizes(H, V, theta):
# Constante da gravidade
g = 9.81 # m/s^2
# Cálculo dos coeficientes a, b, c
c = H
b = -math.tan(math.radians(theta))
a = g / (2 * V**2 * math.cos(math.radians(theta))**2)
# Imprimir os valores de c, b, a com quatro casas decimais
print(f"c = {c:.4f}")
print(f"b = {b:.4f}")
print(f"a = {a:.4f}")
# Passar para a forma clássica da equação quadrática aR^2 + bR + c = 0
discriminante = b**2 - 4*a*c
if discriminante < 0:
print("Erro: Não há raízes reais porque b < 4ac")
else:
R1 = (-b + math.sqrt(discriminante)) / (2*a)
R2 = (-b - math.sqrt(discriminante)) / (2*a)
# Imprimir as raízes com quatro casas decimais
print(f"As raízes são R1 = {R1:.4f} e R2 = {R2:.4f}")
# Exemplo de uso:
H = 1.0 # exemplo de altura
V = 10.0 # exemplo de velocidade inicial
theta = 45.0 # exemplo de ângulo em graus
calcular_raizes(H, V, theta)
Movimento em um plano
Referencial da Terra
Pontos particulares:
Altura vertical (\(v_y = 0\)).
Altura vertical máxima (\(\theta = 90^o)\).
Alcance horizontal (\(H = 0\)).
Alcance horizontal máximo (\(H = 0, \theta = 45^o\)).
Podemos aplicar o princípio da independência dos movimentos de Galileu no movimento parabólico.
Fonte: https://phet.colorado.edu
Exemplo 4
Uma atleta atira uma bola contra um muro vertical de 4,0 m à sua frente. A bola está a 2,0 m acima do chão quando abandona a mão da atleta com velocidade de 14 m/s a 45 graus, conforme mostrado. Quando a bola atinge o muro, a componente horizontal de sua velocidade é revertida; a componente vertical não se altera. Ignore a resistência do ar.
Fonte: Tipler & Mosca Cap. 3 - P100
(a) Quanto tempo a bola ficou no ar antes de atingir o muro?
(b) Onde a bola atingiu o chão atrás da mulher?
(c) Onde a bola atingiu o muro?
(d) Quanto tempo a bola ficou no ar após abandonar o muro?
Exemplo 5
Você navega em um navio de um píer para uma bóia a 1500 m a nordeste do píer. Lá você navega até um ponto a 300 m ao sul e a 700 m a leste da bóia. Qual é a sua distância do píer nesse ponto?
Exemplo 6
Uma bola é lançada em um ângulo de 30° com a horizontal a uma rapidez de 30 m/s. Escreva a velocidade da bola em termos de vetores unitários retangulares.
Exemplo 7
A bola da figura é lançada a partir da origem de um sistema de coordenadas xy. (a) Escreva expressões dando, no topo de sua trajetória, as coordenadas retangulares da bola em termos de sua velocidade inicial e a aceleração devido à gravidade g. (b) Qual o alcance horizontal da bola?
Fonte: https://www.compadre.org
Exemplo 8
Controlando um robô.
Tudo começa como um jogo.
A mesma ideia se aplica ao controle de um drone ou a um robô na superfície de um planeta distante.
1) Escolha a grandeza;
2) Clique Play;
3) Controle a bola via o vetor!
Depois de meses atolado em um banco de areia, a Nasa decide transformar o jipe-robô Spirit em estação científica estacionária. Mas, para isso, será preciso sobreviver ao próximo inverno (Nasa).
Fonte: https://youtu.be/x5lY_1MM1HY
Fonte: http://www.nasa.gov
Além das coordenadas é essencial conhecer a trajetória da nave spirit.
Um novo desafio em Marte
Exemplo 8
Um veículo robótico está explorando a superfície de marte. O módulo de aterrissagem é a origem do sistema de coordenadas e a superfície do planeta é o plano xy. O veículo que será representado por um ponto, possui componentes x (em metros) e y (em metros) que variam com o tempo de acordo com as equações:
Exemplo 8
a) Quais as coordenadas do veículo no tempo t = 0,0 s ?
b) Quais as coordenadas do veículo no tempo t = 2,0 s ?
c) Qual o deslocamento do veículo no intervalo de tempo \(\Delta t\)?
d) Qual a velocidade e aceleração médias entre os tempos t = 0 e t = 2,0 s?
e) Qual a velocidade e aceleração instantâneas nos tempos t = 0 e t = 2,0 s?
Exemplo 8
Soluções: a, b, c.
Exemplo 8
Qual a velocidade média entre os tempos t = 0 e t = 2,0 s?
O vetor velocidade média é proporcional à VARIAÇÃO do vetor deslocamento.
Qual a velocidade instantânea nos tempos t = 0 e t = 2,0 s?
Exemplo 8
O vetor velocidade é proporcional à VARIAÇÃO do vetor deslocamento.
Exemplo 8
Qual a aceleração média entre os tempos t = 0 e t = 2,0 s?
O vetor aceleração média é proporcional à VARIAÇÃO do vetor velocidade instantânea.
Exemplo 8
Qual a aceleração instantânea nos tempos t = 0 e t = 2,0 s?
O vetor aceleração instantânea tem a direção da VARIAÇÃO
do vetor velocidade instantânea.
No movimento no plano a velocidade instantânea e a aceleração não apontam na mesma direção.
Movimento em um plano
Referencial da Terra
Fonte: https://www.compadre.org
Fonte: https://www.compadre.org
A bola diminui a velocidade
A bola está instantaneamente em repouso
A bola aumenta a velocidade
Como gerar órbitas circulares e eclípticas.
Movimento em um plano
Defina a direção do vetor velocidade em relação ao vetor aceleração (devido a uma força).
Movimento em um plano
Referencial da Terra
O componente da aceleração paralelo à velocidade instantânea faz com que o comprimento da velocidade instantânea varie. Na subida faz a velocidade diminuir! Na descida faz a velocidade aumentar.
A bola diminui a velocidade
A bola mantém a velocidade
A bola aumenta a velocidade
O componente da aceleração perpendicular à velocidade instantânea faz com que a direção da velocidade instantânea mude.
A direção da velocidade muda
Latitude e Longitude
Latitude e longitude nada mais são do que nomes que as coordenadas geográficas únicas obtidas para cada ponto da superfície terrestre.
A latitude é o ângulo formado entre o ponto de interesse e o equador terrestre. A mesma é medida ao longo do meridiano que passa pelo lugar de interesse.
A longitude geográfica é o ângulo formado entre o meridiano de Greenwich e o meridiano que passa pelo ponto considerado.
Latitude e Longitude
Latitude e Longitude
Início: Forte Reis Magos
Fim: Biblioteca Central UFRN
Distância:
A latitude mudou
Latitude e Longitude
Início: Forte Reis Magos
Fim: Rio Santana
Distância:
A longitude mudou
Latitude e Longitude
Início: Forte Reis Magos
Fim: Rio Santana
Distância:
A longitude mudou