Guia Manga de Fisica - Mecanica Classica
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Transcript of Guia Manga de Fisica - Mecanica Classica
Guia Mangá
físicaMecânica Clássica
Hideo Nitta Keita Takatsu
TREND-PRO Co., Ltd.
novatec
Original Japanese-language edition Manga de Wakaru Butsuri ISBN 4-274-06665-7 © 2006 by Hideo Nitta and TREND-PRO Co., Ltd., published by Ohmsha, Ltd.English-language edition The Manga Guide to Physics ISBN 978-1-59327-196-1 © 2009 by Hideo Nitta and TREND-PRO Co., Ltd., co-published by No Starch Press, Inc. and Ohmsha, Ltd.Portuguese-language rights arranged with Ohmsha, Ltd. and No Starch Press, Inc. for Guia Mangá Física Mecânica Clássica ISBN 978-85-7522-196-9 © 2010 by Hideo Nitta and TREND-PRO Co., Ltd., published by Novatec Editora Ltda.
Edição original em japonês Manga de Wakaru Butsuri ISBN 4-274-06665-7 © 2006 por Hideo Nitta e TREND-PRO Co., Ltd., publicado pela Ohmsha, Ltd.Edição em inglês The Manga Guide to Physics ISBN 978-1-59327-196-1 © 2009 por Hideo Nitta e TREND-PRO Co., Ltd., co-publicação da No Starch Press, Inc. e Ohmsha, Ltd.Direitos para a edição em português acordados com a Ohmsha, Ltd. e No Starch Press, Inc. para Guia Mangá Física Mecânica Clássica ISBN 978-85-7522-196-9 © 2010 por Hideo Nitta e TREND-PRO Co., Ltd., publicado pela Novatec Editora Ltda.
Copyright © 2010 da Novatec Editora Ltda.
Todos os direitos reservados e protegidos pela Lei 9.610 de 19/02/1998. É proibida a reprodução desta obra, mesmo parcial, por qualquer processo, sem prévia autorização, por escrito, do autor e da Editora.
Editor: Rubens PratesIlustração: Keita TakatsuTradução: Silvio AntunhaRevisão técnica: Peter Jandl Jr.Editoração eletrônica: Camila Kuwabata e Carolina Kuwabata
ISBN: 978-85-7522-196-9
Histórico de impressões:Janeiro/2013 Terceira reimpressãoMarço/2012 Segunda reimpressãoMarço/2011 Primeira reimpressãoFevereiro/2010 Primeira edição
NOVATEC EDITORA LTDA.Rua Luís Antônio dos Santos 11002460-000 – São Paulo, SP – BrasilTel.: +55 11 2959-6529Fax: +55 11 2950-8869E-mail: [email protected]: www.novatec.com.brTwitter: twitter.com/novateceditoraFacebook: facebook.com/novatecLinkedIn: linkedin.com/in/novatec
Dados Internacionais de Catalogação na Publicação (CIP)(Câmara Brasileira do Livro, SP, Brasil)
Nitta, Hideo Guia mangá física / Hideo Nitta, Keita Takatsu, Trend-pro Co ; [ilutrações] Keita Takatsu ; [tradução Silvio Antunha]. -- São Paulo : Novatec Editora ; Tokyo : Ohmsha, 2010. -- (The manga guide)
Título original: The mangá guide to physics ISBN 978-85-7522-196-9
1. Física - História em quadrinhos 2. Física - Obras de divulgação I. Takatsu, Keita. II. Trend-pro Co. III. Título. IV Série.
10-00148 CDD-530
Índices para catálogo sistemático:
1. Física : História em quadrinhos 530 2. Física : Mangá 530
OG20121103
Sumário
Prefácio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xi
Prólogo A Física tira você do sério? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1
1 Lei da Ação e Reação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 Lei da ação e reação. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
Como funciona a Lei da ação e reação. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15Equilíbrio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20Equilíbrio x Lei da ação e reação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23Força gravitacional e da Lei da ação e reação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
As três leis do movimento de Newton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33Quantidades escalares x quantidades vetoriais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
Fundamentos dos vetores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37Vetores negativos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38Diferença entre dois vetores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38Multiplicação de vetoriais por escalares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
Equilíbrio e forças vetoriais. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39As três leis do movimento de Newton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
Como desenhar um diagrama de corpo livre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41Como expressar terceira lei de Newton com uma equação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
Gravidade e gravitação universal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2 Força e Movimento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 Velocidade e aceleração . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
Movimento simples. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46Aceleração. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
Laboratório: como descobrir a distância percorrida quando a velocidade varia . . . . . . . 53Leis de Newton: primeira e segunda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
Lei da inércia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58Lei da aceleração . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
Laboratório: como descobrir o valor exato de uma força . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73Movimento de uma bola arremessada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
As três regras do movimento acelerado uniforme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85Adição de vetores: o método ponta-para-início . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86A composição e decomposição de forças . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87A primeira lei do movimento de Newton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90A segunda lei do movimento de Newton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90A orientação de velocidade, aceleração, e força . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
viii sumário
O objeto não tem força própria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92A unidade de força . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92Medindo massa e força . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93Determinando o peso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94Entendendo o movimento parabólico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96Uso do cálculo para descobrir aceleração e velocidade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99Uso da área de um gráfico V-T para descobrir a distância percorrida por um objeto . . . . . . . . 100
3 Momento Linear . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 Momento linear e impulso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
O momento linear. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106Laboratório: variação no momento linear devido a diferença na massa . . . . . . . . . . . . . 109
Variação do momento linear e impulso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111Laboratório: como encontrar o momento linear de um saque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117A conservação do momento linear . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
A terceira lei de Newton e a conservação do momento linear . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120Laboratório: o espaço sideral e a conservação do momento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126Exploração do impulso no mundo real . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
Redução de impacto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129O avanço do saque de Megumi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
Momento linear e impulso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139Impulso e momento em nossas vidas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140Como obter a lei da conservação do momento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141Colisão elástica e inelástica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143Unidades para momento linear . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
Lei da conservação do momento para vetores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144Lei da ação e reação x Lei de conservação do momento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146A propulsão de um foguete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
4 Energia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151 Trabalho e energia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
O que é energia?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153Laboratório: qual a diferença entre momento e energia cinética? . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
Energia potencial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164Trabalho e energia potencial. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
Laboratório: o trabalho e a conservação da energia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172Trabalho e energia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
Laboratório: a relação entre trabalho e energia cinética. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178Distância de frenagem e velocidade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
A conservação da energia mecânica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184A transformação da energia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184Conservação da energia mecânica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
sumário ix
Laboratório: a lei da conservação da energia mecânica em ação. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191Como descobrir a velocidade e a altura de uma bola arremessada. . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
Laboratório: a conservação da energia mecânica em um ladeira. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195Unidades de medição de energia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200Energia potencial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
As molas e a conservação da energia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202Velocidade para arremessar para cima e altura atingida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203A orientação da força e do trabalho . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204Como descobrir uma quantidade de trabalho com força não uniforme (unidimensional) . . . . . 205A força não conservativa e a lei da conservação da energia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
Atrito: uma força não conservativa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207O atrito em uma ladeira . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
A colisão de moedas e a conservação da energia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
Epílogo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215 Apêndice Como Entender as Unidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
Índice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
A Física tira você do sério?
P R Ó L O G O
Shazam!
Meu Deus!
Atenção no jogo, Megumi!
PRECISO me concentrar...
Saque!
chui i i -
tac
!
ch
ui i i -
tac
!
ZUM!
Pou!
Horas antes...Como
foram na prova de Física?
Estamos comparando as respostas.
Bem, então,
qual foi a sua resposta para a Questão 9?
Eu escolhi a C.
Por quê?
Essa não... Eu MARQUEI A.
9) Suponha que você esteja rebatendo uma bola com uma raquete de tênis. O que é maior: a força da bola empurrando a raquete ou a força da raquete empurrando a bola? Selecione a resposta correta.
A . A força da raquete empurrando a bola é maior que a força da bola empurrando a raquete.
B. A força da bola empurrando a raquete é maior que a força da raquete empurrando a bola.
C. A força da bola empurrando a raquete é a mesma que a força da raquete empurrando a bola.
D. A relação entre a força da bola empurrando a raquete e a força da raquete empurrando a bola depende do peso da raquete e da velo-cidade da bola.
4 Prólogo
Oh, querida Megumi.
Esqueceu da Terceira Lei de Newton?
O que quer dizer,
Sayaka?
Não lembra?! É a Lei da Ação
e Reação.
A força da raquete sobre
a bola e a força da bola
sobre a raquete são sempre
equivalentes.
Portanto, a resposta certa é C!
PUXA!
RE RE RE
RE RE RE
Força da raquete
sobre a bola
Força da bola sobre
a raquete
Sentindo-se um gênio
A propósito, você
também não esqueceu
do nosso jogo depois
da aula?
Cla... Clar... Claro que
não!
Bem...
Tome cuidado para...
...não se dar mal no jogo também!
Grrrr...
Não posso com ela!
O que foi isso?
É, bem...
RE R
E RE
calma
ACE!
Clang
!
Clic
6 Prólogo
Essa não. Não consigo me
concentrar.
Eu...
A força sobre a bola precisa ser
maior!
Opa!
Se as forças sobre a raquete e a bola forem equivalentes...
Eu simplesmente não consigo
parar de pensar...
Rede!
Panc
UFA!
Se elas forem equivalentes...
Será que elas não se anulam mutuamente?
Mas então a bola não se moveria? Isso não faz
sentido!
fim de jogo!
Sayaka venceu!
puxa.
Tudo bem. Quem perde faz
a limpeza.
RE RE RE
fiu
fiu
Arre!
8 Prólogo
Suspiro.
Perdi para Sayaka...
E não consigo entender.
que diabos...?!
Aiii...
Oh, desculpe!
Ryota Nonomura,
meu colega?
Vuó
ósh
Tunc!
No final da tarde...
A Física tira você do sério? 9
Ele é muito conhecido na escola, pois
ganhou a medalha de prata
Bem, deixe-me ver...
Por que você...Bem, é que...
tinha uma bola PERTO
DE MIM.
Pensei que poderia ajudar, e tentei atirá-la
no cesto.
Mas não tenho
coordenação nenhuma.
Teria sido melhor se
você apenas a entregasse
como uma pessoa normal.
Bem... Acho que você tem
razão
na Olimpíada Internacional
de Física.
Tudo bem, foi um acidente.
O que fazia aqui, afinal?
Calculava o movimento da
bola enquanto assistia ao
jogo.
Uau! TÍPICO DE QUEM GANHOU A medalha
de prata na Olimpíada de
Física!
Então... Você também me
viu perder?
Bem, sim.
Ouça!...
Vou dizer por que perdi o
jogo.
COMO AssIM?
tunc tunc
Bufa
Lembra que na prova de Física de hoje havia uma pergunta sobre tênis.
Claro.
Eu entendi errado. Isso TIROU MINHA
CONCENTRAÇÃO.
Tirou, é?
Sim.
Sei...
Não conseguia me concentrar no jogo.
Posso pedir?
Nonomura-kun, você pode me ajudar a entender
Física?
Por que eu?!...
Você é CRAQUE, NÃO É?
Por favor, me ajude!
O quê?...
??
Megumi explica SUAS DÚVIDAS...
12 Prólogo
...
ai... QUE DOR HOrrÍVEL. Deve ser onde você
me atingiu com a bola.
O quÊ? Você está segurando
a barriga, A BOLA NÃO BATEU
AÍ!
Ok, tudo bem! Vou fazer isso!
Mesmo?
Mas você vai me prometer uma coisa: vai se esforçar
ao máximo para entender?
PODE APOSTAR!
Hum...
mas...
Uiii...
90 Capítulo 2 Força e Movimento
A primeira Lei do Movimento de Newton
A primeira lei do movimento de Newton afirma que um objeto continua a manter seu estado de repouso ou de movimento uniforme a menos que esteja sob o efeito de uma força líquida externa. Um objeto isolado no espaço sideral, onde nenhuma gravidade é exer-cida, vai ficar eternamente em repouso ou viajar com velocidade uniforme, a menos que outras forças sejam aplicadas nele. Um objeto em repouso pode ter forças que agem sobre ele, porém, a soma dessas forças deve ser igual a zero. Por exemplo, um objeto em repouso colocado sobre a mesa de trabalho está sujeito à força da gravidade para baixo. O objeto permanece em repouso porque recebe da mesa de trabalho uma força vertical para cima, o que produz a força resultante de zero.
Agora que entendemos as forças que agem sobre um objeto em repouso, podemos continuar para entender o que acontece quando a força líquida sobre um objeto não é zero.
A Segunda Lei do Movimento de Newton
Quando uma força é aplicada sobre um objeto, ele começa a se mover com uma aceleração uniforme proporcional à força líquida aplicada e inversamente proporcional à sua massa. Presumindo que o vetor de uma força aplicada ao objeto é F, a aceleração do objeto é a, e a massa do objeto é m, a segunda lei do movimento leva a seguinte equação:
F = ma
A massa é uma quantidade que tem apenas magnitude, então é uma quantidade esca-lar. Porém, lembre-se de que força e aceleração são vetores, então preste especial atenção à aceleração do objeto e à orientação da força. Elas estarão na mesma direção!
O carro de controle remoto que você viu na página 49 se move em um quadrado e atinge uma velocidade uniforme enquanto viaja em linha reta. Nesse momento, a força líquida do carro é zero. Porém, quando o carro vira em alguma esquina, uma força deve ser exercida para mudar a direção de sua velocidade. Essa é uma diferença importante: a aceleração não tem que mudar a magnitude de uma velocidade! Ela pode apenas mudar a direção de uma velocidade!
A Orientação de Velocidade, Aceleração, e Força
De acordo com a segundo lei do movimento, a orientação da aceleração sempre equivale a orientação da força. Porém, a orientação de velocidade não corresponde diretamente à orientação da força nem da aceleração. Da relação entre aceleração e velocidade (explicada na página 52) vem a seguinte equação:
variação da velocidade = aceleração × tempo
A Orientação de Velocidade, Aceleração, e Força 91
Isso significa que a orientação da variação da velocidade equivale à orientação da ace-leração! É uma diferença sutil, mas importante.
Vejamos um exemplo. Suponha que existe um objeto em movimento à velocidade constante v. Quando nenhuma força age sobre o objeto, ele se move em linha reta à velo-cidade v1, de acordo com a primeira lei do movimento. Se uma força vertical for aplicada ao objeto no tempo t, como a velocidade do objeto mudaria? Presumindo que a acelera-ção criada pela força é a e a velocidade depois de aplicada a força é v2, você pode obter a seguinte equação:
v2 − v1 = at
ou
v2 = v1 + at
Assim, a adição de uma força muda a direção do movimento de um objeto. Podemos facilmente prever o movimento desse objeto dividindo v2 em suas partes constituintes hori-zontais e verticais. Sua velocidade horizontal deve ser igual a v1, pois não havia nenhuma força na direção horizontal. A mudança na velocidade vertical do objeto é simplesmente at!
No exemplo do arremesso de uma bola na página 75, a força da gravidade continua agindo sobre a bola, mesmo quando a bola se move para cima. Quando a bola está subindo no ar, sua velocidade vertical está diminuindo devido à força da gravidade. Assim que inicia a queda, ela ganha velocidade para baixo. A velocidade horizontal da bola não muda, apenas sua velocidade vertical varia. O movimento da bola segue a forma de uma parábola, como mostra a figura a seguir.
Trajetória quando nenhuma força age (linear)v1
Força para baixo
Velocidade v1 antes de uma
força ser aplicadaMudança na velocidade at
Velocidade v2 depois de uma
força ser aplicada
Trajetória quando uma força é aplicada(observe que a orientação da velocidade mudou)
v1
92 Capítulo 2 Força e Movimento
O Objeto Não Tem Força Própria
Quem não estudou física tende a pensar que um objeto em movimento tem força. É uma noção comum, mas incorreta. Como aprendemos no Capítulo 1, a força é gerada entre pares de elementos cujos movimentos afetam uns aos outros. Um objeto em movimento não tem força interna que o faça ficar em movimento: isso é simplesmente o resultado da primeira lei do movimento.
Vamos observar o exemplo de uma bola sendo arremessada no ar. A bola recebe uma força da mão até o momento em que deixa a mão (como resposta, devido à lei da ação e reação, a mão recebe uma força da bola, mas essa força nada tem a ver com o movimento da bola). Assim que a bola deixa a mão, ela só recebe a força da gravidade da terra. A força da mão sobre a bola não permanece depois de a bola deixar a mão.
A Unidade de Força
A segunda lei de Newton informa a unidade de força:
força = massa × aceleração
Nessa equação, a unidade da massa é quilograma (kg), enquanto a unidade da aceleração é metros por segundo ao quadrado (m/s2). Portanto, a unidade da força é
igual a kg × m/s2. Para representar isso mais facilmente, podemos usar a unidade chamada de newton (N):
1 newton = 1 (kg × m/s2)
Você pode usar newtons para representar forças. Como talvez você imagine, essa unidade é assim chamada em homenagem ao grande Isaac Newton, que estabeleceu os fundamentos da física. A força de 1 N é equivalente à força necessária para acelerar um objeto com a massa de 1 kg a 1 m/s2.
Velocidade da bola
Observe que o componente horizontaldesse vetor não muda!
Orientação da forçada gravidade(que também éa orientação daaceleração)
Caminho da bola
t = 0
t = 0,2
t = 0,4
t = 0,6
t = 0,8
t = 0
t = 0,2
t = 0,4
t = 0,6
t = 0,8
potencial se refere à capacidade
armazenada de fazer trabalho.
Energia potencial
Antes, mencionei que a energia mecânica
inclui a energia cinética e a energia
potencial.
Você pode pensar na energia
potencial como a energia da posição.
O que isso quer dizer?
bem,
Então a energia potencial significa
energia armazenada?
Vamos usar o seu salto em altura como exemplo.
164 Capítulo 4 Energia
No momento em que você alcança a posição
mais alta no salto, sua energia cinética desaparece (v = 0).
Nesse ponto, você tem
energia POTENCIAL GRAVITACIONAL, e não energia
cinética.
Mas à medida que você cai, sua energia
cinética aumenta. Em outras palavras, no ponto mais alto, você fica estacionária. Então deve existir alguma energia armazenada escondida que
pode gerar energia cinética.
essa deve ser a energia potencial.
Sim, a energia potencial de uma altura em
particular cria energia cinética em um objeto
em queda.
Se Ryota segura um objeto nessa altura, ele armazena energia potencial nesse
objeto.
O objeto na mão de Ryota tem energia
potencial.
Quando o objeto cai, sua energia potencial se transforma em energia
cinética.
A energia potencial que vem da altura
é chamada de energia POTENCIAL
GRAVITACIONAL
porque sua fonte é a gravidade da
terra. Você quer dizer que existem outros tipos de energia potencial?
Certamente. Por exemplo, considere uma
tira de borracha ou uma mola.
Ele tem tantos brinquedos...
Quando é esticada para fora, a tira
de borracha armazena energia
potencial.
Quando você solta o estilingue, a energia potencial da tira de
borracha vira energia cinética para o tiro.
A tira de borracha, ou a mola, tem energia
para restaurar a si mesma para seu comprimento original. Esse tipo de energia potencial é chamado de energia POTENCIAL ELÁSTICA.
166 Capítulo 4 Energia
Você precisa levantar o objeto ou puxar a ponta da tira de borracha para dar
energia potencial ao objeto.
Do mesmo jeito, você deve impor
força a um objeto para criar energia
cinética.
Isso é referido
como trabalho.
Assim, de modo a transformar
energia, você deve impor UMA FORÇA POR UMA distância.
Bem, isso não parece ter nada
casual.
Você está certa. O trabalho em
mecânica é definido exatamente assim:
trabalho = deslocamento de um objeto × componente da força aplicada
na mesma direção
viu?
em outras palavras o trabalho é igual à distância multiplicada
pela força...
Bem, sim, mas também temos
que considerar a orientação dessa
força.
Tóóóii immm!
Componente da força aplicada na direção do deslocamento
Objeto
força
Deslocamento do objeto
Energia potencial 167
Quando você levanta um objeto na vertical,
o trabalho feito é igual à força aplicada
multiplicada pela distância levantada.
Porém, se simplesmente seguramos o objeto sem movê-lo, não geramos trabalho no sentido da mecânica,
mesmo se ficarmos muito cansados.
Você gera trabalho quando
levanta a mala
Mas segurar a mala não é
trabalho.
Sei. Mesmo se ficar cansada, isso não quer
dizer que gerei trabalho.
Você deve pensar no trabalho como um
meio de aumentar ou diminuir a energia de um objeto. Depois de
gerar trabalho em um objeto, você
pode dizer que...
o objeto deve ter energia cinética ou potencial. Mas você não pode dizer: o objeto tem
trabalho. O trabalho é gerado nos objetos por uma força.
Ok, entendi!
A mala de Ryota está pesada!
Força
Força
movimenta
segura
ui
Puf
Trabalho e Energia Potencial
Então, você pode aumentar a energia potencial ao gerar
trabalho.
Sim, se você gera trabalho para levantar
um objeto, a energia potencial dele aumenta.
Por exemplo, vamos considerar esta mala
novamente.
Aqui, foi gerado trabalho.
A orientação da força e do movimento da mala resulta em um valor positivo para a
quantidade de trabalho.
Isso significa que a energia potencial
aumentou.
força da mão
×
Altura que o objeto é
levantado
Trabalho e Energia Potencial 169
O valor do trabalho se torna negativo se
eu abaixar a mala?
Exatamente.
Energia potencial aumenta
Energia potencial
diminui
Quando você diminui a energia potencial da mala, a orientação da força é contrária à direção do movimento, significando
que trabalho negativo foi gerado na mala.
Da mesma forma, quando puxa a
tira de borracha, você está gerando trabalho positivo,
já que existe energia
potencial armazenada.
Força
Movimenta
Força
Segura
Trabalho Positivo Trabalho Negativo
F
essss
tica
Mas vou esclarecer: o trabalho não é
limitado por forças aplicadas diretamente
para cima.
Bem, deixe-me pensar... podemos usar uma
polia, ou uma rampa.
Sim, ao usar esses métodos, você reduz a quantidade de força que tem que aplicar
ao objeto para gerar energia potencial.
Nesses casos, a distância que o objeto deve
percorrer é maior, mas a força aplicada é menor.
Porém, o trabalho total
realizado é o mesmo, se eles estiverem sendo
levantados na mesma altura.
ops!
Isso é consequência
da Conservação de Energia.
entendo.
Trabalho e Energia Potencial 171
Epílogo 215
Pega essa!
Não importa quão
poderosa seja a cortada dela...
A relação entre o
momento e a força...
determina a velocidade do meu retorno.
Então...
Velocidade depois do
saque
Velocidade antes do
saque
Força
momento depois do
saque
Impulso dado pela raquete
momento depois do
saque
rrreeecc
216 Epílogo
A velocidade também
determina seu movimento
subsequente!
tome!
Ora, isto foi muito
esperto de sua parte.
Ryota ensinou muito bem a lição!
Mas não foi Ryota...
quem fez isso hoje,
foi?
Você sabe tudo o que precisa saber. Tudo o que você
precisa para vencer é se concentrar!
ops!
Vantagem para Sayaka.
agora,
eu vou pegar você, Megumi.
Ei!
ainda, não.
Ninomi...
ME-MEGU
PantPant...
Tum
Puf, puf
Ryota?!?!!
EU CONSEGUI...
Você está aqui!!
...
PEDI AOS ORGANIZADORES para adiarem
minha apresentação.
Valeu!Isso é ótimo.
Megu, lembre-se
apenas de se concentrar no
jogo. Tudo bem!
Eu posso vencer.
É o meu saque.
Ei, finalmente você me
chamou de Megu!
O que está ACONTECENDO
COM esses dois nerds?
momento
Impulso
Corta a bola!
DESTRUA, ESMAGUE ela!
220 Epílogo
Ace, ás!
Esse foi muito rápido.
Ela está muito melhor!
Gostaria de saber quem é o novo treinador de tênis dela!!! De
novo!!!
Epílogo 221
a caminho.
Ace, ás!Vantagem
para Megumi!
Não vou admitir isso.
Sou a número um.
Vamos conseguir, só mais um saque.
Mais uma vez.
Concentração, Sayaka!!!
Eu vou conseguir!!!
222 Epílogo
Lembro perfeitamente
das suas lições, Ryota.
Tornar meu corpo flexível.
Maximizar a força quando a raquete
bate na bola!
Epílogo 223
GAME, SET, ACABOU!
Vencida por Megumi!
Eu...
Consegui!Eu venci, Ryota!
Hein?!
ACE!
224 Epílogo
Ei, você!Não vai se
livrar de mim, viu?!
hUm...
Disfarça. Quer jogar comigo nas próximas
partidas de duplas?
...
Claro, negócio fechado.
Sabe Ryota,
parece a força da atração...
Talvez seja...
Do que vocês dois estão falando?!