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 = Q2 – Q1 => 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 = (VB – VA)/(vA – vB)
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:
M.V = m.v => 50.V = 0,5.10 => V = 0,1 m/s
Resposta: 0,1 m/s
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:
m.v = m.vA + m.vB
v = vA + vB
12 = 8,0 + vB
vB = 4,0 m/s
Resposta: 4,0 m/s
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:
a) Conservação da Quantidade de Movimento, imediatamente antes e imediatamente depois da colisão:
Qantes = Qdepois
mv = 2mV
v/V = 2 => V = v/2
b) ECantes / ECdepois = (mv2/2) / [2m.(v/2)2]/2 = 2
Respostas: a) 2; b) 2
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?
Resolução:
a) Sendo Qantes = Qdepois e tg α = m.v / 2m.v = 1/2 < 1, isto é, α < 45º, concluímos que B é uma trajetória possível.
b) O Teorema de Pitágoras aplicado ao triângulo sombreado fornece:
(3m.V)2 = (m.v)2 + (2m.v)2 = > V = √5/3.v
Respostas: a) B; b) V = √5/3.v
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:
a) Conservação da quantidade de movimento:
Qantes = Qdepois => m.vA + 0 = m.VA + m.VB => vA = VA + VB (1)
Choque perfeitamente elástico:
e = velocidade relativa de afastamento / velocidade relativa de aproximação
1 = VB – VA / vA (2)
De (1) e (2), vem: VB = vA e VA = 0.
Nota: As notações de velocidade (v), impulso (I) e quantidade de movimento (Q), em negrito, representam grandezas vetoriais.
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