Mecânica Prof. Dr. Luciano Soares Pedroso FÍSICA Mecânica: Cinemática

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Prof. Dr. Luciano Soares Pedroso

FÍSICA Mecânica: Cinemática

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FÍSICA Mecânica: Cinemática

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DIVISÕES PEDAGÓGICAS DA FÍSICA: (segundo o CBC)

FÍSICA

- MECÂNICA

- TERMOLOGIA

- ÓPTICA

- ONDULATÓRIA

- ELETRICIDADE

(movimentos)

(calor)

(luz)

(ondas)

(energia elétrica)

- CINEMÁTICA (efeitos)

- DINÂMICA (causas)

- ESTÁTICA (equilíbrio)

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MECÂNICA- Área da Física que estuda os movimentos.Foi dividida em:

CINEMÁTICA: estuda o movimento dos corpos sem se preocupar com sua causa, procurando investigar o que está acontecendo durante esse movimento: posição, tempo, velocidade, etc.

DINÂMICA: procura investigar suas causar, ou seja, o porquê de um movimento estar ocorrendo.

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- O primeiro cientista a se dedicar ao estudo da Mecânica foi Galileu Galilei, embora Aristóteles (384 a.C.) filósofo grego, já tivesse feito algumas observações a respeito dos movimentos dos astros e da queda de corpos.

- Seus estudos tiveram continuidade com Isaac Newton, que por coincidência nasceu no ano da morte do Galileu (1642-1727).

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É a parte da Física, dentro da Mecânica, que estuda as consequências dos movimentos dos corpos, tais como deslocamento, velocidade, aceleração e tempo gasto.

Para compreendermos essas consequências precisamos, antes, conhecer alguns conceitos básicos. São eles:

- Móvel

CINEMÁTICA:

- Referencial

- Movimento

- Repouso

- Trajetória

- Ponto Material

- Corpo Extenso

- Posição e Deslocamento

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I- CONCEITOS BÁSICOS DE CINEMÁTICA

1. Cinemática: É a parte da mecânica que estuda os movimentos dos corpos ou partículas sem se levar em conta o que os causou.

2. Ponto Material (partícula):

São corpos de dimensões desprezíveis comparadas com outras dimensões dentro do fenômeno observado.

Um automóvel é um ponto material em relação a

rodovia MG 050.

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3. Corpo Extenso

São corpos cujas dimensões não podem ser desprezadas comparadas com outras dimensões dentro do fenômeno observado. Por exemplo:

um automóvel em relação a uma garagem.

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Atenção!! Observe que ser ponto material ou corpo extenso depende do referencial de observação

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4. Movimento, repouso e referencial

Diremos que um móvel está em movimento em relação a certo referencial quando o móvel sofre um deslocamento em relação ao mesmo referencial, isto é, quando há uma variação da posição do móvel em função do tempo decorrido.

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4. Movimento, repouso e referencial

É possível haver movimento em relação a certo referencial sem que o móvel se aproxime ou se afaste do mesmo. É o caso de um móvel em movimento circular, quando o referencial adotado é o centro da trajetória. Sua posição (vetor) varia com o tempo, mas a distância do móvel em relação ao centro da trajetória não varia.

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5. TrajetóriaÉ o conjunto dos pontos ocupados pelo móvel no correr de seu movimento. Com relação à trajetória você deve saber que: a) A trajetória determina uma das características do movimento. Poderemos ter movimentos retilíneos, circulares, parabólicos etc., em função da trajetória seguida pelo móvel. b) A trajetória depende do referencial adotado. No caso de um corpo solto de um avião que se move horizontalmente com velocidade constante, para um observador fixo ao solo, a trajetória é parabólica, ao passo que para o piloto a trajetória é considerada uma reta.

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Simulação 1 Simulação 2

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Atenção!! Observe que: quem estiver dentro do avião verá o objeto cair em linha reta e, quem estiver na Terra verá um arco de parábola.

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simulação

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Trem de Galileu

• Experimentação;

• Simulação (trenzinho).

• Simulação (skatista e ciclista)

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Em um ônibus que se desloca com velocidade constante em relação a uma rodovia reta que atravessa uma floresta, um passageiro faz a seguinte afirmação: "As árvores estão se deslocando para trás".Essa afirmação ________ pois, considerando-se _______ como referencial, é (são) _________que se movimenta(m).

Selecione a alternativa que completa corretamente as lacunas da frase.

a) correta – a estrada – as arvoresb) correta – as arvores – a estradac) correta – o ônibus – as arvoresd) incorreta – a estrada – as arvorese) incorreta – o ônibus – as arvores

Exemplo 1

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6 - Distância percorrida

Em nosso estudo de cinemática chamaremos distância percorrida pelo móvel à medida associada à trajetória realmente descrita por ele.

O hodômetro colocado junto ao velocímetro do carro mede o caminho percorrido por ele. A indicação do hodômetro não depende do tipo de trajetória e nem de sua orientação. Por esse motivo consideramos a grandeza distância percorrida como a grandeza escalar, a qual indica uma medida associada à trajetória realmente seguida.

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DESLOCAMENTO ESCALAR (S):

S = S – So

S = Deslocamento escalarS = Posição final do móvel

S0 = Posição inicial do móvel

É importante ressaltar que deslocamento escalar e distância percorrida são conceitos diferentes. Enquanto o deslocamento escalar é uma simples comparação entre a posição inicial e a posição final, a distância percorrida é a soma de todos os espaços percorridos pelo móvel.

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Exemplo: Considere a trajetória dada na figura abaixo. Em cada item a seguir determine o deslocamento escalar e a distância percorrida:

Essa trajetória está numerada de um em um metro. A origem da trajetória é o marco zero. A trajetória é orientada positivamente para a direita. As posições dos pontos são as seguintes:

SA = – 7m SB = – 3m SC = 0 (está na origem)

SD = + 2m SE = + 6m

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a) Trajeto ABD:

Nesse caso o móvel saiu da posição A, foi até a posição B e em seguida dirigiu-se à posição D.

S = S – S0 = SD – SA = 2 – ( – 7) = 9 mDeslocamento Escalar:

Distância Percorrida:Entre A e B, o móvel andou 4m. Entre B e D, andou 5m. Portanto: Distância percorrida = 9 m

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b) Trajeto BED:

Nesse caso o móvel saiu da posição B, foi até a posição E e em seguida dirigiu-se à posição D.

S = S – S0 = SD – SB = 2 – ( – 3) = 5 mDeslocamento Escalar:

Distância Percorrida:Entre B e E, o móvel andou 9m. Entre E e D, andou 4m. Portanto: Distância percorrida = 13 m

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c) Trajeto EAB:

Nesse caso o móvel saiu da posição E, foi até a posição A e em seguida dirigiu-se à posição B.

S = S – S0 = SB – SE = – 3 – 6 = – 9 mDeslocamento Escalar:

Distância Percorrida:Entre E e A, o móvel andou 13m. Entre A e B, andou 4m. Portanto: Distância percorrida = 17 m

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d) Trajeto ABA:

Nesse caso o móvel saiu da posição A, foi até a posição B e em seguida dirigiu-se novamente à posição A.

S = S – S0 = SA – SA = – 7 – (– 7) = 0 mDeslocamento Escalar:

Distância Percorrida:Entre A e B, o móvel andou 4m. Entre B e A, andou 4m. Portanto: Distância percorrida = 8 m

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- O deslocamento escalar será positivo quando o móvel se deslocar mais no sentido positivo do que no sentido negativo da trajetória;

OBSERVAÇÕES IMPORTANTES:

- O deslocamento escalar será negativo quando o móvel se deslocar mais no sentido negativo do que no sentido positivo da trajetória;

- O deslocamento escalar será nulo em duas situações: quando o móvel permanecer em repouso e quando ele retornar à posição inicial;

- A distância percorrida somente será igual ao deslocamento escalar em duas situações: quando o móvel permanecer em repouso e quando o móvel caminhar somente no sentido positivo da trajetória, sem voltar.

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7. Deslocamento

Definimos deslocamento de um móvel em relação a certo referencial como sendo a variação do vetor posição em relação a esse mesmo referencial.

AO é o vetor posição inicial, OB o final de AB o vetor deslocamento desse móvel.

O

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Simulação 1Simulação 2

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• Qual a velocidade média de um carro de Fórmula 1?

É por issoentão!

http://www.google.com.br/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&docid=vXPDhDdGm0bT9M&tbnid=HiQhQXCAI_RtEM:&ved=0CAUQjRw&url=http://bloguetinho.blogspot.com/feeds/posts/default&ei=ZQzlU_-nNu3IsASqhIHADA&bvm=bv.72676100,d.cWc&psig=AFQjCNGcJwHUDKXaripjh7Zh8T2nsqKX6Q&ust=1407606204473345

http://www.google.com.br/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&docid=vXPDhDdGm0bT9M&tbnid=HiQhQXCAI_RtEM:&ved=0CAUQjRw&url=http://bloguetinho.blogspot.com/feeds/posts/default&ei=ZQzlU_-nNu3IsASqhIHADA&bvm=bv.72676100,d.cWc&psig=AFQjCNGcJwHUDKXaripjh7Zh8T2nsqKX6Q&ust=1407606204473345

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tXVm

8. Velocidade vetorial médiaChamamos vetor velocidade média (Vm) à razão entre o deslocamento (x) do móvel e o temo decorrido (t) nesse deslocamento.

tdVm

9. Rapidez (Velocidade “escalar” média)Chamamos rapidez (velocidade “escalar” média) (Vm) à razão entre o caminho percorrido (d) e o tempo gasto (t) para percorrê-lo.


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A velocidade média no Sistema Internacional de Unidades (S.I.) é medida em: m/s

Lembre-se que: Para transformarmos km/h em m/s basta dividirmos

o número por 3,6;

Para transformarmos m/s em km/h basta multiplicarmos o número por 3,6.

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Um dos fatos mais significativos nas corridas de automóveis é a tomada de tempos, isto é, a medida do intervalo de tempo gasto para dar uma volta completa no circuito. O melhor tempo obtido no circuito de Susuka, no Japão, pertenceu ao austríaco Gerard Berger, piloto da equipe Mclaren, que percorreu os 5874 m da pista em cerca de 1 min 42s. Com base nesses dados, responda:

a) Quanto vale o deslocamento do automóvel de Gerard Berger no intervalo de tempo correspondente a uma volta completa no circuito?

b) Qual a velocidade média desenvolvida pelo carro do piloto austríaco, em sua melhor volta no circuito?

c) Qual a velocidade escalar média desenvolvida pelo carro do piloto austríaco, em sua melhor volta no circuito?

Exemplo 2

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Simulação 1Simulação 2Simulação 3Simulação 3

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Exemplo 3

A distância entre o marco zero de Recife e o marco zero de Olinda é de 7 km. Supondo que um ciclista gaste 1h e 20 min pedalando entre as duas cidades, qual a sua velocidade escalar média neste percurso, levando em conta que ele parou 10 min para descansar?

RECIFE

d=7 km

OLINDA

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Exemplo 3

• Resolução:Velocidade média é uma grandeza física, o tempo que o ciclista ficou parado faz parte do evento logo deve ser incluído

d = 7 km

t = 1h e 20 min + 10 min = 1h e 30 min = 1,5h Vm = d Vm = 7 = 4,66 km/h t 1,5

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Durante um rallye, os motoristas deverão ir de uma cidade A a outra B e retornar a A. Contará maior número de pontos aquele que o fizer no menor tempo, dentro das seguintes alternativas:

1º ) fizer o percurso de ida com velocidade média de 120 km/h e o percurso de volta com velocidade média de 80 km/h

ou

2º ) fizer o percurso de ida e volta com velocidade média de 100 km/h.

Os motoristasa) poderão escolher qualquer das duas alternativas, pois a velocidade média é a mesma.b) deverão escolher a primeira alternativa.c) deverão escolher a segunda alternativa.d) Não é possível escolher a melhor alternativa sem conhecer a distância entre as cidades A e B.

Exemplo 4

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Solução

𝑣𝑚=𝑑∆ 𝑡→∆ 𝑡=

𝑑𝑣𝑚

𝑑𝑖=𝑑𝑣=𝑋

∆ 𝑡 𝑖=𝑋

120 ∆ 𝑡𝑣=𝑋80

∆ 𝑡=∆ 𝑡𝑖+∆ 𝑡𝑣=𝑋

120 +𝑋80 =

2𝑋+3 𝑋240 =

5 𝑋240

𝑣𝑚=𝑑∆ 𝑡=

2𝑋5 𝑋240

=480 𝑋

5 𝑋 =96 𝑘𝑚/h

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Exemplo 5

A distância do Sol até a Terra é de 150 milhões de quilômetros. Se a velocidade da luz for tida como 300 000 km/s, quanto tempo demora para a luz solar atingir a Terra?Solução:

então

150000000 500300000

500 equivalem a 8 min 20 s.

d dv tt vdt svs

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• O Google nos fornece uma ferramenta muito poderosa para tratar de questões de cinemática. http://www.google.com.br


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O que vamos encontrar?

Damos um clique duplo sobre a região desejada


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Consigo Achar minha Cidade?

Clico em Como chegar


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Escolho partida e Destino


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Qual a Velocidade Média utilizada pelo Google no referido trajeto?

Distância de 7,7 km Tempo gasto 14 min

x min 14hora 1min60

horas 0,23 horas ...2333,0

min 60min hora.14 1

min hora.14 1.min60

xx

x

x

Tempo gasto 0,23 horas

hkmhkmhkmvm /48,33/4782,33

23,07,7

Velocidade média utilizada pelo Google


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A velocidade de um móvel, normalmente, é variável. Esta ideia nos permite estabelecer uma nova grandeza física associada à variação da velocidade e ao tempo decorrido nessa variação. Essa grandeza é a aceleração.

Aceleração de um movimento é a razão entre a variação da velocidade e o intervalo de tempo decorrido.

tva

10. Aceleração de um móvel

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Exemplo 6

Qual a aceleração média de um movimento uniforme variado, de acordo com a tabela de valores abaixo:

m/s 24 20 16 12 s 0 2 4 6

212 24 12 2

6 0 6v ma st

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Exemplo 7

O maquinista de um trem aciona os freios da composição reduzindo sua velocidade de 40 km/h para 30 km/h em 1 minuto. Qual a desaceleração do trem?

Solução

2600

601

10

min1

3040

hkm

h

hkm

hkm

hkm

tva

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II- Movimento Retilíneo Uniforme

O movimento de um corpo é chamado retilíneo uniforme quando a sua trajetória for uma reta e ele efetuar deslocamentos iguais em intervalos de tempos iguais. Isso significa que a sua velocidade é constante e diferente de zero.

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, e,

V CTE 0 a a ac t 0 0 0 e ( )

Características:

deslocamentos iguais em tempos iguais.

v

v

v

txV

t.Vxx 0

Velocidade:

Função Horária:

M

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d ÁreaN

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III- Movimento Retilíneo Uniformemente Variado

O movimento de um móvel é chamado retilíneo uniformemente variado quando a sua trajetória é uma reta e o módulo da velocidade sofre variações iguais em tempos iguais. Isso significa que a aceleração é constante e diferente de zero.

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Atenção! Acelerado: o Módulo da velocidade aumenta no

decorrer do tempo.

Retardado: o Módulo da velocidade diminui no decorrer

do tempo.

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Características: O módulo da velocidade sofre variações iguais em

tempos iguais.a CTE 0 ( ) a acp t 0 0 e v

atVV 0

2attVxx

200

2 20 2 . . V V a X

Função Horária da Velocidade:

Função Horária do Movimento:

Equação de Torricelli:

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aceleraçãotg d ÁreaN

M

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M

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M

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ica Uma partícula desloca-se em Movimento Retilíneo

Uniformemente Variado de acordo com a seguinte equação horária das posições: X = 32 – 15.t + 4.t2, em unidades do S.I.. Determine:

a) A posição inicial.b) A velocidade inicial. c) A aceleração.

Exemplo 8

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ica a) X = X0 + V0.t + 1 .a.t2

2

X = 32 – 15.t + 4.t2

X0 = 32m

b) X = X0 + V0.t + 1 .a.t2

2

X = 32 – 15.t + 4.t2 V0 = -15m/s

Resolução

X = X0 + V0.t + 1 .a.t2

2a = 8 m/s2

c)

Exemplo 8

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Uma motocicleta pode manter uma aceleração constante de 10 m/s2. A velocidade inicial de um motociclista que deseja percorrer uma distância de 500 m, em linha reta, chegando ao final com uma velocidade de 100 m/s, é de:

V0100m/s

500 m

Exemplo 9

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Resolução

V2 = V02 + 2.a.X

COMO V = 100 m/s , X =500 m e a = 10 m/s2

Temos: 1002 = V0

2 + 2.10.500

10000 = V02 + 10000

V0 = 0

Exemplo 9

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III- Movimento de Queda Livre

A queda livre é o movimento de um objeto que se desloca livremente, unicamente sob a influência da gravidade.

Não depende do movimento inicial dos objetos:Deixado cair do repousoAtirado para baixoAtirado para cima

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Quem tinha razão acerca da queda

dos graves?

GalileuAristóteles

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Galileu, o primeiro físico moderno, estudou a queda dos corpos

Refutou as hipóteses de Aristóteles

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O valor (módulo) da aceleração de um objeto em queda livre é g = 9,82 m/s2

g diminui quando aumenta a altitude 9,82 m/s2 é o valor médio à superfície da Terra.

Os movimentos de lançamento vertical e queda livre são movimentos retilíneos.

M

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M

ecân

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g

v

O Movimento de queda livre é um

movimento uniformemente

acelerado(+)yg

v0

O Movimento de lançamento vertical é

um movimento uniformemente

retardado(+)y

y0

M

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As equações obtidas para partículas em movimento com aceleração constante (MRUV) são aplicáveis ao corpo em queda livre. Assim

20 0

12

h h v t gt

0v v gt 0 atvv

21 2

00 attvxx

2 20 + 2 . a . V V X 2 2

0 2 . g . hV V

M

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Queda sem resistência

do ar

M

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Queda com resistência

do ar

M

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M

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Um corpo cai livremente a partir do repouso; calcule a sua posição e velocidade em t = 1.0. Considere g=10 m/s2

20 0

1 2

y y v t gt

ov v gt

Resolução

Exemplo 10

2110.1 52

y m

10.1 10v m s

M

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