205Tópico 5 – Movimentos em campo gravitacional uniforme
1 E.R. No instante t0 = 0, uma pedra é abandonada (velocidade
inicial nula) de um ponto situado nas proximidades da superfície da Terra a uma altura h.
t0 = 0
h
Superfície da Terra
Desprezando a inf luência do ar e sendo g o módulo do vetor campo gravitacional, determine:a) o intervalo de tempo decorrido desde o abandono da pedra até
seu impacto com o solo, ou seja, o tempo de queda (tq);
b) o módulo da velocidade com que a pedra atinge o solo, isto é, sua velocidade de impacto (v
i).
Resolução:Adotando a origem dos espaços na posição de abandono da pedra e orientando a trajetória para baixo, temos α = g.Em t
0 = 0: s
0 = 0
e v = v0 = 0
Em t = tq: s = h
e v = vi
t0 = 0
ht = tq
s
v0 = 0O
a) A função horária do espaço é adequada para resolver este item, pois ela relaciona espaço com tempo:
s = s0 + v
0 t + α
2 t2 ⇒ h = 0 + 0t
q +
g2
t2q ⇒ t
q = 2h
g
Observe que o tempo de queda não depende da massa do cor-po abandonado, o que está de acordo com a 1a propriedade do estudo do movimento vertical.
b) De acordo com a equação de Torricelli, temos:
v2 = v20 + 2α (s – s
0)
v2i = 02 + 2g (h – 0)
vi = 2gh
Observe que a velocidade vi com que a pedra chega ao chão tam-
bém não depende de sua massa.
2 Um corpo cai de uma altura igual a 245 m em relação ao solo. Considerando g = 10 m/s2 e supondo ausente a atmosfera, determine:a) o tempo de duração da queda;b) o módulo da velocidade do corpo imediatamente antes de se cho-
car com o solo.
Resolução:Sugestão: Quando o corpo é abandonado ou lançado verticalmente para baixo, orientar a trajetória para baixo.Quando o corpo é lançado verticalmente para cima, orientar a traje-tória para cima.
a) h = g t2
q
2 ⇒ 245 =
10 t2q
2 ⇒ t
q = 7 s
b) v2 = 2 g h = 2 · 10 · 245 = 4 900 ⇒ v = 70 m/s
ou: v = g tg = 10 · 7 ⇒ v = 70 m/s
Respostas: a) 7 s; b) 70 m/s
3 Uma pedra abandonada na Lua, de um ponto situado a 80 m de altura, demora 10 s para atingir a superfície desse satélite. Determine:a) o módulo do vetor campo gravitacional nas proximidades da su-
perfície lunar;b) o intervalo de tempo que uma pedra, com o dobro da massa da
primeira, demoraria para cair da mesma altura.
Resolução:
a) h = g t2
q
2 ⇒ 80 =
g · 102
2 ⇒ g = 1,6 m/s2
b) 10 s, pois, na queda livre, a aceleração independe da massa do cor-po que cai.
Respostas: a) 1,6 m/s2; b) 10 s
4 Um objeto cai verticalmente, passando por um nível horizontal a 1,0 m/s e depois por outro nível horizontal a 9,0 m/s. Qual a distância entre os dois níveis citados? Adote g = 10 m/s2.
Resolução:
v22 = v2
1 + 2 g Δs ⇒ 9,02 = 1,02 + 2 · 10 · Δs ⇒ Δs = 4,0 m
Resposta: 4,0 m
5 (USF-SP) Um objeto, abandonado do repouso em queda livre, de uma altura h, num local onde a aceleração da gravidade tem mó-dulo igual a g, atinge o ponto médio da trajetória com velocidade de módulo igual a:
a) hg
. c) g h. e) g h.
b) g
h. d)
g
h.
Resolução:
v2 = 2 g h2
⇒ v = g h
Resposta: c
6 (Vunesp-SP) Um experimento simples, realizado com a partici-pação de duas pessoas, permite medir o tempo de reação de um indi-víduo. Para isso, uma delas segura uma régua de madeira, de 1 m de comprimento, por uma de suas extremidades, mantendo-a pendente na direção vertical. Em seguida, pede que o colega coloque os dedos
Tópico 5
206 PARTE II – DINÂMICA
em torno da régua, sem tocá-la, próximos da marca correspondente a 50 cm, e o instrui para agarrá-la tão logo perceba que foi solta. Deter-mine, a partir da aceleração da gravidade (g) e da distância (d) percorrida pela régua na queda, o tempo de reação dessa pessoa.
Resolução:O tempo de reação é igual ao tempo que a régua leva para percorrer a distância d. Sendo Δs = d, v
0 = 0 e α = g, temos:
Δs = v0 t + α
2 t2 ⇒ d =
g2
t2 ⇒ t =
2dg
Resposta:
2dg
7 Considere um tubo disposto verticalmente, no qual se realizou o vácuo. Um dispositivo faz uma bolinha metálica ser abandonada dentro do tubo, em sua extremidade superior. Sabendo que esse experimento é realizado na superfície da Terra, podemos af irmar que a bolinha:a) não cai, porque não existe gravidade no vácuo;b) cai em movimento retilíneo e uniforme;c) cai com uma aceleração tanto maior quanto mais intenso for o seu
peso;d) cai com a mesma aceleração com que cairia nas vizinhanças da Lua;e) cai com aceleração de módulo aproximadamente igual a 9,8 m/s2,
independentemente da intensidade de seu peso.
Resposta: e
8 E.R. Um corpo é arremessado verticalmente para cima a partir da superfície da Terra, com velocidade v
0 em t
0 = 0. Desprezando a inf luên-
cia do ar e sendo g o módulo da aceleração da gravidade, determine:a) o intervalo de tempo decorrido desde t
0 = 0 até a pedra atingir sua
altura máxima, isto é, o tempo de subida (ts);
b) o intervalo de tempo durante o qual a pedra volta do ponto de altu-ra máxima até a superfície da Terra, ou seja, o tempo de queda (t
q);
c) a altura máxima (hmáx
) atingida pela pedra em relação ao ponto de lançamento.
Resolução:Nesse caso, adotando a origem dos espaços no ponto de lançamento e orientando a trajetória para cima, temos α = –g.
t0 = 0
hmáxt = ts
sv = 0
0
Em t0 = 0: s
0 = 0 e v = v
0
Em t = ts: s = h
máx e v = 0
a) Usando a função horária da velocidade escalar, temos:v = v
0 + α t ⇒ 0 = v
0 – g t
s
ts =
v0
g
b) O tempo de queda (tq) é igual ao tempo de subida.
Assim:
tq =
v0
g
c) Usando a equação de Torricelli, temos:
v2 = v20 + 2α (s – s
0)
02 = v20 + 2(–g) (h
máx – 0)
hmáx
= v2
0
2g
Observe que o tempo de subida, o tempo de queda e a altura má-xima são independentes da massa do corpo.
9 Um parafuso é jogado verticalmente para cima com velocidade de módulo 20 m/s. Desprezando a inf luência do ar e sendo g = 10 m/s2, determine:a) o intervalo de tempo decorrido até o parafuso retornar ao ponto de
lançamento;b) a altura máxima atingida pelo parafuso em relação ao ponto de
lançamento.
Resolução:a) v = v
0 – g t ⇒ 0 = 20 – 10 t
s ⇒ t
s = t
g = 2 s; T = t
s + t
g ⇒ T = 4 s
b) v2 = v20 – 2 g Δs ⇒ 02 = 202 – 20 h
máx ⇒ h
máx = 20 m
Respostas: a) 4 s; b) 20 m
10 Um astronauta em solo lunar lança uma pedra verticalmente para cima no instante t
0 = 0, com velocidade inicial de módulo 32 m/s
(g = 1,6 m/s2).a) Em que instante a pedra atinge o ponto de altura máxima?b) Qual a altura máxima atingida?
Resolução:a) v = v
0 – g t ⇒ 0 = 32 – 1,6 t
s ⇒ T
s = 20 s
b) v2 = v20 – 2 g Δs ⇒ 02 = 322 – 3,2 h
máx ⇒ h
máx = 320 m
Respostas: a) 20 s; b) 320 m
11 De um mesmo local da superfície da Lua, são lançadas vertical-mente para cima, com a mesma velocidade inicial, duas pedras A e B, de massas respectivamente iguais a 10 g e 500 g. Compare:a) as alturas máximas atingidas pelas pedras A e B;b) os tempos que elas demoram para retornar ao local do lança-
mento.
Respostas: a) Iguais; b) Iguais
207Tópico 5 – Movimentos em campo gravitacional uniforme
12 Uma esfera de chumbo é lançada verticalmente para cima e retorna ao ponto de partida 8,0 s após o lançamento. Considerando desprezíveis as inf luências do ar e usando g igual a 10 m/s2, calcule:a) o módulo da velocidade de lançamento;b) a altura máxima atingida pela esfera em relação ao ponto de partida.
Resolução:a) v = v
0 – g t
0 = v0 – 10 · 4,0 ⇒ v
0 = 40 m/s
b) v2 = v20 – 2 g Δs
02 = 402 – 2 · 10 · hmáx
⇒ hmáx
= 80 m
Respostas: a) 40 m/s; b) 80 m
13 (UFPE) A partir da altura de 7,0 m, atira-se uma pequena bola de chumbo verticalmente para baixo, com velocidade de módulo 2,0 m/s. Despreze a resistência do ar e calcule o valor, em m/s, da velo-cidade da bola ao atingir o solo (g = 10 m/s2).
Resolução:
v2 = v20 + 2 g Δs ⇒ v2 = 2,02 + 2 · 10 · 7,0 ⇒ v = 12 m/s
Resposta: 12
14 Um senhor, levando uma maleta em uma das mãos, entra em um elevador no último andar de um edifício. Durante a descida, ele solta a maleta e verif ica que ela não cai em relação ao seu corpo. Nessa situação, o que se pode concluir sobre o movimento do elevador em relação ao solo?
Resolução:Em relação ao solo, a maleta cai com aceleração de módulo g. Como o corpo da pessoa e a maleta permanecem lado a lado, concluímos que, em relação ao solo, a pessoa e o elevador também têm aceleração de módulo g (queda livre).
Resposta: O elevador está em queda livre.
15 Uma partícula é abandonada a partir do repouso, de um ponto situado a 270 m acima do solo. Divida essa altura em três partes tais que sejam percorridas em intervalos de tempo iguais.
Resolução:Usando o gráf ico v × t:
V
Δt Δt Δt 0
A2 A1
A3
t
A1 + A
2 + A
3 = 270
A1 + 3 A
1 + 5 A
1 = 270 ⇒ 9 A
1 = 270 ⇒ A
1 = 30 m
Portanto:
A1 = 30 m A
2 = 3 A
1 = 90 m A
3 = 5 A
1 = 150 m
Evidentemente, a questão também pode ser resolvida pelas equações do movimento.
Respostas: 30 m, 90 m e 150 m
16 E.R. Um corpo com velocidade inicial nula cai no vácuo du-rante 10 s. Sendo g = 10 m/s2, determine a distância percorrida pelo corpo:a) durante os últimos 4 segundos de queda;b) durante o 5o segundo de queda.
Resolução:
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
t (s)5º segundo Últimos
4 segundos-
a) Os últimos 4 segundos iniciam-se em t1 = 6 s e terminam em
t2 = 10 s. Calculemos as velocidades escalares em t
1 = 6 s e em
t2 = 10 s, considerando a trajetória do corpo orientada para baixo
(α = g):v = v
0 + α t
v = 10t
Em t1 = 6 s, temos: v
1 = 10 · 6 ⇒ v
1 = 60 m/s
Em t2 = 10 s, temos: v
2 = 10 · 10 ⇒ v
2 = 100 m/s
Aplicando a equação de Torricelli entre t1 e t
2, vem:
v22 = v2
1 + 2α Δs
1002 = 602 + 2 · 10 · Δs
Δs = 320 m
b) O 5o segundo inicia-se em t’1 = 4 s e termina em t’
2 = 5 s.
Em t’1 = 4 s, temos: v’
1 = 10 t’
1 = 10 · 4 ⇒ v’
1 = 40 m/s
Em t’2 = 5 s, temos: v’
2 = 10 t’
2 = 10 · 5 ⇒ v’
2 = 50 m/s
Aplicando a equação de Torricelli, vem:
v’22 = v’2
1 + 2α Δs’
502 = 402 + 2 · 10 · Δs’
Δs’ = 45 m
17 Suponha que um corpo caia livremente de um ponto a 490 m acima do solo. Determine seu deslocamento durante o último segun-do de sua queda, considerando g = 9,8 m/s2.
Resolução:
• h = g t2
2 ⇒ 490 = 9,8 t2
q
2 ⇒ tq = 10 s
• v = 9,8 t vg = 9,8 · 9
v10
= 9,8 · 10
• v210
= v2g + 2 g Δs
208 PARTE II – DINÂMICA
9,82 · 100 = 9,82 · 81 + 2 · 9,8 · Δs 9,8 · 100 = 9,8 · 81 + 2 Δs ⇒ 9,8 (100 – 81) = 2 Δs ⇒ Δs = 93 m
Resposta: 93 m
18 Em um dia chuvoso, surgiu uma goteira no teto de uma fábri-ca. Gotas de água começaram a cair periodicamente, com velocidade inicial nula. Sendo H a altura do teto e sabendo que a primeira gota formada toca o solo no instante em que a terceira está se despren-dendo, desenhe as gotas nesse instante, indicando as distâncias en-tre elas.
Resolução:Se a segunda gota percorreu uma distância x durante um tempo t, a primeira percorreu x + 3x durante um tempo 2t:
x + 3x = H ⇒ x = H4
Resposta:
H4
3H4
3ª
2ª
1ª
19 (UFSCar-SP) Uma pedra cai de uma altura h e os últimos 196 m são percorridos em 4,0 s. Desprezando a resistência do ar e fazendo g = 10 m/s2, calcule h.
Resolução:
10 T
0 T t (s)
v = 10t
v (m/s)
últimos 4 s
T – 4
10 (T – 4)
Δs
Δs = “área” ⇒ 196 = (10 T) + [10 (T – 4)]2
· 4
T = 6,9 sh = “área” de 0 a T = T 10 T
2 = 6,9 · 69
2
h = 238 m
Resposta: 238 m
20 Um corpo é arremessado verticalmente para cima com velo-cidade inicial de módulo 100 m/s. Desprezando a inf luência do ar e supondo g = 10 m/s2, determine:a) a altura máxima atingida pelo corpo em relação ao ponto de lança-
mento;b) a velocidade escalar do corpo ao passar pelo ponto situado a 255 m
acima do ponto de lançamento.
Resolução:a) v2 = v2
0 – 2g Δs ⇒ 02 = 1002 – 20 h
máx ⇒ h
máx = 500 m
b) v2 = 1002 – 20 · 255 ⇒ v = ± 70 m/s
Respostas: a) 500 m; b) 70m/s ou –70 m/s
21 Uma bolinha de chumbo é lançada verticalmente para cima, rea-lizando uma ascensão praticamente livre, de duração maior que 2 s. Considerando g = 9,8 m/s2:a) Qual é a distância percorrida pela bolinha durante o último segun-
do da subida?b) A resposta do item a depende do módulo da velocidade de lança-
mento?c) A distância percorrida no último segundo de queda, no retorno ao
ponto de partida, depende do módulo da velocidade de lançamento?
Resolução:a) Durante a subida, o módulo da velocidade diminui 9,8 m/s em cada
segundo. Então, como a velocidade é igual a zero no f inal da su-bida, 1 s antes de parar ela vale 9,8 m/s, independentemente do módulo da velocidade de lançamento:
9,8
1 s
v (m/s)
t (s)
“área” = Δs
0
Δs = 1 · 9,8
2 ⇒ Δs = 4,9 mb) Não.c) Sim. A distância percorrida no último segundo de queda é igual à
percorrida no primeiro segundo de ascensão, que será tanto maior quanto maior for o módulo da velocidade de lançamento.
Respostas: a) 4,9 m; b) Não; c) Sim
22 Da superfície de um astro, uma pedra foi lançada verticalmente para cima. Sua posição em relação à superfície variou com o tempo, de acordo com o gráf ico seguinte, que é praticamente um arco de parábola:
0
24
s (m)
t (s) 2,0
209Tópico 5 – Movimentos em campo gravitacional uniforme
Calcule:a) o módulo v
0 da velocidade de lançamento da pedra;
b) a intensidade g do campo gravitacional na superfície desse astro.
Resolução:De t
0 = 0 a t = 2,0 s, temos:
a) vm
= ΔsΔt
= v
0 + v
2
2 ⇒ 24
2,0 =
v0 + 02
⇒ v0 = 24 m/s
b) v2= v
0 + αt ⇒ 0 = 24 + α · 2,0 ⇒ α = –12 m/s2 ⇒ g = 12 m/s2
Respostas: a) 24 m/s; b) 12 m/s2
23 Um objeto é atirado verticalmente para baixo com velocidade igual a 20 m/s, de um ponto situado a 300 m do solo. Desprezando qualquer inf luência do ar e supondo g = 10 m/s2, determine, ao f inal do 5o segundo de movimento:a) a velocidade escalar do objeto;b) a sua altura relativa ao solo.
Resolução:a) v = v
0 + g t ⇒ v
5 = 20 + 10 · 5 ⇒ v
5 = 70 m/s
b) Δs = v0 t +
g t2
2 = 20 · 5 + 5 · 52 ⇒ Δs = 225m
h = 300 – 225 ⇒ h = 75 m
Respostas: a) 70 m/s; b) 75 m
24 (Mack-SP) Os pontos A e B, da mesma vertical, estão respectiva-mente a 320 cm e 180 cm de altura de uma esteira rolante. No mesmo instante, de cada um desses pontos, abandona-se do repouso uma pe-dra. Essas pedras atingem pontos da esteira que distam 16 cm entre si. A velocidade escalar da esteira é constante igual a:a) 90 cm/s. b) 85 cm/s. c) 80 cm/s. d) 60 cm/s. e) 40 cm/s.
180 cm
320 cm
A
B
Esteira
Adote g = 10 m/s2 e despreze o efeito do ar.
Resolução:
• Tempo de queda: tq =
2hg
• Intervalo de tempo entre as duas quedas:
Δt = 2 · 3,2
10 – 2 · 1,8
10 ⇒ 0,8 – 0,6 ⇒ Δt = 0,2 s
• Para a esteira:
v = ΔsΔt
= 160,2
⇒ v = 80 cm/s
Resposta: c
25 (Olimpíada Brasleira de Física) Uma pessoa está na sacada de um prédio e joga uma pedra verticalmente para cima com velocidade inicial de módulo v
0. Depois, ela joga uma segunda pedra, só que agora verti-
calmente para baixo, com o mesmo módulo de velocidade v0. Despre-
zando-se a resistência do ar, podemos af irmar que, em relação à situação em que elas estão chegando ao chão, a pedra jogada para cima terá:a) a mesma aceleração que a jogada para baixo, mas velocidade maior
em módulo.b) a mesma aceleração que a jogada para baixo, mas velocidade me-
nor em módulo.c) a mesma aceleração e velocidade que a jogada para baixo.d) a mesma velocidade que a jogada para baixo, mas uma aceleração
maior em módulo.e) a mesma velocidade que a jogada para baixo, mas aceleração me-
nor em módulo.
Resolução:• A aceleração é igual a g para as duas pedras.• Ao retornar à sacada, a primeira pedra terá velocidade de módulo v
0.
Resposta: c
26 De uma janela de um edifício, a 60,0 m de altura, uma pedra A é lançada verticalmente para cima com velocidade escalar de 19,6 m/s, no instante t
0 = 0 em que se inicia a contagem do tempo. Decorridos
3,0 s, uma outra pedra B é abandonada do mesmo local. Desprezando a inf luência do ar e considerando g = 9,8 m/s2, determine:a) o instante em que a pedra A passa pela pedra B;b) a que altura, relativa ao solo, A passa por B.
Resolução:s = s
0 + v
0 t + α
2 t2
sA = 60 + 19,6 t – 4,9 t2
sB = 60 – 4,9 (t – 3)2
t0 = 0 A B
s (m)
60 m
0
a) sA = s
B:
60 + 19,6 t – 4,9 t2 = 60 – 4,9 (t – 3)2
t = 4,5 s
b) sB = 60 – 4,9 (4,5 – 3)2
sB = s
A = 49 m
Respostas: a) 4,5 s; b) 49 m
210 PARTE II – DINÂMICA
27 E.R. Um balão sobe verticalmente com velocidade escalar constante de módulo 5,0 m/s. Quando sua altura em relação ao solo é de 30 m, um garoto abandona do balão um pequeno pacote, que f ica sob a ação exclusiva do campo gravitacional terrestre, cuja inten-sidade é de 10 m/s2. Determine:a) a altura máxima que o pacote alcança em relação ao solo;b) o intervalo de tempo gasto pelo pacote para chegar ao solo, a
contar do instante em que foi abandonado;c) o módulo da velocidade escalar de impacto do pacote contra o solo.
Resolução:a) Quando o garoto abandona o pacote, este está subindo vertical-
mente a 5,0 m/s em relação ao solo. Por isso, em relação ao solo, o pacote ainda sobe um pouco, antes de descer.
t0 = 0
Solo
sv0 = 5,0 m/s
O
30 m
Adotando a origem dos espaços no solo e orientando a trajetória para cima, temos, para o pacote:
s0 = 30 m, v
0 = 5,0 m/s e α = –g = –10 m/s2
Usando a equação de Torricelli:
v2 = v20 + 2α (s – s
0)
v2 = 25 – 20(s – 30) (I)
Quando o pacote atinge a altura máxima, temos:
v = 0 e s = hmáx
Substituindo em (I), vem:
0 = 25 – 20(hmáx
– 30)
hmáx
= 31,25 m
b) Usando a função horária do espaço, temos:
s = s0 + v
0 t + α
2 t2
s = 30 + 5t – 5t2 (II)
Ao chegar ao solo:s = 0 e t = t
c
Substituindo em (II), vem:
0 = 30 + 5tc – 5t2
c
tc = 3,0 s
c) Usando a função horária da velocidade, temos:
v = v0 + α t
v = 5 – 10t (III)
Ao chegar ao solo:
v = vc e t = t
c = 3,0 s
Substituindo em (III), vem:
vc = 5 – 10 · 3 ⇒ v
c = –25 m/s
|vc| = 25 m/s
28 (IME-RJ) Uma pedra cai de um balão, que sobe com velocidade constante de 10 m/s. Se a pedra demora 10 s para atingir o solo, a que altura estava o balão no instante em que se iniciou a queda da pedra? (g = 10 m/s2)
Resolução:
t0 = 0v0 = 10 m/s
t = 10 s
s
H
0
s = s0 + v
0 t –
g t2
2
0 = H + 10 · 10 – 10 · 102
2 H = 400 m
Resposta: 400 m
29 De um helicóptero descendo verticalmente a 6 m/s é abandona-da uma esfera de aço, que de mora 2 s para chegar ao solo. Consideran-do livre a queda da esfera, calcule a altura de onde ela foi abandonada (g = 10 m/s2).
Resolução:
Δs = v0 t +
g t2
2
h = 6 · 2 + 10 · 22
2 ⇒ h = 32 m
Resposta: 32 m
30 Do teto de um elevador de 2,45 m de altura interna, subindo em movimento uniforme, desprende-se um parafuso. Considerando g = 10 m/s2, calcule:a) o intervalo de tempo decorrido desde o instante em que o parafuso
se desprendeu até o instante em que atinge o piso do elevador;b) o deslocamento do elevador durante o intervalo de tempo a que
se refere o item anterior, supondo que sua velocidade escalar seja igual a 2 m/s.
Resolução:a) s = s
0 + v t
spiso
= v t
s = s0 + v
0 t + α
2 t
2
spar
= 2,45 + v t – 5 t2
spar
= spiso
2,45 + v t – 5 t2 = v t
t = 0,7 s
211Tópico 5 – Movimentos em campo gravitacional uniforme
2,45 m
2,45
t0 = 0
v0 = v
t0 = 0
s (m)
V
Parafuso
Piso 0
b) spiso
= v t = 2 · 0,7
spiso
= 1,4 m
Nota:• O elevador é um referencial inercial, já que está em movimento retilíneo
e uniforme em relação ao solo. Considerando um referencial no ele-vador, o parafuso realiza uma queda livre a partir do repouso, de uma altura h = 2,45 m.
Então: tq = 2 h
g = 2 · 2,45
10 ⇒ t
q = 0,7 s
que é a resposta do item a.
Respostas: a) 0,7 s; b) 1,4 m
31 Uma laranja foi lançada obliquamente nas proximidades do solo, movendo-se da esquerda para a direita. Desprezando inf luências do ar, indique a alternativa em que estão corretamente representadas a velocidade da laranja (v ) e a força resultante (F ) que nela atua na posição assinalada, após o lançamento:
a) e)c)
vv
F FF
v = 0
d)b)
F
v F v
Resolução: • A única força atuante após o lançamento é o peso. • v tem direção tangente à trajetória e o sentido do movimento.
Resposta: e
32 Uma esfera de chumbo é lançada obliquamente com velocida-de v
0, inclinada de θ em relação à horizontal. Desprezando a inf luência
do ar e considerando o movimento da esfera, após o lançamento e an-tes de colidir com o solo, analise as seguintes af irmações:(01) A única força atuante na esfera é o seu peso.(02) Na horizontal, o movimento é uniforme, com velocidade de mó-
dulo v0 · cos θ.
(04) Na vertical, o movimento é uniformemente variado, com veloci-dade inicial e aceleração de módulos respectivamente iguais a v
0 · sen θ e g (aceleração da gravidade).
(08) No ponto de altura máxima, a velocidade da esfera é nula.(16) A trajetória da esfera é um arco de circunferência.(32) No ponto de altura máxima, a velocidade da esfera tem módulo
mínimo, igual a v0 · cos θ.
(64) No ponto de altura máxima, a aceleração da esfera é nula.
Dê como resposta a soma dos números associados às af irmações corretas.
Resolução:Estão corretas as af irmações 01, 02, 04 e 32.
Resposta: 39
33 (UFV-MG) Um telejornal reproduziu o gol de um famoso jogador de futebol, assinalando, ao lado da trajetória, a velocidade instantânea da bola.
40 km/h
75 km/h105 km/h
0 km/h
As velocidades atribuídas à bola estão:a) erradas, pois somente é possível atribuir à bola uma única velocidade,
correspondente ao percurso total e não a cada ponto da trajetória.b) erradas, pois a velocidade nula da bola ocorre no ponto mais alto
de sua trajetória.c) erradas, pois sua velocidade máxima ocorre no instante em que ela
abandona o pé do jogador.d) corretas, desde que a gravação da partida de futebol não seja anali-
sada em “câmera lenta”, o que compromete as medidas de tempo.e) corretas, pois a bola parte do repouso e deve percorrer certa distân-
cia até alcançar a velocidade máxima.
Resposta: c
34 E.R. Um corpo é lançado obliquamente com velocidadev
0 de módulo 50 m/s, sob um ângulo de lançamento θ (sen θ = 0,6;
cos θ = 0,8), conforme indica a f igura:
hmáx
0
y
Ax
θ
v
v0
Calcule, considerando g = 10 m/s2 e desprezando a inf luência do ar:a) a intensidade da velocidade v do corpo ao passar pelo vértice do
arco de parábola;b) o tempo de subida;c) a altura máxima (h
máx);
d) o alcance horizontal (A).
Resolução:a) A velocidade no ponto mais alto da trajetória é igual à componen-
te horizontal da velocidade inicial:v = v
0x
v = v0 · cos θ = 50 · 0,8 ⇒ v = 40 m/s
b) O tempo de subida é dado por:
ts =
v0 · sen θ
g =
50 · 0,6
10 ⇒ t
s = 3 s
212 PARTE II – DINÂMICA
c) A altura máxima é dada por:
hmáx
= v2
0 · sen2 θ
2g =
502 · 0,62
20 ⇒ h
máx = 45 m
d) O alcance horizontal é calculado pela expressão:
A = v2
0
g · 2sen θ · cos θ
A = 502
10 · 2 · 0,6 · 0,8 ⇒ A = 240 m
35 Em um campo de futebol, uma bola foi chutada no instante t
0 = 0, adquirindo uma velocidade inicial v
0. As componentes dessa
velocidade na horizontal e na vertical valem v0x
= 24 m/s e v0y
= 18 m/s respectivamente.
A 0
t0 = 0 H
y
x
v0 v0y
v0x
Desprezando a resistência do ar e considerando g = 10 m/s2, calcule:a) a velocidade da bola no ponto mais alto de sua trajetória;b) o instante t
s em que a bola passa pelo ponto mais alto de sua tra-
jetória;c) a altura máxima H;d) o alcance horizontal A.
Resolução:
a) v = v0x
= 24 m/s
b) vy = v
0y – g t ⇒ 0 = 18 – 10 t
s ⇒ t
s = 1,8 s
c) v2y = v2
0 y – 2 g Δy ⇒ 02 = 182 – 20 H ⇒ H = 16,2 m
d) Δx = v0x
t ⇒ A = v0x
· 2 ts = 24 · 3,6 ⇒ A = 86,4 m
Respostas: a) 24 m/s; b) 1,8 s; c) 16,2 m; d) 86,4 m
36 Um canhão dispara projéteis com velocidade de módulo 300 m/s, estando situado em amplo terreno plano e horizontal. Sendo g = 10 m/s2 e desprezando inf luências do ar no movimento dos projéteis, determine a região desse terreno onde, certamente, eles não cairão.
Resolução:
Amáx
= v2
0
g · 1 = 3002
10 ⇒ A
máx = 9 000 m = 9 km
Resposta: Fora do círculo de 9 km de raio e centro no ponto de lançamento.
37 Da superfície da Terra, dá-se um tiro de canhão com ângulo de tiro θ
0 (ascendente) e velocidade v
0 (na boca do canhão). Despreze os
efeitos do ar. É incorreto af irmar que:a) a velocidade do projétil varia de ponto a ponto da trajetória, mas
tem componente horizontal invariável.b) na Lua, com o mesmo θ
0 e a mesma v
0, o alcance horizontal seria maior.
c) aumentando-se θ0 (de 0 a 90°), a f lecha da trajetória (altura máxima)
aumenta.d) entre a boca do canhão e o vértice da trajetória, qualquer plano hori-
zontal é atravessado duas vezes com velocidades de módulos iguais.e) o alcance horizontal depende da massa do projétil.
Resolução:a) Correta.b) Correta. A =
v20
g sen 2θ: g menor ⇒ A maior.
c) Correta. hmáx
= v2
0 sen2 θ
0
2g: sen θ
0 maior ⇒ h
máx maior.
d) Correta. A componente v0x
é igual nas duas posições e a componen-
te v0y
tem o módulo nas duas posições.
e) Incorreta.
Resposta: e
38 Um sapo, colocado em cima de um muro, salta no instante t
0 = 0 e chega ao ponto P do solo, como representa a f igura.
3,2 m
P
y
x
t0 = 0
0
2,4 m
3,6 m
Desprezando a inf luência do ar e considerando g igual a 10 m/s2, calcule:a) o módulo da componente vertical da velocidade inicial do sapo;b) o instante t em que ele atinge o solo;c) o módulo da componente horizontal da velocidade do sapo.
Resolução:a) No ponto de altura máxima: y = 3,2 m e v
y = 0:
v2y = v2
0y – 2 g (y – y
0) ⇒ 02 = v2
0y – 20 (3,2 – 2,4) ⇒ v
0y = 4,0 m/s
b) No solo, y = 0:
y = y0 + v
0y t – g t2
2 ⇒ 0 = 2,4 + 4 t – 5 t2 ⇒ t = 1,2 s
c) Na horizontal: x = x0 + v
x t
3,6 = vx · 1,2 ⇒ v
x = 3,0 m/s
Respostas: a) 4,0 m/s; b) 1,2 s; c) 3,0 m/s
39 (Puccamp-SP) Um projétil é lançado segundo um ângulo de 30° com a horizontal, com uma velocidade de 200 m/s. Supondo a aceleração da gravidade igual a 10 m/s2 e desprezando a resistência do ar, calcule o intervalo de tempo entre as passagens do projétil pe-los pontos de altura 480 m acima do ponto de lançamento. (Dados:sen 30° = 0,50; cos 30° = 0,87.)
Resolução:
30º
480
v0y
v0x
v0
t1 t2
0
t0 = 0
y (m)
x
213Tópico 5 – Movimentos em campo gravitacional uniforme
• y0 = 0
• v0y
= v0 sen 30º = 200 · 1
2 ⇒ v
0y = 100 m/s
• y = y0 + v
0y t – g t2
2 ⇒ 480 = 100 t – 5 t2 ⇒ t
1 = 8 s e t
2 = 12 s
• Δt = t2 – t
1 ⇒ Δt = 4 s
Resposta: 4 s
40 Um trem de brinquedo, movendo-se com velocidade constante sobre trilhos retilíneos e horizontais, vai passar pelo túnel AB.
A B
Uma mola comprimida e disposta verticalmente lança para cima uma bola de aço, que sai pela chaminé do trem quando esta está prestes a entrar no túnel. Sabendo que a inf luência do ar nesse experimento é desprezível e que o alcance horizontal da bola é ligeiramente maior que o comprimento AB do túnel (a bola não colide com o túnel), anali-se as seguintes af irmações:01. A trajetória da bola em relação aos trilhos é parabólica.02. A trajetória da bola em relação ao trem é retilínea e vertical.04. A velocidade vetorial inicial da bola, em relação aos trilhos, é
vertical.08. No ponto de altura máxima, a velocidade da bola é nula em rela-
ção aos trilhos.16. No ponto de altura máxima, a velocidade da bola é nula em rela-
ção ao trem, mas, em relação aos trilhos, é igual à do trem.32. Quando o trem está saindo do túnel, a bola cai em sua chaminé.64. O valor aproximado do comprimento AB do túnel pode ser cal-
culado multiplicando-se a velocidade v do trem pelo tempo T durante o qual a bola esteve em movimento livre.
Dê como resposta a soma dos números associados às af irmações corretas.
Resolução:São corretas as af irmações 01, 02, 16, 32 e 64.
Resposta: 115
41 No instante t0 = 0, uma pedra A, de massa M, foi abandonada a
partir do repouso, de uma altura h = 80 m. Nesse mesmo instante, uma pedra B, de massa 2M, foi lançada horizontalmente com velocidade v
0B = 30 m/s, a partir da mesma altura h = 80 m.
A B
t
h = 80 m h = 80 m
t0 = 0t0 = 0
Chão plano e horizontal d
v0A = 0 v0B
= 30 m/s
Desprezando inf luências do ar e considerando g = 10 m/s2:a) calcule o instante t em que a pedra A chega ao chão;b) calcule a distância d percorrida pela pedra B, na horizontal, até che-
gar ao chão;c) calcule o módulo da velocidade da pedra A imediatamente antes
de tocar o chão;d) determine os módulos das componentes horizontal (v
x) e vertical (v
y)
da velocidade da pedra B imediatamente antes de ela tocar o chão.
Resolução:
a) Δs = g t2
2 ⇒ 80 = 5 t2 ⇒ t = 4 s
b) Δx = v0B
t ⇒ d = 30 · 4 ⇒ d = 120 m
c) v = g t ⇒ v = 10 · 4 ⇒ v = 40 m/s
d) vx = v
0B ⇒ v
x = 30 m/s
vy = v ⇒ v
y = 40 m/s
Respostas: a) 4 s; b) 120 m; c) 40 m/s; d) 30 m/s e 40 m/s, respectivamente.
42 De uma mesma altura h e no mesmo instante t0 = 0, uma
bola A é abandonada a partir do repouso e outra bola, B, é lançada horizontalmente.
Solo
hh
A B
As bolas A e B atingem o solo nos instantes tA e t
B, com velocidades
de módulos vA e v
B respectivamente. Desprezando inf luências do ar, é
correto af irmar que:a) t
A = t
B e v
A = v
B. d) t
A = t
B e v
B > v
A.
b) tB > t
A e v
B > v
A. e) t
A = t
B e v
B < v
A.
c) tB > t
A e v
B = v
A.
Resposta: d
43 (Vunesp-SP) Duas pequenas esferas idênticas, 1 e 2, são lança-das do parapeito de uma janela, perpendicularmente à parede, com velocidades horizontais v
1 e v
2, com v
2 > v
1, como mostra a f igura, e
caem sob a ação da gravidade.
Parede
1
2Parapeito
Solo
(v2 > v1)v2
v1
A esfera 1 atinge o solo num ponto situado à distância x1 da parede, t
1
segundos depois de abandonar o parapeito, e a esfera 2, num ponto situado à distância x
2 da parede, t
2 segundos depois de abandonar o
parapeito. Desprezando a resistência oferecida pelo ar e considerando o solo plano e horizontal, podemos af irmar que:a) x
1 = x
2 e t
1 = t
2. d) x
1 > x
2 e t
1 < t
2.
b) x1 < x
2 e t
1 < t
2. e) x
1 < x
2 e t
1 = t
2.
c) x1 = x
2 e t
1 > t
2.
Resposta: e
214 PARTE II – DINÂMICA
44 (Cesgranrio-RJ) A f igura mostra as fotograf ias estroboscópicas dos movimentos de duas bolas. A velocidade inicial da primeira é nula (no ponto P) e a segunda tem velocidade inicial paralela ao eixo x (no ponto Q). A frequência do estroboscópio é desconhecida.
y
x
QP
0
Qual (quais) das seguintes af irmações pode(m) ser verif icada(s) por uma simples análise das fotograf ias? I. A aceleração de cada bola é paralela ao eixo y. II. As duas bolas caem com acelerações iguais. III. As bolas têm massas iguais.a) I somente. b) I e III somente. c) II e III somente.d) I, II e III.e) I e II somente.
Resolução:Pela análise das fotograf ias:• percebemos que as velocidades das duas bolas só variam na direção
do eixo y; portanto, a aceleração vetorial de cada bola é paralela a esse eixo (como sabemos, a aceleração é g ).
• percebemos que os movimentos das bolas são idênticos na direção do eixo y; portanto, suas acelerações são iguais.
• nada podemos concluir a respeito das massas das bolas (como sa-bemos, as massas das bolas não inf luem nas características desses movimentos, desde que livres).
Resposta: e
45 A f igura representa a fotograf ia estroboscópica de uma bola lançada horizontalmente nas proximidades da Terra:Sendo a = 1 m e c = 4 m, calcule b e d.
a
b
c d
Resolução:
• Movimento uniforme na horizontal: d = c = 4 m
• Queda livre na vertical: b = 3 a ⇒ b = 3 m
Respostas: b = 3 m; d = 4 m
46 Um avião que voa em linha reta, paralelamente ao solo, suposto plano e horizontal, tem velocidade constante de módulo 80 m/s. Em de-terminado instante, uma escotilha é aberta e larga-se uma bomba, que desce ao solo. Despreze a resistência do ar. Considerando g = 10 m/s2 e assumindo para a altura do avião o valor 2,0 · 103 m, determine:a) a distância percorrida pela bomba, na horizontal, desde o instante
em que foi solta até o instante em que chegou ao solo;b) a distância entre o avião e a bomba no instante em que esta toca o
solo;c) as formas das trajetórias da bomba em relação ao avião e em rela-
ção ao solo.
Resolução:0
x
2,0 · 103
t0 = 0 v0 = 80 m/s
y (m)
d
t = tq
a) • Δy = g t2
2 ⇒ 2,0 · 103 = 5 t2
q ⇒ t
q = 20 s
• d = v0 t
q = 80 · 20 ⇒ d = 1,6 · 103 m
b) Como o avião e a bomba estão na mesma vertical, a distância entre eles é igual a 2,0 · 103 m.
c) Segmento de reta vertical e arco de parábola, respectivamente.
Respostas: a) 1,6 · 103 m; b) 2,0 · 103 m; c) Em relação ao avião, segmento de reta vertical. Em relação ao solo, arco de parábola.
47 Uma pequena esfera de chumbo rola sobre uma mesa de80 cm de altura, caindo dela como indica a f igura. Admita que o mó-dulo da aceleração da gravidade no local seja de 10 m/s2 e despreze a resistência do ar.
1,20 m
Calcule a velocidade da esfera:a) ao abandonar a mesa; b) ao se chocar com o chão.
Resolução:a) • h = 0,80 m
• h = g t2
q
2 ⇒ 0,80 = 5 t2
q ⇒ t
q = 0,40 s
• Δx = v0 t ⇒ 1,20 = v
0 · 0,40 ⇒ v
0 = 3,0 m/s
b) • vx = v
0 = 3,0 m/s
• vy = g t
q = 10 · 0,40 ⇒ v
y = 4,0 m/s
• v2 = v2x + v2
y ⇒ v = 5,0 m/s
Respostas: a) 3,0 m/s; b) 5,0 m/s
215Tópico 5 – Movimentos em campo gravitacional uniforme
48 Um projétil é lançado obliquamente na condição de máximo alcance horizontal. Compare esse alcance com a máxima altura atingida em relação ao nível do ponto de lançamento. Despreze a inf luência do ar.
Resolução:
• Amáx
= v2
0
g · 1 =
v20
g
• hmáx
= v2
0 · sen2 θ
2g =
v20
22
2
2g =
v20
4g
Portanto: Amáx
= 4 hmáx
Resposta: O alcance horizontal é o quádruplo da altura máxima.
49 (UFPE) Dois bocais de mangueiras de jardim, A e B, estão f ixos ao solo. O bocal A é perpendicular ao solo e o outro está inclinado de 60° em relação à direção de A. Correntes de água jorram dos dois bo-cais com velocidades de módulos idênticos. Qual a razão entre as altu-ras máximas de elevação da água?
Resolução:
θ = 30º60º
A B
A: hmáxA
= v2
0
2g
B: hmáxB
= v2
0 sen2 θ
2g =
v20
12
2
2g = 1
4 h
máxA
hmáxA
hmáxB
= 4
Resposta: h
máxA
hmáxB
= 4
50 (UFV-MG) A f igura abaixo mostra três trajetórias de uma bola de futebol que é chutada de um mesmo ponto.
a b c
Sejam “t” o tempo de permanência da bola no ar, “Vv” a componente
vertical da velocidade inicial da bola e “Vh” a componente horizontal
da velocidade inicial. Em relação a essas três grandezas físicas e consi-derando as três trajetórias a, b e c anteriores, livres da resistência do ar, pode-se concluir que:a) t
a < t
b < t
c, V
va = V
vb = V
vc, V
ha = V
hb = V
hc.
b) ta = t
b = t
c, V
va < V
vb < V
vc, V
ha < V
hb = V
hc.
c) ta = t
b = t
c, V
va = V
vb = V
vc, V
ha < V
hb < V
hc.
d) ta = t
b = t
c, V
va = V
vb = V
vc, V
ha > V
hb > V
hc.
e) ta < t
b < t
c, V
va < V
vb < V
vc, V
ha = V
hb > V
hc.
Resolução:
hmáx
= v2
0 y
2 g : como h
máx é igual nas três situações, então v
0y também é.
ts =
v0 y
g : como v
0y é igual nas três situações, então os tempos de
subida e os tempos totais também são.Quanto maior for o deslocamento horizontal no mesmo intervalo de tempo, maior será a intensidade da componente horizontal da velo-cidade.
Resposta: c
51 E.R. No instante t0 = 0, um projétil é atirado para cima com
ângulo de 45° em relação à horizontal, com velocidade de mó-dulo 80 2 m/s. Desprezando a inf luência do ar e considerando g = 10 m/s2, determine:a) o(s) instante(s) em que o projétil encontra-se a 140 metros acima
do plano horizontal de lançamento;b) o módulo da velocidade do projétil no instante t = 2 s.
Resolução:Adotemos o sistema de eixos representado na f igura a seguir:
0
y
xv0x
v0y
θ
v0
Temos:
v0 = 80 2 m/s
x0 = 0, y
0 = 0
θ = 45°
g = 10 m/s2
v0x
= v0 · cos θ = 80 2 · 2
2 ⇒ v
0x = 80 m/s
v0y
= v0 · sen θ = 80 2 · 2
2 ⇒ v
0y = 80 m/s
a) No eixo y, podemos escrever:
y = y0 + v
0y t –
g2 t2
y = 80t – 5t2
Queremos saber quando y vale 140 m:
140 = 80t – 5t2 ⇒ t2 – 16t + 28 = 0
Assim, obtemos:
t1 = 2 s (durante a subida)
e
t2 = 14 s (durante a descida)
b) Em qualquer instante do movimento, a velocidade segundo o eixo x é igual a v
0x:
vx = v
0x = 80 m/s
216 PARTE II – DINÂMICA
Segundo o eixo y, a velocidade varia com o tempo, de acordo com a função:
vy = v
0y – g t
vy = 80 – 10t
Para t = 2 s:v
y = 80 – 10 · 2 ⇒ v
y = 60 m/s
t = 2 s
vy
vx
v
Aplicando o Teorema de Pitágoras, vem:
v2 = v2x + v2
y = 802 + 602 = 10 000
v = 100 m/s
52 Um jogador de futebol, após driblar o goleiro, encontra-se no ponto J indicado na f igura e chuta em direção ao meio do gol, como sugere a linha tracejada, com a meta completamente desguarnecida. Use g = 10 m/s2; sen 30° = 0,50; cos 30° = 0,87.
J
8,7 m
Sabendo que a bola, ao ser chutada, sai com velocidade de 20 m/s, formando 30° com o gramado, e que a altura da trave é de 2,44 m, diga, justif icando com cálculos, se o gol aconteceu ou não. Despreze a inf luência do ar.
Resolução:y (m)
x (m)v0x
v0
0 8,7
30º
v0y
• v0x
= v0 cos 30º = 20 · 0,87 ⇒ v
0x = 17,4 m/s
v0y
= v0 sen 30º = 20 · 0,50 ⇒ v
0y = 10 m/s
• Calculemos o instante em que a bola passa por x = 8,7 m: x = x
0 + v
x t
8,7 = 0 + 17,4 · t ⇒ t = 0,50 s
• Calculemos a ordenada y da bola nesse mesmo instante:
y = y0 + v
0y t –
g2
t2
y = 0 + 10 · 0,50 – 102
· 0,502 ⇒ y = 3,75 m
Como 3,75 m é maior que a altura da trave, o gol não aconteceu.
Resposta: Não aconteceu.
53 (Uf la-MG) Uma pessoa caminha numa trajetória retilínea e hori-zontal a uma velocidade constante de módulo 0,80 m/s. Ela arremessa para cima, regularmente, uma bolinha e torna a pegá-la na mesma altura do lançamento anterior. A cada arremesso, a bolinha atinge a altura de 1,25 m (considere g = 10,0 m/s2). Quantos metros a pessoa caminhou até concluir 10 arremessos?a) 7,0 m. c) 8,0 m. e) 8,5 m.b) 7,5 m. d) 8,3 m.
Resolução:Em cada arremesso, temos, em relação ao solo:
y
xvx = 0,80 m/sA
v0y
vy = 0
hmáx = 1,25 mt = Tt = 0
0
t = ts
• v2y = v2
0y – 2 g Δy
02 = v20y
– 20,0 · 1,25 ⇒ v0y
= 5,0 m/s
• vy = v
0y – g t
0 = 5,0 – 10,0 ts ⇒ t
s = 0,50 s ⇒ T = 1,0 s
• Δx = vx t
A = vx T = 0,80 · 1,0 ⇒ A = 0,80 m
Em 10 arremessos:
Δx = 10 A = 10 · 0,80 ⇒ Δx = 8,0 m
Resposta: c
54 O canhão da f igura dispara um projétil com velocidade inicial de módulo igual a v
0, atingindo um alvo estacionário situado em P:
45°
240 m
200 m
P
v0
Desprezando a inf luência do ar e supondo g = 10 m/s2:a) calcule v
0;
b) diga se, ao atingir o alvo, o projétil está em movimento ascendente ou descendente.
Resolução:a) Temos:
x = v0 cos 45° t ⇒ x =
v0 2
2 t (I)
y = y0 + v
0y t –
g2
t2 ⇒ y = v0 sen 45° t – 5 t2
y = v
0 2
2 · t – 5 t2 (II)
Ao atingir o alvo, temos, no mesmo instante, x = 240 m e y = 200 m.
217Tópico 5 – Movimentos em campo gravitacional uniforme
Em (I):
240 = v
0 2
2 · t ⇒ t = 480
v0 2
Em (II):
200 = v
0 2
2 480
v0 2
– 5 480
v0 2
2
200 = 240 – 5 4802
2 v20
⇒ 5 4802
2 v20
= 40
v20 = 4802
16 ⇒ v
0 = 480
4 ⇒ v
0 = 120 m/s
b) Ao atingir o alvo:
t = 480v
0 2
= 480120 2
⇒ t = 42
s
vy = v
0y – g t = v
0 2
2 – 10 t
vy = 120 2
2 – 10 4
2 ⇒ v
y = 40 2 m/s
Como vy > 0, o movimento é ascendente.
Respostas: a) 120 m/s; b) Ascendente
55 E.R. Um avião em movimento retilíneo e uniforme, com velo-cidade de módulo v
A, mantém-se a uma altura H em relação ao solo,
plano e horizontal:
vA
vp
θSolo
H
No solo, existe um canhão que dispara com a f inalidade de atingir o avião exatamente quando ambos se situam na mesma vertical. A velocidade de lançamento do projétil tem módulo v
P e o ângulo de
lançamento é θ. Desprezando inf luências do ar e as dimensões do canhão e do avião, estabeleça as condições para que o projétil atinja o alvo. Considere g o módulo da aceleração da gravidade no local.
Resolução:A primeira condição que devemos impor é a igualdade entre os mó-dulos da velocidade do avião e da componente horizontal da veloci-dade do projétil:
vA = v
p · cos θ
Isso signif ica que, para o projétil atingir o avião nas condições do problema, é necessário que ambos se movam com a mesma rapidez segundo a horizontal. Isso, entretanto, não basta, pois é possível que o projétil f ique sempre abaixo do avião. Por isso, devemos impor também que a altura máxima do projétil (H
P) seja maior que a altura
do voo (H) ou igual a ela:
HP � H ⇒
v2P · sen2 θ
2g � H
Como 0 < θ < 90°:
vp �
2g H
sen θ
56 (FEI-SP) Um objeto voa numa trajetória retilínea, com velocidade v = 200 m/s, numa altura H = 1 500 m em relação ao solo. Quando o objeto passa exatamente na vertical de uma peça de artilharia, essa dis-para um projétil, num ângulo de 60° com a horizontal. O projétil atinge o objeto decorrido o intervalo de tempo Δt. Adote g = 10 m/s2 e calcule:a) a velocidade de lançamento do projétil;b) o menor intervalo de tempo Δt em que o projétil atinge o objeto.
Resolução:
60º
1 500
v0y
v
v0x
v0
te
0
t0 = 0
t0 = 0
y (m)
x
a) v0x
= v0 cos 60º = v ⇒ v
0 · 1
2 = 200 ⇒ v
0 = 400 m/s
b) y = y0 + v
0Y t –
g t2
2 ⇒ 1 500 = 400 3
2 t
e – 5 t2
e ⇒ t
emenor = 4,6 s
Δtmenor
= 4,6 s
Respostas: a) 400 m/s; b) 4,6 s
57 (Unicamp-SP) Um carro, a uma velocidade constante de 18 km/h, está percorrendo um trecho de rua retilíneo. Devido a um problema mecânico, pinga óleo do motor à razão de 6 gotas por minu-to. Qual a distância entre os pingos de óleo que o carro deixa na rua?
Resolução:18 km/h = 5 m/s6 gotas
60 s ⇒ 1 gota a cada 10 s
Δx = vx t = 5 · 10 ⇒ Δx = 50 m
Resposta: 50 m
58 E.R. Uma esteira transportadora lança minério horizontal-mente com velocidade v
0. Considere desprezível a inf luência do ar e
adote g = 10 m/s2.
18 m 2,0 m
H = 3,2 m
v0
a) Determine o intervalo das intensidades de v0 para que o minério
caia dentro da carroceria do caminhão.b) Se o desnível H fosse maior, o intervalo citado no item anterior
aumentaria, diminuiria ou permaneceria o mesmo?
218 PARTE II – DINÂMICA
Resolução:a) O tempo de queda do minério é dado por:
tq = 2H
g = 2 · 3,2
10 ⇒ t
q = 0,8 s
A distância d percorrida pelo minério, na horizontal, durante a queda, é igual a v
0 t
q:
d = v0 t
q = v
0 · 0,8
Devemos ter:
2,0 m < d < 20 m ⇒ 2,0 < v0 · 0,8 < 20
Dividindo por 0,8 todos os termos da última expressão, obtemos:
2,5 m/s < v0 < 25 m/s
b) Temos que:
2,0 < d < 20
em que d = v0 t
q = v
0 2H
g
Então:
2,0 < v0 2H
g < 20
Multiplicando todos os termos por g
2H, vem:
2,0 g
2H < v
0 < 20
g2H
Então, a “largura” do intervalo é igual a 18 g
2H.
Portanto, se H fosse maior, o intervalo diminuiria.
59 Na situação esquematizada, a esteira lança horizontalmente as caixas, que devem ir diretamente para a vala.
4,8 m
2,4 m
3,2 m
Vala
Considerando g = 10 m/s2 e desprezando inf luências do ar, determi-ne o intervalo dos valores v das velocidades com que as caixas devem ser lançadas.
Resolução:• Tempo para uma caixa cair 3,2 m, na vertical:
tq = 2 h
g = 2 · 3,2
10 ⇒ t
q = 0,80 s
• Decorrido esse tempo, o deslocamento horizontal da caixa deve ser menor que 4,8 m e maior que 2,4 m:
Δx = v tq = v · 0,80
2,4 < v · 0,80 < 4,8 ⇒ 3,0 m/s < v < 6,0 m/s
Resposta: 3,0 m/s < v < 6,0 m/s
60 (UFV-MG) Um avião de carga voa a uma altitude h igual a 320 m, à velocidade de 100 m/s. Ele deixa cair um pacote que deve atingir um barco se deslocando a 20 m/s na mesma direção e sentido do avião. A que distância horizontal x, atrás do barco, o avião deverá abandonar o pacote? Considere g = 10 m/s2 e despreze inf luências do ar no movi-mento do pacote.
h
x
Resolução:Tempo de queda do pacote:
tq = 2 h
g = 2 · 320
10 ⇒ t
q = 8 s
Considerando-se os movimentos na horizontal e tomando-se um refe-rencial no barco, a velocidade do pacote é constante, de módulo igual a 80 m/s (100 m/s – 20 m/s):Pacote Barcov = 80 m/s
x
v = xΔt
⇒ 80 = x8
⇒ x = 640 m
Resposta: 640 m
61 (Olimpíada Brasileira de Física) Dois rapazes brincam de tênis na praia. Um deles dá uma raquetada na bola a 2,45 m de altura e esta sai horizontalmente com velocidade de 72 km/h. Qual deve ser a veloci-dade mínima do outro rapaz, situado inicialmente 20,3 m à frente do primeiro, para que consiga aparar a bola antes que ela bata na areia? (Adote g = 10 m/s2.)
Resolução:v0 = 20 m/s
2,45
0
d 20,3 – d
x (m)
y (m)
219Tópico 5 – Movimentos em campo gravitacional uniforme
• y = g t2
2 ⇒ 2,45 = 5 t2
q ⇒ t
q = 0,70 s
• Δx = v0 t
d = v0 t
q = 20 · 0,70 ⇒ d = 14 m
• v = 20,3 – 140,70
⇒ v = 9,0 m/s
Resposta: 9,0 m/s
62 De uma nave estacionária, a 24 m de altura em relação ao solo plano e horizontal de um planeta K, uma esfera metálica é lançada horizontalmente com ve-locidade v
0. Sabe-se que
a atmosfera do planeta praticamente não inf lui no movimento da esfera. As coordenadas x e y da esfe-ra são lidas no sistema de referência representado na f igura ao lado e variam com o tempo t conforme os gráf icos:
0
x (m)
t (s)
40
2 0 t (s)2
Arco deparábola
y (m)24
a) Calcule os módulos da velocidade inicial da esfera e da aceleração da gravidade na superfície do planeta K.
b) Represente a trajetória da esfera no sistema de referência dado.
Resolução:a) Do gráf ico x × t:
v0 = v
x = Δx
Δt = 40
2 ⇒ v
0 = 20 m/s
Do gráf ico y × t:
tq = 2 h
g ⇒ 2 = 2 · 24
g ⇒ g = 12 m/s2
b) y = 0 ⇒ t = 2 s ⇒ x = 40 m
y (m)
24
40 x (m)
Arco deparábola
0
Respostas: a) 20 m/s e 12 m/s2
b) y (m)
x (m)
24
0 40
Arco deparábola
63 (Fuvest-SP) A f igura abaixo representa as velocidades em fun-ção do tempo de dois corpos que executam movimentos verticais. O do corpo A, de massa M, é descrito por uma linha azul; o do corpo B, de massa 3M, por uma linha vermelha. Em um dos intervalos de tempo listados abaixo, ambos estão sob a ação exclusiva de um campo gravi-tacional constante. Tal intervalo é:
a) de 0 a T1. d) de T
3 a T
4.
b) de T1 a T
2. e) de T
4 a T
5.
c) de T2 a T
3.
A
B
T1 T2 T3 T4
v
TT5
Resolução:Sob a ação exclusiva do campo gravitacional, os dois corpos têm a mesma aceleração de módulo g, independentemente de suas massas. Então, o intervalo de tempo pedido é aquele em que dois gráf icos são segmentos de reta inclinados, paralelos entre si.
Resposta: b
64 Um bloco de chumbo cai do topo de uma torre. Considerando desprezível a inf luência do ar e sendo g a intensidade do campo gra-vitacional, calcule a distância percorrida pelo bloco durante o enésimo segundo de queda livre.
Resolução:v = v
0 + g t ⇒ v = g t
vn – 1
= g (n – 1)
vn = g n
t0 = 0 v0 = 0
t = n – 1
t = n
s
d
• v2n = v2
n – 1 + 2 g d
g2 n2 = g2 (n – 1)2 +2 g d
g n2 = g n2 – 2 g n + g + 2 d
d = g (2 n – 1)
2
Resposta: d = g (2 n – 1)
2
0
y (m)
x (m)
t0 = 024
v0
220 PARTE II – DINÂMICA
65 De um telhado caem gotas de chuva separadas por intervalos de tempo iguais entre si. No instante em que a quinta gota se despren-de, a primeira toca o solo. Qual a distância que separa as duas últimas gotas consecutivas, nesse instante, se a altura do telhado é de 16 m? Não considere a resistência do ar e adote g = 10 m/s2.
Resolução:Tempo de queda da primeira gota:
tq = 2 h
g = 2 · 16
10
tq = 3,2 s
16 m
5ª4ª
3ª
2ª
d
1ª
Seja T o intervalo de tempo decorrido entre os desprendimentos de gotas consecutivas. Temos, então:
tq = 4 T ⇒ T = 3,2
4
d = g2
T2 = 102
3,216
⇒ d = 1 m
Resposta: 1 m
66 (UFC-CE) Um chuveiro, situado a uma altura de 1,8 m do solo, indevidamente fechado, deixa cair pingos de água a uma razão cons-tante de 4 pingos/segundo. No instante em que um dado pingo toca o solo, o número de pingos, atrás dele, que já estão a caminho é (valor da aceleração da gravidade: g = 10 m/s2):a) 0. b) 1. c) 2. d) 3. e) 4.
Resolução:Tempo de queda de um pingo:
tq = 2 h
g = 2 · 1,8
10 ⇒ t
q = 0,6 s
Entre as saídas de dois pingos sucessivos, o tempo decorrido é de 14
s,
ou 0,25 s. Então, em 0,6 s apenas dois outros pingos já se desprende-ram do chuveiro.
Resposta: c
67 (FGV-SP) Uma pedra cai em um poço e o observador ouve o som da pedra no fundo após 9 s. Admitindo uma aceleração de gravidade igual a 10 m/s2 e a velocidade do som de 320 m/s, qual a profundidade do poço? Despreze a resistência do ar.
Resolução:Seja H a profundidade do poço.Tempo de queda da pedra:
tq = 2 H
g = 2 H
10 = H
5Tempo para o som propagar-se do fundo do poço até o observador:
Δs = v t ⇒ H = 320 ts ⇒ t
s = H
320
tq + t
s = 9 ⇒ H
5 + H
320 = 9 ⇒ H = 320 m
Resposta: 320 m
68 No instante t0 = 0, uma esfera de aço (A) é abandonada do topo
de uma torre muito alta. Após um intervalo de tempo T, uma outra esfera de aço (B) é abandonada do mesmo ponto. Sendo g a intensi-dade do campo gravitacional e supondo desprezível a inf luência do ar, represente graf icamente a distância d entre as esferas em função do tempo enquanto estiverem em queda livre.
Resolução:
De t0 = 0 a t = T: s
A =
g2
t2 e sB = 0
d = sA – s
B =
g2
t2
A partir de t = T:
sA =
g2
t2 e sB =
g2
(t – T)2
d
t T 0
g 2
T2
d = sA – s
B =
g2
t2 – g2
t2 – g t T + g T2
2 ⇒
⇒ d = g T t – g T2
2
Resposta: d
t 0 T
T2g 2
69 Um balão B sobe verticalmente em movimento uniforme a 2 m/s. No instante (t = 0) em que ele se encontra a 20 m do solo, um projétil P é lançado também verticalmente para cima, partindo do solo com velocidade v
0, como mostra a f igura. Desprezando inf luências do
ar no movimento do projétil, determine v0 para que ele alcance o ba-
lão. Considere g = 10 m/s2.
Ot = 0
t = 0
P
B
Solo
s (m)
20
v0
O
s
t0 = 0 AA
221Tópico 5 – Movimentos em campo gravitacional uniforme
Resolução:s
B = 20 + 2 t
sp = v
0 t – 5 t2
sp = s
B:
20 + 2 te = v
0 t
e – 5 t2
e
5 t2e + (2 – v
0) t
e + 20 = 0
Δ = (2 – v0)2 – 400 � 0
(v0 – 2)2 � 400
Como v0 � 2 m/s
v0 – 2 � 20 ⇒ v
0 � 22 m/s
Resposta: 22 m/s
70 No instante t0 = 0, duas bolinhas de chumbo, A e B, são lan-
çadas verticalmente de um mesmo local situado a uma certa altura do solo, com velocidades iniciais de mesmo módulo v
0: A é lançada
para cima e B, para baixo. Desprezando a inf luência do ar e sendo g a intensidade do campo gravitacional, determine a distância d entre as bolinhas em função do tempo t, antes que alguma delas toque o solo.
Solo
A B
v0
v0
Resolução:s = s
0 + v
0 t + α
2 t2
sA = v
0 t –
g2
t2
sB = –v
0 t –
g2
t2
d = sA – s
B = 2 v
0 t
Resposta: 2 v0 t
71 Um projétil é lançado obliquamente com velocidade v0 e passa
pelo ponto de altura máxima com velocidade v . Desprezando a in-f luência do ar, indique a alternativa em que está mais bem representa-do o vetor (v – v
0):
a) d)
c)
b)
e)
Resolução:v
v0
v
v0
Δv = v – v0
Δv
Lembremos que a componente horizontal de v0 é igual a v .
Resposta: c
72 (UFMG) Um cano de irrigação, enterrado no solo, ejeta água a uma taxa de 15 litros por minuto com uma velocidade de 10 m/s. A saída do cano é apontada para cima fazendo um ângulo de 30° com o solo, como mostra a f igura. Despreze a resistência do ar e considere g = 10 m/s2, sen 30° = 0,50 e cos 30° = 0,87.
30°
Calcule quantos litros de água estarão no ar na situação em que o jato d’água é contínuo do cano ao solo.
Resolução:O intervalo de tempo decorrido desde quando a água sai do cano até o instante em que retorna ao solo é dado por:
T = 2 v
0 sen θg
= 2 · 10 ·
12
10 ⇒ T = 1 s
15 litros → 60 s x → 1 s
x = 0,25 litro
Resposta: 0,25 litro
73 No instante t1, uma pessoa parada na plataforma de uma es-
tação ferroviária joga uma maçã verticalmente para cima, com velo-cidade inicial de módulo igual a 10 m/s, agarrando-a em seguida, no instante t
2, na mesma altura da qual foi lançada. Enquanto a maçã rea-
lizou esse movimento de sobe-e-desce, um trem passou pela estação em movimento retilíneo e uniforme, a 30 m/s. Considerando g igual a 10 m/s2 e desprezando inf luências do ar, determine, em relação a um passageiro sentado no trem, o módulo do deslocamento vetorial da maçã entre os instantes t
1 e t
2.
Resolução:Tempo de duração do sobe-e-desce:
T = 2 ts = 2
v0
g ⇒ T = 2 · 10
10 ⇒ T = 2 s
Em relação ao passageiro, a maçã realizou um lançamento oblíquo, em que v
x = 30 m/s e:
|d | = A = vx T = 30 · 2
|d | = 60 m
Resposta: 60 m
AO
sv0
v0
B
222 PARTE II – DINÂMICA
74 (UFRN) O experimento ilustrado na f igura a seguir é realizado na superfície da Terra. Nesse experimento, uma pessoa lança uma pe-quena esfera no mesmo instante em que um objeto que estava preso no teto é liberado e cai livremente. A esfera, lançada com velocidade v
0, atinge o objeto após um tempo t
g. Se repetirmos, agora, esse mes-
mo experimento num ambiente hipotético, onde a aceleração local da gravidade é nula, o tempo de colisão entre a esfera e o objeto será t
0.
Esfera sendolançada
Objeto
dh
Ilustração do movimento de uma esfera lançada por um instrumento rudimentar (zarabatana).
Considerando desprezível a resistência do ar nesses experimentos, pode-se af irmar que:
a) t0 = t
g = d
v0
. b) t0 = t
g = h
v0
. c) t0 > t
g = d
v0
. d) t0 > t
g = h
v0
.
Resolução:
θ
d
D
v0
t = 0
t = tg
Primeiro experimento:Δx = v
x t ⇒ D = v
0 cos θ t
g
d cos θ = v0 cos θ t
g ⇒ t
g = d
v0
Segundo experimento:
v0 = d
t0
⇒ t0 = d
v0
Resposta: a
75 (Fuvest-SP) Estamos no ano de 2095 e a “interplanetariamen-te” famosa F iFA (Federação Interplanetária de Futebol Amador) está organizando o Campeonato Interplanetário de Futebol, a se realizar em MARTE no ano 2100. F icou estabelecido que o comprimento do campo deve corresponder à distância do chute de máximo alcan-ce conseguido por um bom jogador. Na TERRA, essa distância vale L
T = 100 m. Suponha que o jogo seja realizado em uma atmosfera
semelhante à da TERRA e que, como na TERRA, possamos desprezar os efeitos do ar e ainda que a máxima velocidade que um bom jo-gador consegue imprimir à bola seja igual à na TERRA. Suponha que M
M/M
T = 0,1 e R
M/R
T = 0,5, em que M
M e R
M são a massa e o raio de MAR-
TE e MT e R
T são a massa e o raio da TERRA.
a) Determine a razão gM
/gT entre os valores da aceleração da gravida-
de em MARTE e na TERRA.b) Determine o valor aproximado L
M, em metros, do comprimento do
campo em MARTE.c) Determine o valor aproximado do tempo t
M, em segundos, gasto
pela bola, em um chute de máximo alcance, para atravessar o cam-po em MARTE. (Adote g
T = 10 m/s2.)
Resolução:
a) g
M
gT
=
G MM
R 2M
G MT
R 2T
= M
M
MT
R
T
RM
2
= 0,1 10,5
2
gM
gT
= 0,4
b) A = v2
0
g sen 2θ (A
máx ⇒ sen 2θ = sen 90° = 1)
LT =
v20
gT
LM
= v2
0
gM
⇒ L
M
LT
= g
T
gM
⇒ L
M
100 = 1
0,4
LM
= 250 m
c) O tempo total no lançamento oblíquo é dado por:
T = 2 v
0 sen θg
LT =
v20
gT
⇒ 100 = v2
0
10 ⇒ v
0 = 10 10 m/s
tM
= 2 v
0 sen 45°
gM
=
2 v0 sen 45°
0,4 gT
= 2 · 10 10
22
0,4 10
tM
= 5 5 s
tM
= 11 s
Respostas: a) 0,4; b) 250 m; c) 11 s
76 (Mack-SP) Da aresta superior do tampo retangular de uma mesa de 80 cm de altura, um pequeno corpo é disparado obliquamente, com velocidade inicial de módulo 5,00 m/s, conforme mostra a f igura abaixo. O tampo da mesa é paralelo ao solo e o plano da trajetória des-crita, perpendicular a ele.
80 cm
d
α
Figura sem escala
v0
223Tópico 5 – Movimentos em campo gravitacional uniforme
Sabendo que o corpo tangencia a aresta oposta, podemos af irmar que a distância d é de:a) 0,60 m. b) 0,80 m. c) 1,20 m. d) 1,60 m. e) 3,20 m.Despreze a resistência do ar e considere:sen α = 0,60; cos α = 0,80; g = 10 m/s2.
Resolução:
t0 = 0
V0
0 x
y
A
d
α
0,80 m t = T
V0X
= V0 cos α = 5,00 · 0,80 ⇒ V
0X = 4,0 m/s
V0Y
= V0 sen α = 5,00 · 0,60 ⇒ V
0Y = 3,0 m/s
A = V2
0
g 2 sen α cos α =
5,002
10 · 2 · 0,60 · 0,80 ⇒ A = 2,4 m
y = y0 + V
0Y
t – g t2
2 ⇒ 0 = 0,80 + 3,0 T – 5,0 T2 ⇒ T = 0,80 s
x = x0 + V
0X t ⇒ A + d = V
0X T
2,4 + d = 4,0 · 0,80
d = 0,80 m
Resposta: b
77 (Faap-SP) As trajetórias dos animais saltadores são, normal-mente, parabólicas. A f igura mostra o salto de uma rã representado em um sistema de coordenadas cartesianas. O alcance do salto é de4 metros e a altura máxima atingida é de 1 metro. (Adote g = 10 m/s2.)
1
4 x
y
A partir desses dados, pode-se concluir que a trajetória da rã tem equação:a) y = 0,25x2 + x. c) y = –0,25x2 – x. e) y = –2x2 + 8x.b) y = –0,25x2 + x. d) y = –x2 + 4x.
Resolução:
A = 2 V
X V
0Y
g = 4 ⇒ V
X V
0Y = 20
hmáx
= V2
0Y
2 g = 1 ⇒ V2
0Y = 20
⇒ V0Y
= VX e V2
X = 20
x = VX t ⇒ t = x
VX
y = V0y
t – 5 t2 = V
0Y
VX
x – 5V2
X
x2
Como V0Y
= VX e V2
X = 20: y = x – 0,25 x2 (SI)
Nota:• Outra opção seria testar as alternativas b, c, d, e e, buscando aquela para
a qual x = 2 ⇒ y = 1m e x = 4 m ⇒ y = 0
Resposta: b
78 (Unicamp-SP) Uma bola de tênis rebatida numa das extremi-dades da quadra descreve a trajetória representada na f igura abaixo, atingindo o chão na outra extremidade da quadra. O comprimento da quadra é de 24 m. (Adote g = 10 m/s2.)
125,0
62,5
0,0Alt
ura
(cm
)
0 4 8 12 16 20 24
rede
Distância (m)
a) Calcule o tempo de voo da bola, antes de atingir o chão. Desconsi-dere a resistência do ar nesse caso.
b) Qual é a velocidade horizontal da bola no caso acima?c) Quando a bola é rebatida com efeito, aparece uma força F
E, vertical,
de cima para baixo e igual a 3 vezes o peso da bola. Qual será a velo-cidade horizontal da bola, rebatida com efeito, para uma trajetória idêntica à da f igura?
Resolução:a) • De x = 8 m a x = 24 m, temos:
tq = 2 H
g
Como VX é constante, seu valor é o mesmo de x = 0 a x = 8 m e
de x = 8 m a x = 24 m:
8 – 0t
S
= 24 – 8t
q
⇒ tS =
tq
2
• tvoo
= tq + t
S = t
q +
tq
2 = 32 t
q ⇒ t
voo = 3
2 2 Hg (I)
tvoo
= 32 2 · 1,25
10
tvoo
= 0,75 s
b) De x = 0 a x = 24 m, por exemplo, temos:
VX = Δx
tvoo
= 24 m – 034 s
⇒ VX = 32 m/s
c) • Passamos a ter uma gravidade aparente gap
= 4 · g. De (I):
t’voo
= 32 2 H
4 g = 12 t
voo = 1
2 · 34 ⇒ t’
voo = 3
8 s
• De x = 0 a x = 24 m:
V’X = Δx
t’voo
= 2438
⇒ V’X = 64 m/s
Respostas: a) 0,75 s; b) 32 m/s; c) 64 m/s
224 PARTE II – DINÂMICA
79 Um avião de bombardeio voa horizontalmente em linha reta, à altura H, com velocidade v . Para atingir o alvo indicado na f igura, uma bomba é solta a partir do repouso em relação ao avião. Desprezando a inf luência do ar no movimento da bomba, determine o ângulo θθ, sen-do g a intensidade do campo gravitacional.
H
Alvo
Trajetória parabólica
Linha de visada
θ
Solo
v
Resolução:
d
H
v
θ
tq = 2 H
g ⇒ d = v 2 Hg
tg θ = dH =
v 2 Hg
H ⇒ tg θ = v 2
g H
Resposta: tg θ = v 2g H
80 (Unifesp-SP) É comum vermos, durante uma partida de voleibol, a bola tomar repentinamente trajetórias inesperadas logo depois que o jogador efetua um saque. A bola pode cair antes do esperado, assim como pode ter sua trajetória prolongada, um efeito inesperado para a baixa velocidade com que a bola se locomove. Quando uma bola se desloca no ar com uma velocidade v, girando com velocidade angular ω em torno de um eixo que passa pelo seu centro, ela f ica sujeita a uma força F
Magnus = k · v · ω. Essa força é perpendicular à trajetória e ao eixo
de rotação da bola, e o seu sentido depende do sentido da rotação da bola, como ilustrado na f igura. O parâmetro k é uma constante que depende das características da bola e da densidade do ar.
FMagnus
FMagnus
ωω
v v
Ar Ar
Esse fenômeno é conhecido como efeito Magnus. Represente a ace-leração da gravidade por g e despreze a força de resistência do ar ao movimento de translação da bola.
a) Considere o caso em que o saque é efetuado na direção horizontal e de uma altura maior que a altura do jogador. A bola de massa M segue por uma trajetória retilínea e horizontal com uma velocidade constante v, atravessando toda a extensão da quadra. Quais devem ser o sentido e a velocidade angular de rotação ω a serem impres-sos na bola no momento do saque?
b) Considere o caso em que o saque é efetuado na direção horizontal, de uma altura h, com a mesma velocidade inicial v, mas sem impri-mir rotação na bola. Calcule o alcance horizontal D da bola.
Resolução:a)
FMagnus
P
v MRU ωω
FMagnus
= P ⇒ k v ω = M g
ω = M gk v
(sentido indicado na f igura: anti-horário)
b)
0 t = 0
v
x
h
y
D
t = tq
h = g t2
q
2 ⇒ tq = 2 h
g
D = v tq ⇒ D = v 2 h
g
Respostas: a) M gk v no sentido anti-horário; b) v 2 h
g
81 Uma bola rola do alto de uma escada com velocidade horizontal de módulo v
0 = 4 m/s. Cada degrau tem 50 cm de largura e 50 cm de
altura.Desprezando a inf luência do ar, determine que degrau a bola tocará primeiro.
45°
1º degrau
g = 10 m/s2 50 cm50 cm
v0
225Tópico 5 – Movimentos em campo gravitacional uniforme
Resolução:
Arco de parábola
y = x
45° x
y
Equação da parábola:
x = 4 t ⇒ t = x4
y = 5 t2
y = 5 x2
16
Interseção da parábola com a reta y = x:
x = 5 x2
16 ⇒ x = 0 e x = 3,2 m
Portanto, a bola tocará primeiro o sétimo degrau.
Resposta: o sétimo degrau
82 (FCC) Se um pequeno furo for feito na parede vertical de um re-servatório que contenha um líquido ideal (sem viscosidade), um f ilete de líquido escoará pelo furo e sua velocidade inicial terá intensidade v = 2g h .
H
h
F G
v
Considere o movimento do f luido como o de um projétil lançado no vácuo, desde o furo, com velocidade v . Se desejarmos que o f ilete inci-da em um ponto G o mais afastado possível de F, a que profundidade h o furo deverá ser feito?
Resolução:
H – h
V
d
d = v 2 (H – h)g
= 2 g h 2 (H – h)g
= 2 H h – h2
Precisamos do valor de h que torna máxima a função H h – h2:
h = – b2 a
= – H2 (–1)
⇒ h = H2
Resposta: h = H2
83 (Aman-RJ) Um pequeno balde contendo água é preso a um leve e inextensível f io de comprimento L, tal que L = 0,50 m, sendo af ixado a uma altura (H) de 1,0 m do solo (S), como mostra a f igura. À medi-da que o balde gira numa circunferência horizontal com velocidade constante, gotas de água que dele vazam atingem o solo formando um círculo de raio R. Considerando 10 m/s2 o módulo da aceleração devida à gravidade e θ = 60°, o valor de R será, em metros:
LH
RS
θ
a) 175
. b) 114
. c) 13
. d) 214
. e) 45
.
Resolução:•
T L
v
P
r Fcp
θ
θ θ
• r = L sen θ (I)
tg θ = F
cp
P ⇒ tg θ =
m v2
rm g ⇒ v2 = r g tg θ
v2 = L sen θ g tg θ (II)•
Gota v
h
d
• h = H – L · cos θ
• d = v 2 hg = v · 2 (H – L cos θ)
g
d2 = 2 v2
g (H – L cos θ) (III)
Substituindo (II) em (III), temos:
d2 = 2 L sen θ g tg θ
g · (H – L cos θ)
d2 = 2 L sen θ tg θ (H – L cos θ) (IV)
226 PARTE II – DINÂMICA
• Olhando de cima:
r R
d
R = r2 + d2
De (I) e (IV):
R = L2 sen2 θ + 2 L sen θ tg θ (H – L cos θ)
R = 12
2
34
+ 2 · 12
· 3 2
3 · 1,0 – 12
· 12
R = 214
m
Resposta: d
84 Uma bolinha A encontra-se em movimento circular e uniforme de frequência igual a 30 rpm, num plano horizontal. Uma outra bolinha B é abandonada a partir do repouso, de uma altura H, num instante em que A e B estão na mesma vertical.
H
A
B
Desprezando a inf luência do ar e considerando g = 10 m/s2, determine os valores de H para que a bolinha B acerte a bolinha A.
Resolução:A frequência de A é f = 30 rpm = 0,5 Hz. Para que B acerte A, o tempo de queda de B, t
q, deve ser igual a n T, em que T é o período de A e
n = 1, 2, 3, ...
tq = n T
2 · Hg = n T ⇒ H =
n2 g T2
2
T = 1f
= 10,5 ⇒ T = 2 s
H = n2 10 · 22
2 ⇒ H = n2 (20 m) (n = 1, 2, 3, ...)
Resposta: n2 · (20 m), em que n = 1, 2, 3, ...
85 (Olimpíada Brasileira de Física) Uma bolinha de aço, abandonada a 1,0 m de altura de um piso muito duro, realiza um movimento periódi-co de subida e descida, por tempo indeterminado, se desconsiderarmos as perdas de energia mecânica na resistência do ar e nas colisões com
o solo. De que altura deve-se abandonar, simultaneamente com a pri-meira, uma segunda bolinha para que a sua terceira colisão com o solo coincida com a quinta colisão da primeira bolinha? (Adote g = 10 m/s2.)
Resolução:
Colisões da primeira bolinha:
h1
1ª 2ª 3ª 4ª 5ª
Colisões da segunda bolinha:
h2
1ª 2ª 3ª
Como o tempo de queda 2 hg é igual ao de subida:
Δtprimeira bolinha
= 9 2 h1
g
⇒ 9 2 · 1,0g
= 5 2 h2
g ⇒ h
2 = 3,24 m
Δtprimeira bolinha
= 5 2 h2
g
Resposta: 3,24 m
86 O que se pode af irmar a respeito da trajetória de um ponto material, sabendo-se que a resultante das forças que atuam nele é constante?
Resolução:a) Se a força resultante é constante e nula, o ponto material está em
repouso ou em movimento retilíneo e uniforme. Nesse caso, a tra-jetória é puntiforme ou retilínea.
b) Se a força resultante é constante e não-nula: – a trajetória é retilínea se o ponto material partiu do repouso ou já
se movia na direção da força resultante quando ela passou a existir. É o que ocorre, por exemplo, nos movimentos verticais livres, próxi-mos ao solo.
– a trajetória é parabólica se o ponto material já se movia em uma direção diferente da direção da força resultante quando ela passou a existir. É o que ocorre, por exemplo, nos movimentos livres não--verticais, próximos ao solo.
Resposta: A trajetória é um ponto, um segmento de reta ou um arco de parábola.
87 Um projétil é lançado obliquamente de um terreno plano e ho-rizontal, com velocidade inicial de módulo igual a 30 m/s, atingindo uma altura máxima de 25 m. Despreze as inf luências do ar e considere g = 10 m/s2.a) Calcule o módulo da mínima velocidade atingida pelo projétil du-
rante seu movimento livre.b) Uma circunferência tem o mesmo raio de curvatura em qualquer
um de seus pontos. Uma parábola, entretanto, tem raio de curvatu-ra variável. Calcule o raio de curvatura da trajetória do projétil, no ponto de altura máxima.
227Tópico 5 – Movimentos em campo gravitacional uniforme
Resolução:a) A velocidade tem módulo mínimo no ponto de altura máxima, local
em que ela possui apenas a componente horizontal vx:
hmáx
= v2
0Y
2 g ⇒ 25 =
v20Y
20 ⇒ v2
0Y = 500
v20 = v2
0X + v2
0Y
302 = v20X
+ 500
v0X
= vX = 20 m/s
vmín
= 20 m/s
b) No ponto de altura máxima, temos:
vmín
g
r
acp
= g ⇒ v2
mín
r = g ⇒ 202
r = 10
r = 40 m
Respostas: a) 20 m/s; b) 40 m
88 Uma bolinha de aço é lançada de um ponto P de uma rampa inclinada de α em relação à horizontal, com velocidade inicial v
0 , que
forma um ângulo θ com a horizontal. Calcule a distância do ponto P ao ponto Q, onde a bolinha colide com a rampa. Despreze inf luências do ar e considere g = 10 m/s2, v
0 = 12 m/s,
α = 30° e
No triângulo destacado, temos:
tg α = y
Q
xQ
⇒ yQ = x
Q tg α = x
Q · 3
3 (4)
(4) em (3):
xQ · 3
3 = 3 · x
Q –
5x2Q
36 ⇒ xQ = 24 3
5 m
No mesmo triângulo:
cos α = x
Q
PQ ⇒ PQ = x
Q
cos α =
24 3532
PQ = 9,6 m
Resposta: 9,6 m
89 Um corpo de massa m é lançado obliquamente de uma superfície plana e horizontal, com velocidade inicial v
0 , inclinada de θ em relação à
horizontal. Suponha que, além do peso, atue no corpo uma (única) outra
força F , horizontal e constante, no sentido da componente horizontal de v
0. Sendo g o campo gravitacional, mostre que o alcance horizon-
tal (A) desse corpo é dado por v2
0
g · sen 2θ 1 +
F tg θm g
.
Resolução:
A x
y
P
t = T
0
θt0 = 0
v0
F
Na vertical:
y0 = 0
v0X
= v0 sen θ
αY = –g
T = 2 · v
0 sen θg
Na horizontal:
x0 = 0
v0X
= v0 cos θ
αX = F
m
x = x0 + v
0X t +
αx
2 t2 ⇒ x = v0 cos θ · t + F
2m t2
Em t = T, temos x = A:
A = v0 cos θ
2 v0 sen θg + F
2 m 4 v2
0 sen2 θg2
A = v2
0
g 2 sen θ cos θ + 2 F v2
0
m g sen θ sen θg
cos θcos θ
A = v2
0
g 2 sen θ cos θ 1 + F tg θm g
A = v2
0
g sen 2θ 1 + F tg θm g
Resposta: Ver demonstração.
v0y
v0x
v0
Q
Rampa
P
θ α
v0
θ = 60°.Resolução:
yQ
y
Q
Rampa
P
v0
xQx0
x = x0 + v
0x t ⇒ x = v
0 cos θ t =
= 12 · 12 t ⇒ x = 6 t ⇒ t = x
6 (1)
y = y0 + v
0y t –
g2
t2 ⇒ y = v
0 sen θ t –
g2
t2
⇒
⇒ y = 12 · 34
t – 5 t2 ⇒ y = 6 3 t – 5 t2 (2)
(1) em (2):
y = 6 3 · x6
– 5 · x6
2
⇒ y = 3 x – 5x2
36 (3)
228 PARTE II – DINÂMICA
90 O alcance horizontal D de um projétil é o dobro da altura máxi-ma H atingida por ele, num movimento livre de duração total igual a 4,0 s. Adotando g = 10 m/s2, calcule:
H
D
θ
Arco deparábola
a) o ângulo θ de lançamento;b) o módulo da velocidade inicial;c) a altura máxima H.
Resolução:
a) • H = v2
0y
2g ⇒ H v2
0 sen2 θ2g
• D = v2
0
g 2 sen θ cos θ
• D = 2 H ⇒ v2
0
g 2 sen θ cos θ = 2 v2
0 sen2 θ2g
⇒ tg θ = 2
θ = arc tg 2
b) • tg θ = 2 ⇒ sen θcos θ = 2 ⇒ sen θ = 2 cos θ
sen2 θ + cos2 θ = 1
(2cos θ)2 + cos2 θ = 1 ⇒ 5 cos2 θ = 1 ⇒
⇒ cos θ = 55 , sen θ = 2 5
5
• ts =
v0y
g = v
0 sen θg
⇒ 2,0 = v
0 ·
2 55
10 ⇒ v0 = 10 5 m/s
c) H = v2
0 sen2 θ2g
= (10 5 )2 · 2 5
5
2
20 ⇒ H = 20 m
Respostas: a) θ = arc tg 2; b) 10 5 m/s (� 22 m/s); c) 20 m
91 Do alto de um forte, um canhão lança uma bala com velocidade inicial v
0 , inclinada de θ em relação à horizontal.
A
ÁguaO
h
y
t0 = 0
t = T
θ
x
v0
Desprezando inf luências do ar e sendo g a intensidade do campo gra-vitacional:a) determine, em função de v
0, g e h, o ângulo θ
M para que o alcance
horizontal A seja máximo;b) calcule o ângulo θ
M considerando v
0 = 100 m/s, g = 10 m/s2 e
h = 200 m.
Resolução:a) • x = v
0 cos θ t ⇒ A = v
0 cos θ T ⇒ T = A
v0 cos θ
• y = h + v0 sen θ T –
g t2
2
0 = h + v0 sen θ T –
g2
T2
0 = h + v0 sen θ · A
v0 cos θ –
g2
· A2
v20 cos2 θ
0 = h + A tg θ – g A2
2 v20
sec2 θ
0 = h + A tg θ – g A2
2 v20
(1 + tg2 θ)
0 = h + A tg θ – g A2
2 v20
– g A2
2 v20
· tg2 θ
g A2
2 v20
a
· tg2 θ – A
b
tg θ + g A2
2 v20
– h
c
= 0 (l)
Na equação (1):
Δ = A2 – 4 g A2
2 v20
· g A2
2 v20
– h = A2 – g2 A4
v40
+ 2g A2 h
v20
Δ = A2 1 – g2 A2
v40
+ 2g h
v20
Para existir tg θ real: Δ � 0
A2 1 – g2 A2
v40
+ 2g h
v20
2
� 0 ⇒ 1 –
g2 A2
v40
+ 2g h
v20
� 0
g2 A2
v40
� 1 +
2g hv2
0
⇒
g2 A2
v40
�
v20 + 2g h
v20
A � v
0
g
v2
0 + 2g h ⇒ A
máx =
v0
g v20 + 2g h
Sabe-se que Amáx
corresponde à igualdade Δ = 0 na equação (1), situação em que essa equação admite uma única raiz tg θ real (raiz
dupla), que é a abscissa do vértice da parábola: – b2 a
:
tg θ = – – A2g A2
2 v20
=
v20
g A
Fazendo A = Amáx
, vem:
tg θ
M =
v0
v20 + 2g h
Nota:
• Quando h é igual a zero, caímos no caso trivial em que θM
= 45 °. De fato:
tg θM
= v
0
v20 + 2 g h · 0
= v
0
v0
= 1 ⇒ θM
= 45°
b) tg θM
= 100
1002 + 2 ·10 · 200
⇒ θ
M � 40°
Respostas: a) θM
= arc tg v
0
v20 + 2g h
; b) � 40º
Recommended
