Fisica I - Trab_energia

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Notas de aulas. Apresentação feita no beamer. Conteúdo de trabalho, energia, potência, conservação da energia e força e energia potencial, baseada no Sears & Zemansky, V1.

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  • Instituto FederalAlguma Engenharia

    Fsica I - Trabalho e Energia

    Luis Sousa

    IFCE-MaracanaAlguma Engenharia

    3 de novembro de 2015.

  • Sumrio I1 Introduo2 Trabalho

    DefinioPropriedades, unidade e fora varivelTrabalho total

    3 Exerccios - Trabalho4 Trabalho e energia cintica

    Teorema do trabalho-energia5 Exerccios - Trabalho e energia cintica6 Potncia7 Exerccios - Potncia8 Energia potencial

    Energia potencial gravitacional9 Exerccios - Energia potencial gravitacional

    Energia potencial elstica

  • Sumrio II10 Exerccios - Energia potencial elstica

    11 Conservao da energia

    12 Exerccios - Conservao da energia

    13 Fora e energia potencial

    14 Diagramas de energia

    15 Exerccios - Fora e energia potencial

    16 Referncias

  • Introduo

    Estas notas de aula esto baseadas principalmente no livro Fsica I, (YOUNG, 2008).Aconselha-se o uso de outras referncias, por exemplo, Fundamentos de Fsica - V.1,(HALLIDAY, 2009), Fsica Bsica - V.1,(NUSSENZVEIG, 2002) e Fsica - V. 1,(RESNICK, 2003).Nesta primeira aula depois do longo recesso iremos revisar alguns tpicos de Fsica Ique foram estudados no perodo anterior greve. So os seguintes:

    Trabalho

    Energia cintica Potncia Energia potencial Energia mecnica

  • Introduo

    Estas notas de aula esto baseadas principalmente no livro Fsica I, (YOUNG, 2008).Aconselha-se o uso de outras referncias, por exemplo, Fundamentos de Fsica - V.1,(HALLIDAY, 2009), Fsica Bsica - V.1,(NUSSENZVEIG, 2002) e Fsica - V. 1,(RESNICK, 2003).Nesta primeira aula depois do longo recesso iremos revisar alguns tpicos de Fsica Ique foram estudados no perodo anterior greve. So os seguintes:

    Trabalho Energia cintica

    Potncia Energia potencial Energia mecnica

  • Introduo

    Estas notas de aula esto baseadas principalmente no livro Fsica I, (YOUNG, 2008).Aconselha-se o uso de outras referncias, por exemplo, Fundamentos de Fsica - V.1,(HALLIDAY, 2009), Fsica Bsica - V.1,(NUSSENZVEIG, 2002) e Fsica - V. 1,(RESNICK, 2003).Nesta primeira aula depois do longo recesso iremos revisar alguns tpicos de Fsica Ique foram estudados no perodo anterior greve. So os seguintes:

    Trabalho Energia cintica Potncia

    Energia potencial Energia mecnica

  • Introduo

    Estas notas de aula esto baseadas principalmente no livro Fsica I, (YOUNG, 2008).Aconselha-se o uso de outras referncias, por exemplo, Fundamentos de Fsica - V.1,(HALLIDAY, 2009), Fsica Bsica - V.1,(NUSSENZVEIG, 2002) e Fsica - V. 1,(RESNICK, 2003).Nesta primeira aula depois do longo recesso iremos revisar alguns tpicos de Fsica Ique foram estudados no perodo anterior greve. So os seguintes:

    Trabalho Energia cintica Potncia Energia potencial

    Energia mecnica

  • Introduo

    Estas notas de aula esto baseadas principalmente no livro Fsica I, (YOUNG, 2008).Aconselha-se o uso de outras referncias, por exemplo, Fundamentos de Fsica - V.1,(HALLIDAY, 2009), Fsica Bsica - V.1,(NUSSENZVEIG, 2002) e Fsica - V. 1,(RESNICK, 2003).Nesta primeira aula depois do longo recesso iremos revisar alguns tpicos de Fsica Ique foram estudados no perodo anterior greve. So os seguintes:

    Trabalho Energia cintica Potncia Energia potencial Energia mecnica

  • Introduo

    Estas notas de aula esto baseadas principalmente no livro Fsica I, (YOUNG, 2008).Aconselha-se o uso de outras referncias, por exemplo, Fundamentos de Fsica - V.1,(HALLIDAY, 2009), Fsica Bsica - V.1,(NUSSENZVEIG, 2002) e Fsica - V. 1,(RESNICK, 2003).Nesta primeira aula depois do longo recesso iremos revisar alguns tpicos de Fsica Ique foram estudados no perodo anterior greve. So os seguintes:

    Trabalho Energia cintica Potncia Energia potencial Energia mecnica

  • Trabalho

    Definio

    O trabalho de uma fora constante ~F que atua sobre um dado corpo produzindo neleum deslocamento ~d definido como o produto escalar da fora pelo deslocamento(Fig. 1 ). Matematicamente, tem-se:

    W = ~F ~d. (1)

    0 x1 x2 x

    ~F ~F

    ~d

    Figura 2.1: Trabalho de uma fora constante.

  • Propriedades, unidade e fora varivelPropriedades:

    Pelo que se sabe do produto escalar o trabalho pode ser obtido pela expresso

    W = Fd cos (2)

    sendo o ngulo entre a fora e o deslocamento.

    = 0 tem-se W = F.d; = 90o tem-se W = 0 = 180o tem-se W = F.d

    O trabalho de uma fora varivel calculado pela integral

    W = x2x1

    F(x)dx (3)

    Unidade no SI: joule(J).

  • Trabalho totalQuando vrias foras atuam sobre um corpo, o trabalho total dado pela soma dostrabalhos de cada uma das foras(Fig 3).

    x

    ~F

    ~P

    ~Fat

    ~N

    Figura 2.2: Trabalho de vrias foras.

    Neste caso o trabalho total dado por

    Wtot = WF + WFat + WP + WN . (4)

    Ex: sendo os mdulos das foras F = 20N e Fat = 15N, respectivamente, calcule otrabalho total realizado sobre o bloco e a acelerao que ele adquire, admitindom = 2kg e d = 5m.

  • Exerccios - Trabalho1 Voc empurra seu livro de fsica 1,50 m ao longo do topo de uma mesa horizontal

    com uma fora horizontal de 2,40 N. A fora de atrito que se ope ao movimento igual a 0,600 N.

    (a) Qual o trabalho realizado pela sua fora de 2,40 N sobre o livro?(b) Qual o trabalho realizado pela fora de atrito sobre o livro?(c) Qual o trabalho total realizado sobre o livro?

    2 Um trabalhador de uma fbrica exerce uma fora horizontal para empurrar poruma distncia de 4,5 m um engradado de 30,0 kg ao longo de um piso plano. Ocoeficiente de atrito cintico entre o engradado e o piso igual a 0,25.

    (a) Qual o mdulo da fora aplicada pelo trabalhador?(b) Qual o trabalho realizado por essa fora sobre o engradado?(c) Qual o trabalho realizado pelo atrito sobre o engradado?(d) Qual o trabalho realizado sobre o engradado pela fora normal? E pela fora da

    gravidade?(e) Qual o trabalho total realizado sobre o engradado?

  • Exerccios - Trabalho

    3 necessrio realizar um trabalho de 12,0 J para esticar 3,00 cm uma mola apartir do seu comprimento sem deformao. Calcule o trabalho necessrio paraesticar 4,00 cm essa mola a partir do seu comprimento sem deformao.

    4 Uma fora de 160 N estica 0,050 m uma certa mola a partir do seu comprimentosem deformao,

    (a) Qual a fora necessria para esticar essa mola 0,015 m a partir do seucomprimento sem deformao? E para comprimi-la 0,020 m?

    (b) Qual o trabalho necessrio para esticar essa mola 0,015 m a partir do seucomprimento sem deformao? Qual o trabalho necessrio para comprimiressa mola 0,020 m a partir do seu comprimento sem deformao?

    5 Quando uma fora constante atua paralelamente ao deslocamento, comopodemos dobrar o trabalho realizado por uma fora que se reduza metade deseu valor?

  • Exerccios - Trabalho6 Uma menina aplica uma fora ~F paralela ao eixo Ox sobre um tren de 10,0 kg

    que est se deslocando sobre a superfcie congelada de um lago pequeno. medida que ela controla a velocidade do tren, o componente x da fora que elaaplica varia com a coordenada x do modo indicado na figura abaixo. Calcule otrabalho realizado pela fora ~F quando o tren se desloca

    (a) de x = 0 a x = 8, 0m;(b) de x = 8, 0m a x = 12, 0m;(c) de x = 0 a x = 12, 0m.

    Figura 3.1: Fig. exerccio 6

  • Trabalho e energia cinticaUm corpo sob a ao de vrias foras sofre um trabalho total positivo, com ilustradoabaixo, 11

    x

    ~F1

    ~P

    ~Fat

    ~N~F1

    ~P

    ~Fat

    ~N

    ~d

    Figura 4.1: Trabalho e energia cintica.

    Sendo ~F a fora resultante, a a acelerao, v1 e v2 os mdulos da velocidade do corponas posies inicial e final, respectivamente, pode-se demonstrar que o trabalho total dado por

    W =

    mv222 mv21

    2

    = K2 K1. (5)

  • Teorema do trabalho-energia

    Definio

    O trabalho realizado pela fora resultante igual variao da energia cintica docorpo.

    O teorema acima expressa o resultado 5, no qual definida a energia cintica de umcorpo como sendo

    K =mv2

    2. (6)

    Unidade no SI: joule(J).Exemplo: Use a equao de Torricelli, a segunda lei de Newton e a definio detrabalho de uma fora constante, 2, para demonstrar 5. Lembrando: Equao de Torricelli: v22 = v21 + 2ax Segunda lei de Newton: F = ma

  • Exerccios - Trabalho e energia cintica

    1 Um carro parado por uma fora de atrito constante que no depende da suavelocidade. Qual o fator de variao da distncia que ele leva at parar quandosua velocidade dobra? (Resolva usando o mtodo do teorema dotrabalho-energia.).

    2 Uma bola de beisebol deixa a mo de um jogador com velocidade de 32,0 m/s. Abola de beisebol pesa cerca de 0,145 kg. Despreze a resistncia do ar. Qual otrabalho realizado pelo jogador sobre a bola ao atir-la?

    3 Um eltron se move com energia cintica K1. Depois da realizao de umtrabalho W total sobre ele, o eltron passa a se mover com uma velocidadequatro vezes menor em um sentido contrrio ao inicial, (a) Calcule W em termosde K1. (b) Sua resposta depende da direo final do movimento do eltron.

  • Exerccios - Trabalho e energia cintica4 Um tren com massa igual a 8,00 kg se move em linha reta sobre uma superfcie

    horizontal sem atrito. Em um ponto de sua trajetria, sua velocidade possuimdulo igual a 4, 00m/s; depois de percorrer mais 2,50 m alm deste ponto, suavelocidade possui mdulo igual a 6, 00m/s. Use o teorema do trabalho-energiapara achar a fora que atua sobre o tren, supondo que essa fora seja constantee que ela atue no sentido do movimento do tren.

    5 Uma bola de futebol de massa igual a 0,420 kg possui velocidade inicial de2, 00m/s. Uma jogadora de futebol d um chute na bola, exercendo uma foraconstante de mdulo igual a 40,0 N na mesma direo e no mesmo sentido domovimento da bola. At que distncia seu p deve penetrar na bola para que avelocidade da bola aumente para 6, 00m/s?

    6 Um bloco de gelo com massa de 2,0 kg desliza 0,750 m de cima para baixo aolongo de um plano inclinado de 36, 9o abaixo da horizontal. Sabendo que o blocode gelo parte sem velocidade inicial, qual sua velocidade final? Despreze oatrito.

  • Potncia

    Definio

    Potncia a taxa temporal de realizao de um trabalho.

    A definio acima refere-se potncia instantnea que definido a partir dapotncia mdia.

    Potncia mdiaPm =

    Wt

    (7)

    Potncia instantneaP = lim

    t>0Wt

    =dWdt. = ~F ~v. (8)

    Unidade no SI: watt (W).Exemplo: Cada motor de um Boeing 767 desenvolve uma propulso igual a 197000N. Sendo v = 250m/s qual a potncia instantnea que cada motor desenvolve?

  • Exerccios - Potncia

    1 Uma dupla de atletas de bicicleta tandem (bicicleta com dois assentos) devesuperar uma fora de 165 N para manter uma velocidade de 9,0 m/s. Calcule apotncia em watts necessrios para cada competidor, supondo que cada umdeles pedale com a mesma potncia.

    2 Quando seu motor de 75 kW fornece sua potncia mxima, um avio monomotorcom massa de 700 kg ganha altura com uma taxa de 2,5 m/s (ou 150 m/min).Qual a frao da potncia do motor que est sendo usada para fazer o aviosubir? (A potncia restante usada para superar os efeitos da resistncia do ar ecompensar as ineficincias da hlice e do motor.)

    3 Seu trabalho colocar em um caminho engradados de 30,0 kg, elevando-os0,90 m do cho at o caminho. Quantos engradados voc coloca no caminhoem um minuto supondo que a sua potncia mdia seja de 100 W?

  • Exerccios - Potncia

    4 Considere as seguintes situaes:

    (a) Se necessria uma potncia de 5968 W para impulsionar um automvel de1800 kg a 60,0 km/h em uma estrada horizontal, qual a fora retardadora totaldevida ao atrito, resistncia do ar e a outras foras?

    (b) Qual a potncia necessria para impulsionar o automvel a 60,0 km/h subindouma estrada com inclinao de 10,0

    (c) Qual a potncia necessria para impulsionar o automvel a 60,0 km/hdescendo uma estrada com inclinao de l,00

    (d) Qual deve ser a inclinao percentual para o automvel continuar descendo a60,0 km/h com o motor desligado?

    5 O martelo de um bate-estaca pesa 3800 N e deve ser elevado verticalmente 2,80m com velocidade constante durante um intervalo de 4,00 s. Qual a potnciaem watts que o motor deve fornecer ao martelo?

  • Energia potencial

    Definio

    A energia potencial est relacionada com a posio e fornece o potencial ou apossibilidade de se realizar trabalho.

    Os tipos mais comuns de energia potencial so:

    Energia potencial gravitacional Energia potencial elstica

    Obs. Alguns tipos de foras tem a propriedade de converter energia potencial emcintica e vice-versa. Elas so chamadas de foras conservativas.

    Pesquise sobre outras caractersticas das foras conservativas; das noconservativas e das dissipativas.

  • Energia potencial gravitacional I

    y

    y1

    y2~F

    ~P

    ~F

    ~P

    (a) Subindo

    y

    y2

    y1~F

    ~P

    ~F

    ~P

    (b) Descendo

    Figura 8.1: Enegia potencial gravitacional

  • Energia potencial gravitacional IINa figura 8.1, temos duas situaes: na 1(a) o corpo elevado da posio y1 para aposio y2, o trabalho realizado pela fora peso W = pd = p(y2 y1) = (mgy1 mgy2) < 0. Na figura 1(b) o corpo cai da posio y1para y2, sendo o trabalho da fora peso igual aW = pd = p(y1 y2) = (mgy1 mgy2) > 0Nos dois casos a expresso (mgy1 mgy2) d o sinal correto do trabalho da foragravitacional. Portanto, podemos definir o trabalho da fora peso ou gravitacionalcomo sendo

    Wgrav = mgy1 mgy2. (9)Definindo a energia potencial gravitacional como sendo

    Ugrav = mgy (10)

    O trabalho da fora gravitacional pode ser expresso como

    Wgrav = Ugrav. (11)

  • Exerccios - Energia potencial gravitacional

    1 Qual a energia potencial para um elevador de 800 kg no alto da Torre Sears emChicago, situada a uma altura de 440 m acima do solo? Considere a energiapotencial igual a zero no nvel da rua.

    2 Uma bola de beisebol lanada do telhado de um edifcio de 22, 0m de alturacom uma velocidade inicial de 12, 0m/s dirigida formando um ngulo de 53, 1o

    acima da horizontal,

    (a) Qual a velocidade da bola imediatamente antes de colidir com o solo? Use omtodo da energia e despreze a resistncia do ar.

    (b) Qual seria a resposta da parte (a) se a velocidade inicial formasse um ngulo de53, lo abaixo da horizontal?

    (c) Se voc no desprezar a resistncia do ar, a maior velocidade ser obtida naparte (a) ou na parte (b)?

    3 Pesquise e explique a diferena entre massa e peso.

  • Exerccios - Energia potencial gravitacional4 No alto de uma rvore, Tarzan observa Jane em outra rvore. Ele agarra a

    extremidade de um cip com 20,0 m de comprimento que faz um ngulo de 45o

    com a vertical, abandona a borda da rvore e oscila para baixo e sobe no sentidodos braos de Jane. Quando ele chega, seu cip faz um ngulo de 30o com avertical. Verifique se ele dar um suave abrao em Jane ou se a empurrar parafora da rvore calculando a velocidade de Tarzan no instante imediatamenteantes de atingir Jane. Despreze a resistncia do ar e a massa do cip.

    5 Um forno de micro-ondas de 10,0 kg empurrado 8,00 m para cima de umarampa inclinada de um ngulo de 36, 9o acima da horizontal, por uma foraconstante ~F de mdulo igual a 110 N atuando paralelamente ao deslocamento aolongo da rampa. O coeficiente de atrito cintico entre o forno e a rampa igual a0,250.

    (a) Qual o trabalho realizado pela fora F sobre o forno?(b) Qual o trabalho realizado sobre o forno pela fora de atrito?(c) Calcule o aumento da energia potencial para o forno,

  • Energia potencial elstica

    O trabalho realizado por uma mola em um deslocamento de x1 para x2 dado pelaexpresso

    Wel =12kx21

    12kx22 (12)

    onde k a constante elstica da mola.

    Verifique que a expresso 12 d o sinal correto para cada situao do sistemamassa-mola do prximo slide, 9.1.

    Exemplo: demonstre a expresso 12 a partir da definio de trabalho de umafora varivel, expresso 3.

  • Energia potencial elstica

    x1x2~d ~Fmola

    0

    x1

    x2~Fmola ~d

    Figura 9.1: Energia potencial elstica

  • Exerccios - Energia potencial elstica

    1 Uma fora de 720 N estica uma certa mola at uma distncia de 0,150 m. Qual a energia potencial da mola quando uma massa de 60,0 kg est penduradaverticalmente nessa mola?

    2 A constante de uma certa mola de massa desprezvel dada por k = 1600 N/m.

    (a) Qual deve ser a distncia da compresso dessa mola para que ela armazeneuma energia potencial igual a 3,20 J?

    (a) Voc coloca verticalmente uma das extremidades da mola sobre o solo. Deixacair sobre a mola um livro de l,20 kg a partir de uma altura de 0,80 m acima daextremidade superior da mola. Calcule a distncia da compresso mxima dessamola.

    3 Um queijo de 1,20 kg colocado sobre uma mola de massa desprezvel econstante k = 1800 N/m que est comprimida 15,0 cm. At que altura acima daposio inicial o queijo se eleva quando a mola libertada? (O queijo no estpreso mola.)

  • Exerccios - Energia potencial elstica4 Voc foi solicitado para projetar uma mola que deve fornecer a um satlite de

    1160 kg uma velocidade de 2,50 m/s em relao a uma estao espacial cmrbita. Sua mola deve fornecer ao satlite uma acelerao mxima de 5,00g.Voc pode desprezar a massa da mola, a energia potencial do recuo da estao,e variaes da energia potencial gravitacional.

    (a) Qual deve ser a constante da mola?(b) Qual a distncia que a mola deve ser comprimida?

    5 Mostre que duas molas associadas em srie podem ser substitudas por umanica mola equivalente cuja constante dada por 1k =

    1k1

    + 1k2, sendo k1 a

    constante da mola 1 e k2 a constante da mola 2 (veja figura abaixo).

    Figura 10.1: Fig. exerccio 5

  • Exerccios - Energia potencial elstica6 Mostre que duas molas associadas em paralelo podem ser substitudas por uma

    nica mola equivalente cuja constante dada por k = k1 + k2, sendo k1 aconstante da mola 1 e k2 a constante da mola 2 (veja figura abaixo).

    Figura 10.2: Fig. exerccio 6

  • Conservao da energia

    Definio

    A soma das variaes das energias cintica, potencial e interna de um sistema quepassa por algum processo fsico sempre nula.

    A definio acima pode ser assim expresso:

    K + U + Uint = 0. (13)

    Obs. a energia mecnica de um corpo a soma de suas energias cintica epotencial. Quando h apenas foras conservativas, princpio da conservao daenergia simplificado:

    E = K + U = constante, (14)

    sendo E a energia mecnica do sistema.

  • Exerccios - Conservao da energia1 Alega-se que at 900 kg de gua podem ser evaporados diariamente pelas

    grandes rvores. A evaporao ocorre nas folhas e para chegar l a gua tem deser elevada desde as razes da rvore. (a) Suponha que em mdia a gua sejaelevada de 9,20 m acima do solo; que energia deve ser fornecida? (b) Qual apotncia mdia envolvida, se admitirmos que a evaporao ocorra durante 12horas?

    2 Um carro de montanha russa, sem atrito, parte do ponto A (fig. 2) com velocidadev0. Calcule a velocidade do carro: (a) no ponto B, (b) no ponto C, (c) no ponto D.Suponha que o carro possa ser considerado uma partcula e que permanea otempo todo no trilho.

    Figura 12.1: Fig. exerccio 2

  • Exerccios - Conservao da energia3 Uma haste delgada de comprimento L = 2,13 m e de massa desprezvel pode

    girar em um plano vertical, apoiada num de seus extremos. A haste afastada de = 35, 5o e largada, conforme a Fig. 3. Qual a velocidade da bola de chumbopresa extremidade inferior, ao passar pela posio mais baixa?

    Figura 12.2: Fig. exerccio 3

    4 A mola de um revlver de brinquedo tem constante elstica de 7,25 N/cm. Orevlver inclinado de 36,0o acima da horizontal e dispara uma bola de 78 g altura de 1,9 m acima da boca do revlver.

  • Exerccios - Conservao da energia(a) Qual a velocidade de sada da bola? (b) De quanto deve ter sido comprimidainicialmente a bola?

    5 Duas crianas brincam de acertar, com uma bolinha lanada por um revlver debrinquedo situado na mesa, uma caixinha colocada no cho a 2,20 m da bordada mesa (veja a fig. 5). Kiko comprime a mola de 1,10 cm, mas a bolinha cai a27,0 cm antes da caixa. De quanto deve a mola ser comprimida pela Biba paraatingir o alvo?

    Figura 12.3: Fig. exerccio 5

  • Exerccios - Conservao da energia6 O fio da fig a seguir tem comprimento L = 120 cm e a distncia d ao pino fixo P

    de 75,0 cm. Quando se larga a bola em repouso na posio mostrada elaoscilar ao longo do arco pontilhado. Qual ser a sua velocidade (a) quandoalcanar o ponto mais baixo do movimento? (b) quando alcanar o ponto maiselevado depois que o fio encostar no pino?

    Figura 12.4: Fig. exerccio 6

  • Exerccios - Conservao da energia

    7 Um bloco de 3,2 kg parte do repouso e desliza uma distncia d para baixo deuma rampa inclinada de 28,0o e se choca com uma mola de massa desprezvel,conforme a fig. 8. O bloco desliza mais 21,4 cm antes de pararmomentaneamente ao comprimir a mola, cuja constante elstica de 427 N/m.(a) Quanto vale d? (b) A velocidade do bloco continua a aumentar durante certotempo depois depois de chocar-se com a mola. Qual a distncia adicional que obloco percorre antes de alcanar sua velocidade mxima e comear a diminuir?

    Figura 12.5: Fig. exerccio 7

  • Exerccios - Conservao da energia

    8 Um bloco de 3,2 kg parte do repouso e desliza uma distncia d para baixo deuma rampa inclinada de 28,0o e se choca com uma mola de massa desprezvel,conforme a fig. 8. O bloco desliza mais 21,4 cm antes de pararmomentaneamente ao comprimir a mola, cuja constante elstica de 427 N/m.(a) Quanto vale d? (b) A velocidade do bloco continua a aumentar durante certotempo depois depois de chocar-se com a mola. Qual a distncia adicional que obloco percorre antes de alcanar sua velocidade mxima e comear a diminuir?

    Figura 12.6: Fig. exerccio 8

  • Fora e energia potencial IAs foras conservativas podem ser representadas por meio de uma funo energiapotencial. Sendo assim, possvel calcular a fora conhecendo-se a energiapotencial.

    Para um pequeno deslocamento x, o trabalho realizado por uma fora (conservativa)~F ser aproximadamente W = ~F ~x = U. Tomando o limite x>0 encontra-se

    F(x) = dU(x)dx

    . (15)

    Esta a expresso de uma fora ~F, conservativa, em funo da energia potencial. Osinal negativo indica que a fora tende sempre a levar o sistema para o menor nvel deenergia. Em trs dimenses tem-se a forma mais geral

    ~F = (Ux

    i +Uy

    j +Uz

    k). (16)

  • Fora e energia potencial II

    Vamos analisar graficamente o significado do sinal negativo da expresso 15

    (a) Fora elstica (b) Fora peso

    Figura 13.1: Relao entre fora e energia potencial

  • Diagramas de energia I

    Figura 14.1: Oscilao de um bloco preso a uma mola

    Figura 14.2: Energia mecnica E = K + U para o bloco acima.

  • Diagramas de energia II

    Figura 14.3: Funo energia potencial hipottica e fora correspondente.

  • Exerccios - Fora e energia potencial

    1 Uma pedra de 0,050 kg se move da origem ao ponto (3,0 m, 5,0 m) em umsistema de coordenadas no qual o sentido positivo do eixo Oy de baixo paracima.

    (a) A pedra inicialmente se move horizontalmente da origem ao ponto (3,0 m, 0) e aseguir ela se move verticalmente do ponto (3,0 m, 0) ao ponto (3,0 m, 5,0 m).Faa um esboo da trajetria da pedra no plano xy. Qual o trabalho realizadopela fora gravitacional durante esse deslocamento?

    (b) Em vez de a trajetria indicada na parte (a). suponha que a pedra inicialmente semove verticalmente da origem ao ponto (O, 5,0 m) e a seguir se movehorizontalmente de (0,5,0 m) ao ponto (3,0 m, 5,0 m). Faa um esboo datrajetria da pedra no plano-w. Qual o trabalho realizado pela fora gravitacionaldurante esse deslocamento?

    (c) Comparando suas respostas dos itens (a) e (b), voc pode dizer se a foragravitacional conservativa ou no conservativa? Explique.

  • Exerccios - Fora e energia potencial

    2 Em uma experincia, uma das foras que atuam sobre um prton dada por~F = xi, onde = 12N/m2,

    (a) Qual o trabalho realizado pela fora ~F quando o prton se desloca ao longo deuma linha reta do ponto (0.10m, 0) ao ponto (0.10m, 0,40 m)?

    (b) E ao longo de uma linha reta do ponto (0.10 m,0) ao ponto (0.30m, 0)?

    (c) E ao longo de uma linha reta do ponto (0.30 m,0) ao ponto (O, l O m, ())?

    (d) A fora ~F conservativa? Explique. Se voc responder que a fora ~F conservativa, qual a funo energia potencial associada a ela? Faa (7 = 0)para y = 0.

    3 A energia potencial entre dois tomos de hidrognio separados por uma distnciaA muito grande dada por U(x) = C6x6 onde C6, uma constante positiva. Qual a fora que um tomo exerce sobre o outro? Essa fora de atrao ou derepulso?

  • Exerccios - Fora e energia potencial

    4 Uma fora paralela ao eixo Ox atua sobre uma partcula que se desloca ao longodeste eixo. Essa fora produz uma energia potencial dada por U(x) = x4, onde = 1, 20J/m4. Qual a fora (mdulo, direo e sentido) quando a partcula seencontra em x = 0, 800m?

    5 Um objeto se desloca no plano xy submetido ao de uma fora que produzuma energia potencial dada por

    U(x, ) = (1x2

    +1y2

    )(17)

    sendo uma constante positiva. Deduza uma expresso para a fora em termosdos vetores unitrios i e j.

  • Referncias

    HALLIDAY. Fundamentos de fsica: volume 1: mecnica. 4. ed. So Paulo: LTC,2009.

    NUSSENZVEIG, H. Fsica Bsica, Vol. 1. 4. ed. So Paulo: Editora EdgardBlcher Ltda., 2002.

    RESNICK. Fsica: volume 1: mecnica. 5. ed. So Paulo: LTC, 2003.YOUNG, F. Fsica: volume 1: mecnica. 12. ed. So Paulo: PEARSON, 2008.

    IntroduoTrabalhoDefinioPropriedades, unidade e fora varivelTrabalho total

    Exerccios - TrabalhoTrabalho e energia cinticaTeorema do trabalho-energia

    Exerccios - Trabalho e energia cinticaPotnciaExerccios - PotnciaEnergia potencialEnergia potencial gravitacional

    Exerccios - Energia potencial gravitacionalEnergia potencial elstica

    Exerccios - Energia potencial elsticaConservao da energiaExerccios - Conservao da energiaFora e energia potencialDiagramas de energiaExerccios - Fora e energia potencialReferncias