Cinemática do ponto material
Posição, velocidade, aceleração, integração do movimento, projéteis e curvatura da trajetória.
Uma bola pode subir, parar por um instante e voltar a cair. Para prever a trajetória, tratamo-la como ponto material: ignoramos o tamanho e a rotação. Este modelo serve para localizar a bola, mas não para estudar como roda sobre si mesma.
A cinemática relaciona posição, velocidade e aceleração sem determinar as forças que causam o movimento.
Medidas e vetores
Uma medida combina valor e unidade. Converte para unidades compatíveis antes de calcular: . Na dimensão de uma expressão, , e . Assim, e podem ser deslocamentos, porque têm dimensão de comprimento; não pode.
Escolhe uma origem, eixos e um relógio. O vetor posição é . O deslocamento liga os extremos da trajetória. A distância percorrida soma comprimentos ao longo dela, ou seja mede o caminho. Ir para a direita e regressar dá distância e deslocamento nulo.
Os símbolos , e são vetores de módulo um nas direções dos eixos. Soma vetores componente a componente. Por exemplo, tem módulo , não .
O produto escalar , com os módulos e o ângulo entre os vetores, mede uma projeção; o produto vetorial tem módulo e direção perpendicular aos dois vetores, dada pela regra da mão direita. Não substituas vetores por módulos antes de resolver sinais e componentes, porque perdes a direção.
Posição, velocidade e aceleração
A velocidade média é . A velocidade instantânea e a aceleração são
A rapidez é não negativa. A componente pode ser negativa. A aceleração não tem de apontar no sentido da velocidade: se forem opostas num movimento retilíneo, a rapidez diminui.
Por exemplo, , com em metros e em segundos, dá e . Em , temos e . O corpo ainda vai para a direita, mas abranda, porque a aceleração aponta para a esquerda. Em , a velocidade anula-se por um instante e depois regressa. A posição máxima é .
Num gráfico , o declive é . Num gráfico , o declive é e a área com sinal é o deslocamento. Uma área negativa não é uma distância negativa.
Lê os dois gráficos em conjunto. O máximo de está onde cruza zero. Depois desse instante, a área acumulada sob começa a diminuir o deslocamento total.
Integrar o movimento
A aceleração determina a variação da velocidade. Para obter a velocidade, precisamos de ; para obter a posição, precisamos também de :
Se for constante e ,
A última relação elimina o tempo, por isso serve quando não conheces . Não a uses quando a aceleração varia. O quadrado também perde informação sobre o sentido: escolhe o sinal da raiz com a situação física.
Um carro a trava com . Pára em . O deslocamento é . Pela relação sem tempo, dá os mesmos . Estas equações deixam de descrever a travagem quando o carro já parou, porque o modelo de constante já não vale parado.
Separação de variáveis
Num movimento retilíneo, escreve a componente com sinal . Reserva para a rapidez, que nunca é negativa. Esta distinção evita misturar a equação com sinal com as fórmulas de curvatura, onde é o módulo.
Se , com em , separamos as variáveis para . Escreve os limites desde a condição inicial:
A condição inicial escolhe o ramo com o sinal de . A solução também satisfaz a equação diferencial, embora tenha sido excluída pela divisão. Integramos novamente com :
Com e , o corpo aproxima-se de sem lá chegar em tempo finito, pois a exponencial nunca se anula; a rapidez decai com constante de tempo .
Ver aceleração que depende da posição
Quando a aceleração depende da posição, a regra da cadeia dá . Por exemplo, permite integrar desde , obtendo . A relação descreve os estados acessíveis; para obter e os sentidos em cada trecho é preciso completar a análise temporal.
Distância quando a aceleração depende da velocidade
Se a lei dá e pedimos uma distância, podemos eliminar o tempo: . Num trecho onde ,
Por exemplo, um veículo parte do repouso com , onde mede-se em e em . Para atingir , integramos:
A substituição dá . O logaritmo compara duas acelerações, por isso o argumento é adimensional. Quando se aproxima de , a distância diverge: essa velocidade limite não se atinge num trecho finito. Para velocidades pequenas, a expressão aproxima-se de , recuperando a aceleração quase constante. Não substituas logo a aceleração inicial numa fórmula de aceleração constante.
Reconstruir a trajetória a partir da velocidade
A velocidade vetorial em função do tempo pode ser separada por componentes. Por exemplo, , com unidades SI, e . Integramos cada componente com a sua condição inicial:
Eliminamos e obtemos , uma parábola no plano; eliminar o tempo é o que distingue a forma geométrica da trajetória das equações horárias.
Projéteis
Sem resistência do ar e com gravidade uniforme, os movimentos horizontal e vertical partilham o mesmo tempo, mas têm acelerações distintas. Com positivo para cima,
Uma bola parte do solo a , com . Assim, e . No topo, , logo . A altura máxima é .
A rapidez no topo continua a ser , porque só a componente vertical se anulou. A bola não está parada nesse instante e a aceleração não é nula: a gravidade continua a atuar e a rapidez volta a aumentar logo a seguir. Confundir velocidade vertical nula com paragem é o erro que o exercício do topo treina detetar.
Ao regressar à altura de lançamento, e o alcance é . A fórmula exige alturas inicial e final iguais.
Movimento curvilíneo
Um versor é um vetor de módulo um que indica uma direção. Num ponto em movimento, é tangente à trajetória no sentido da velocidade e aponta para o centro local de curvatura. A aceleração separa-se em
A componente tangencial muda a rapidez, enquanto a normal muda a direção da velocidade; por isso , com sempre não negativa. Aqui é o raio de curvatura naquele ponto, não a distância à origem.
Para , podemos calcular e . Quando , . Num trecho retilíneo, a curvatura é zero e o raio pode ser entendido como infinito. Num instante com velocidade nula, estas fórmulas de versores precisam de análise separada.
Ver forma em três dimensões
Em três dimensões, a mesma relação é .
Com a relação entre aceleração normal e curvatura, o topo do projétil anterior dá um exemplo numérico. Aí é horizontal e vertical. Portanto , e .
Movimento circular
Numa circunferência de raio , escolhe um sentido angular positivo. O arco orientado é , com em radianos; uma volta corresponde a radianos. A velocidade angular mede-se em e a aceleração angular em .
A velocidade na direção angular positiva é e a aceleração nessa direção é . A rapidez é e a componente normal é . A componente tangencial definida no sentido da velocidade é : para , vale ; para , vale . Por exemplo, , e descrevem uma rotação que abranda, logo .
Num movimento circular uniforme, com o módulo da velocidade angular, o período e a frequência em hertz,
Uma roda de a duas voltas por segundo tem , e . Rapidez constante não significa aceleração nula.
A cinemática calcula a aceleração necessária, e as leis de Newton dizem que forças a podem produzir.
Exercícios
Distância de travagem
Um corpo move-se a 18 m/s e trava com aceleração constante −3,6 m/s² até parar. Qual a distância percorrida, em metros?
Pista
A velocidade final é zero, ou seja usa a equação que elimina o tempo.
Mais uma pista
Substitui em 0 = 18² + 2 × (−3,6) × Δx.
Solução
Δx = 324/7,2 = 45 m. O tempo de travagem é 18/3,6 = 5 s e a velocidade média é 9 m/s, por isso 45 m confirma-se por dois caminhos.
Erros frequentes
Usar uma aceleração positiva ou prolongar a travagem para lá da paragem, porque o modelo deixa de valer parado.
Separar acelerações
Num instante, um corpo tem rapidez 6 m/s e aceleração de módulo 5 m/s². A componente tangencial é 3 m/s². Qual o raio de curvatura, em metros?
Pista
As componentes normal e tangencial são perpendiculares.
Mais uma pista
Calcula a normal por √(5² − 3²) e depois usa ρ = v²/a_n.
Solução
a_n = 4 m/s² e ρ = 36/4 = 9 m, porque só a componente normal curva a trajetória.
Erros frequentes
Usar o módulo total da aceleração no lugar da componente normal.
Velocidade e curvatura no topo
Uma bola sai do solo a e acima da horizontal. Despreza o ar e usa .
- Determina a velocidade vetorial no topo.
- Calcula aí as componentes tangencial e normal da aceleração.
- Determina o raio de curvatura. A bola está parada nesse instante?
Pista
Solução
A componente horizontal mantém-se: . No topo, , logo . A aceleração continua a ser .
Como , e . Assim, . A bola continua em movimento horizontal. A rapidez deixa de diminuir e começa a aumentar depois do topo; a gravidade não desaparece.
Confere a tua resposta:
- Obtenho v_x = 10 m/s e v_y = 0 no topo.
- Distingo aceleração tangencial nula de aceleração normal de 10 m/s².
- Calculo o raio de curvatura de 10 m.
Aterrar noutra altura
Pista
Mais uma pista
Solução
Erros frequentes
Velocidade com atrito linear
Pista
Mais uma pista
Solução
Erros frequentes
Equações horárias e trajetória
Para , uma partícula tem em unidades SI e posição inicial . Obtém as equações horárias, elimina o tempo e indica a parte da trajetória percorrida depois de .
Pista
Solução
Integramos cada componente: e . Como , temos .
É uma parábola, mas impõe . A equação geométrica sem esta restrição incluiria uma parte que não foi percorrida no intervalo considerado.
Confere a tua resposta:
- Integro as duas componentes com as condições iniciais.
- Obtenho x = 2 + y²/18 para t ≥ 0.
- Identifico y ≥ 0 como a parte percorrida desde o instante inicial.
Acelerar ao longo de uma pista
Um veículo parte do repouso e segue em linha reta, com aceleração em unidades SI. Qual a distância necessária para atingir ? Indica a velocidade limite do modelo e explica se pode ser atingida numa distância finita.
Pista
Solução
A velocidade pedida é . Como , a distância é
A aceleração anula-se em , cerca de . A distância calculada diverge quando a velocidade se aproxima desse valor por baixo. O veículo aproxima-se do limite sem o atingir numa distância finita. Usar constante daria apenas , porque ignoraria a redução da aceleração.
Confere a tua resposta:
- Converto 72 km/h em 20 m/s.
- Integro v/(4 − 0,005v²) em relação a v.
- Obtenho 100 ln 2 m, cerca de 69,3 m, e identifico a velocidade limite.