Apostila - Univap
Apostila - Univap
Apostila - Univap
You also want an ePaper? Increase the reach of your titles
YUMPU automatically turns print PDFs into web optimized ePapers that Google loves.
0 [Type the document title] <br />
Universidade do Vale do Paraíba<br />
Fundamentos da<br />
Física
Ao Aluno<br />
Esta apostila será elaborada ao longo da disciplina de Fundamentos da Física,<br />
ministrada nos curso de Arquitetura e Urbanismo da <strong>Univap</strong>.<br />
A apostila será uma compilação das notas de aula que estarão fundamentadas<br />
nos livros listados na bibliografia recomendada.<br />
Estas notas de aula não substituirão o uso dos livros textos, mas poderão<br />
auxiliá-lo no entendimento dos conteúdos dessa disciplina. Recomenda-se que o<br />
emprego desses livros seja utilizado para uma melhor compreensão dos conteúdos desse<br />
curso.<br />
São José dos Campos, março de 2013<br />
1
1. Grandezas, unidades e medidas<br />
É de extrema importância em engenharia e ciências físicas que saibamos<br />
obedecer a coerência de unidades e dimensões de uma equação qualquer. Uma equação<br />
deve sempre possuir coerência dimensional. Você não pode somar automóvel com<br />
maça, por exemplo; dois termos só podem ser somados caso eles possuam a mesma<br />
unidade. Por isso, faz-se necessário o aprendizado destes conceitos.<br />
1.1. Coerência Dimensional<br />
Começando com a equação do movimento retilíneo uniforme:<br />
x = x 0 +v.t (1)<br />
onde x representa a posição de qualquer objeto no eixo x, x 0 representa a posição inicial,<br />
v é a velocidade do móvel e t o tempo.<br />
No lado esquerdo da equação 1 temos somente o termo referente a posição do<br />
móvel, ou seja, um comprimento qualquer que pode estar em metros, quilômetros, etc.<br />
Agora, no lado direito da equação temos a soma de dois termos, x 0 e v.t. Para que ocorra<br />
a soma de ambos os termos, há a necessidade de que ambos possuam a mesma<br />
dimensão, ou seja, comprimento, caso contrário, a equação acima estaria errada.<br />
Portanto, somente é possível somar grandezas físicas que tenham as mesmas dimensões.<br />
Uma equação física não pode ser verdadeira se não for<br />
dimensionalmente homogênea!<br />
Traduzindo a frase acima, notamos que as dimensões de um membro da equação<br />
devem ser iguais às dimensões do outro membro. Seria completamente errada a<br />
expressão:<br />
80 quilogramas = 30 metros + x metros<br />
Para facilitar a análise das dimensões presentes em uma equação, adotaremos os<br />
seguintes símbolos:
Comprimento<br />
Massa<br />
Tempo<br />
[L]<br />
[M]<br />
[T]<br />
Aplicando a fórmula dimensional na equação (1) teremos:<br />
x posição = [ L ]<br />
t tempo = [ T ]<br />
v<br />
!"#$%&"<br />
!"#$% = ! !<br />
x = x ! + vt → L = L + L T<br />
T → L = L + L<br />
Note que finalmente a equação (1) é uma equação que possui uma coerência de<br />
unidades.<br />
Na mecânica, adotam-se a massa (M), o comprimento (L) e o tempo (T) como<br />
grandezas fundamentais.<br />
Grandeza física: é tudo aquilo que pode ser medido.<br />
São exemplos de grandezas físicas: comprimento, massa, temperatura,<br />
velocidade, aceleração, etc.<br />
Esta análise dimensional nos permite obter a dimensão de certas constantes em<br />
equações, como por exemplo, a seguinte equação da lei de Hooke:<br />
F = −k x (2)<br />
onde, no lado esquerdo da equação temos a força F, enquanto que no lado direito temos<br />
uma constante k (constante elástica da mola), que queremos determinar sua dimensão,<br />
multiplicada pela posição x (elongamento da mola). Então, realizando a análise<br />
dimensional:<br />
3
1. F = massa×aceleração<br />
2. aceleração = !"#$%&#'()"<br />
!"#$%×!"#$% = !<br />
! . ! = ! ! ! , logo<br />
3. F = massa×acelaração = M L ! ! !<br />
Aplicando na equação (2) os resultados acima, teremos:<br />
M<br />
L T ! = k L → M L<br />
L<br />
T ! = k<br />
k = M T !<br />
Note que a constante k tem que ter dimensão de massa ([M]) por tempo ao<br />
quadrado, ou seja, g/ s 2 ou kg/s 2 .<br />
Vejamos a seguir alguns exemplos de análise dimensional:<br />
1. Velocidade: v = ∆!<br />
∆!<br />
se ∆S = L<br />
e ∆t = T<br />
v = L T<br />
2. Aceleração: a = ∆!<br />
∆!<br />
a = L T !<br />
3. Força: F = m.a
F = M .<br />
L<br />
T !<br />
4. Trabalho: τ = F. d<br />
τ = M .<br />
L !<br />
T !<br />
5. Potência: P = !<br />
∆!<br />
P = ! . ! !<br />
! !<br />
6. Quantidade de Movimento: Q = m. v<br />
Q = M .<br />
L<br />
T<br />
EXERCÍCIOS PROPOSTOS<br />
1) Faça a análise dimensional das equações abaixo e verifique quais estão<br />
dimensionalmente incorretas, onde:<br />
v 0 é a velocidade inicial do objeto;<br />
a é a aceleração do corpo;<br />
x 0 é a posição inicial do objeto;<br />
Δx = x−x 0 é o deslocamento;<br />
g é a aceleração da gravidade;<br />
r é o raio de uma circunferência;<br />
v é a velocidade;<br />
t é o tempo;<br />
W é o trabalho realizado.<br />
5
a) x = x 0 +v 0. t+1/2.a.t 2<br />
b) v = v 0 +a.t 2<br />
2<br />
c) v = v 0 + 2.a.Δx<br />
d) t = (v 0 .sen θ) / g<br />
e) a = v / r<br />
f) W = F.Δx.cosθ<br />
2) Nas equações abaixo, determine as dimensões das constantes G, µ, c e d:<br />
a) F= G.(M.m)/r 2<br />
b) f a = µ.N , onde f a é a força de atrito e N é a força normal.<br />
c) F = c.a 3<br />
d) F = d.v , onde v é a velocidade.<br />
1.2. Coerência de Unidades<br />
O Sistema Internacional de Unidades – SI<br />
“Todo o conhecimento que não pode ser expresso por números é de qualidade pobre e<br />
insatisfatória". (Lorde Kelvin, grande cientista britânico)<br />
As informações aqui apresentadas irão ajudar você a compreender melhor e a<br />
escrever corretamente as unidades de medida adotadas no Brasil. A necessidade de<br />
medir é muito antiga e remota à origem das civilizações. Por longo tempo cada país,<br />
cada região, teve o seu próprio sistema de medidas, baseado em unidades arbitrárias e<br />
imprecisas, como por exemplo, aquelas baseadas no corpo humano: palmo, pé,<br />
polegada, etc. Isso criava muitos problemas para o comércio, porque as pessoas de uma<br />
região não estavam familiarizadas com o sistema de medida das outras regiões. Imagine<br />
a dificuldade em comprar ou vender produtos cujas quantidades eram expressas em<br />
unidades de medida diferentes e que não tinham correspondência entre si.<br />
Em 1789, numa tentativa de resolver o problema, o Governo Republicano<br />
Francês pediu à Academia de Ciências da França que criasse um sistema de medidas
aseado numa "constante natural". Assim foi criado o Sistema Métrico Decimal.<br />
Posteriormente, muitos outros países adotaram o sistema, inclusive o Brasil, aderindo à<br />
"Convenção do Metro". O Sistema Métrico Decimal adotou, inicialmente, três unidades<br />
básicas de medida: o metro, o litro e o quilograma.<br />
Entretanto, o desenvolvimento científico e tecnológico passou a exigir medições<br />
cada vez mais precisas e diversificadas. Por isso, em 1960, o sistema métrico decimal<br />
foi substituído pelo Sistema Internacional de Unidades - SI, mais complexo e<br />
sofisticado, adotado também pelo Brasil em 1962 e ratificado pela Resolução nº 12 de<br />
1988 do Conselho Nacional de Metrologia, Normalização e Qualidade Industrial -<br />
Conmetro, tornando-se de uso obrigatório em todo o Território Nacional.<br />
As unidades SI podem ser escritas por seus nomes ou representadas por meio de<br />
símbolos.<br />
Exemplos:<br />
Unidade de comprimento Unidade de tempo Unidade de massa<br />
nome: metro nome: segundo nome: quilograma<br />
símbolo: m símbolo: s símbolo: kg<br />
Os nomes das unidades SI são escritos sempre em letra minúscula. Exemplos:<br />
quilograma, newton, metro cúbico. As exceções ocorrem somente no início da frase e<br />
"grau Celsius".<br />
O símbolo é um sinal convencional e invariável utilizado para facilitar e<br />
universalizar a escrita e a leitura das unidades SI. Por isso mesmo não é seguido de<br />
ponto.<br />
Certo<br />
Errado<br />
segundo s s. ou seg.<br />
metro m m. ou mtr.<br />
kilograma kg kg. ou kgr.<br />
hora h h. ou hr.<br />
O símbolo não tem plural, invariavelmente não é seguido de "s".<br />
Certo<br />
Errado<br />
cinco metros 5 m 5 ms<br />
7
dois kilogramas 2 kg 2 kgs<br />
oito horas 8 h 8 hs<br />
Toda vez que você se refere a um valor ligado a uma unidade de medir, significa<br />
que, de algum modo, você realizou uma medição. O que você expressa é, portanto, o<br />
resultado da medição, que apresenta as seguintes características básicas:<br />
Ao escrever uma unidade composta, não misture nome com símbolo.<br />
Certo<br />
quilômetro por hora<br />
km/h<br />
metro por segundo<br />
m/s<br />
Errado<br />
quilômetro/h<br />
km/hora<br />
metro/s<br />
m/segundo<br />
Grandeza Nome Plural Símbolo<br />
O prefixo quilo (símbolo k) indica que a unidade está multiplicada por mil.<br />
Portanto, não pode ser usado sozinho.<br />
Certo<br />
quilograma; kg<br />
Errado<br />
quilo; k<br />
Use o prefixo quilo da maneira correta.<br />
Certo<br />
quilômetro<br />
quilograma<br />
quilolitro<br />
Errado<br />
kilômetro<br />
kilograma<br />
kilolitro
área metro quadrado metros quadrados m²<br />
volume metro cúbico metros cúbicos m³<br />
ângulo plano radiano radianos rad<br />
velocidade metro por segundo metros por segundo m/s<br />
aceleração metro por segundo metros por segundo m/s²<br />
massa específica<br />
quilograma por quilogramas por<br />
metro cúbico metro cúbico<br />
kg/m³<br />
vazão<br />
metro cúbico por metros cúbicos por<br />
segundo<br />
segundo<br />
m³/s<br />
força newton newtons N<br />
pressão pascal pascals Pa<br />
trabalho, energia,<br />
quantidade de calor<br />
joule joules J<br />
potência, fluxo de<br />
energia<br />
watt watts W<br />
O SI é baseado em sete Unidades Padrões Fundamentais:<br />
Grandeza Nome Plural Símbolo<br />
comprimento metro metros m<br />
tempo segundo segundos s<br />
massa quilograma quilogramas kg<br />
corrente elétrica ampère ampères A<br />
temperatura<br />
kelvins<br />
kelvin<br />
termodinâmica<br />
K<br />
quantidade de substância mol mols mol<br />
Intensidade luminosa candela candelas cd<br />
As unidades de outras grandezas como velocidade, força e energia são derivadas<br />
das setes grandezas acima. Na tabela abaixo estão listadas algumas destas grandezas:<br />
9
) 150 hm 2 1 hm = 0,1 km, então 1 hm 2 = (0,1 km) 2<br />
1.3. Conversão de Unidades<br />
Tabela 1. Fatores de conversão de unidades de comprimento.<br />
Unidade km hm dam m dm cm mm<br />
1 kilômetro 1 10 100 1000 10000 100000 1000000<br />
1 hectômetro 0.1 1 10 100 1000 10000 100000<br />
1 decâmetro 0.01 0.1 1 10 100 1000 10000<br />
1 metro 0.001 0.01 0.1 1 10 100 1000<br />
1 decímetro 0.0001 0.001 0.01 0.1 1 10 100<br />
1 centímetro 0.00001 0.0001 0.001 0.01 0.1 1 10<br />
1 milímetro 0.000001 0.00001 0.0001 0.001 0.01 0.1 1<br />
→ Exemplos de conversão de unidades.<br />
Converter as seguintes medidas de áreas para km 2 :<br />
a) 100 m 2 1 m = 0,001 km, então 1 m 2 = (0,001 km) 2<br />
1 m 2 = 0,000001 km 2<br />
Logo: 100 m 2 = 100 x 0,000001 km 2<br />
100 m 2 = 0,0001 km 2<br />
1 hm 2 = 0,01 km 2<br />
Logo: 150 hm 2 = 150 x 0,01 km 2<br />
150 hm 2 = 1,5 km 2
c) 100000 dm 2 1 dm = 0,0001 km, então 1 dm 2 = (0,0001 km) 2<br />
1 dm 2 = 0,00000001 km 2<br />
Logo: 100000 dm 2 = 100000 x 0,00000001 km 2<br />
100000 dm 2 = 0,001 km 2<br />
EXERCÍCIOS PROPOSTOS<br />
1) Converta as seguintes medidas de comprimento para cm:<br />
a) 2,5 m b) 1,3 km<br />
c) 200 dam d) 10500 mm<br />
2) Converta as seguintes medidas de áreas para m 2 :<br />
a) 1 km 2 b) 5 dam 2<br />
c) 2,5 mm 2 d) 3 cm 2<br />
3) Converta as seguintes medidas de volume para m 3<br />
a) 1,85 cm 3 b) 11,5 mm 3<br />
c) 3,2 dam 3 d) 0,1 km 3<br />
1.4. Fatores de Conversão de Tempo<br />
Tabela 2. Fatores de conversão de unidades de tempo.<br />
11
EXERCÍCIOS PROPOSTOS<br />
4) Converta as seguintes medidas de tempo em segundos:<br />
a) 1h 10min b) 1 semana<br />
c) 48h d) 2h 26min<br />
5) Converta:<br />
a) 300 dias em segundos<br />
b) 89000 segundos em dia, hora, minutos e segundos<br />
1.5. Fatores de Conversão de Unidades Derivadas<br />
Tabela 3. Fatores de conversão de unidades de velocidade.<br />
Converter de Para Multiplicar por<br />
metros por segundo (m/s) pés por minuto (ft/min) 196,8<br />
metros por segundo (m/s) milhas por hora (mi/h) 2,2369<br />
metros por segundo (m/s) quilômetros por hora (km/h) 3,60<br />
quilômetros por hora (km/h) metros por segundo (m/s) 0,2778<br />
quilômetros por hora (km/h) milhas por hora (mi/h) 0,6214<br />
Embora a tabela seja útil, convém aprender a forma clássica de efetuar a<br />
conversão de unidades, conforme segue no exemplo:<br />
Converter de km/h para m/s:<br />
10 km h × 1000m<br />
1km × 1h<br />
60min × 1min<br />
60seg = 10×1000 = 2,77 m s<br />
60×60
Tabela 4. Alguns outros exemplos de conversão de unidades.<br />
EXERCÍCIOS PROPOSTOS<br />
6) Converta:<br />
a) 35 km/h em m/s<br />
b) 100 m/s em km/h<br />
c) 600W em HP<br />
d) 35 HP em cv<br />
e) 3,5 cv em J/s<br />
f) 500 mmHg em kgf/cm 2<br />
g) 1000 pol em km<br />
h) 3500 ml em galões<br />
7) Ano-luz é uma quantidade de comprimento igual à distância percorrida pela luz em<br />
um ano. Calcule o fator de conversão entre anos-luz e metros. Determine o valor de um<br />
ano-luz em metros.<br />
13
8) O micrometro (1µ m) é também chamado de mícron. (a) Quantos mícrons tem 1 km<br />
9) A planta de crescimento mais rápido de que se tem notícia é uma Hesperoyucca<br />
whipplei, que cresceu 3,7 m em 14 dias. Qual foi a velocidade de crescimento da planta<br />
em metros por segundos e metros por hora<br />
10) A Terra é uma esfera de raio de aproximadamente igual a 6,37 x 10 6 m. Qual é a sua<br />
circunferência em quilômetros<br />
1.5. Notação Científica<br />
Como visto anteriormente, o trabalho em laboratório exige que se trabalhe com<br />
números de diversas ordens de grandezas, ficando difícil o manuseio de números muito<br />
pequenos ou grandes. Para isso, a notação científica supre a necessidade do uso de<br />
números com tamanhos mais coerentes e fáceis de trabalhar.<br />
A notação científica possui algumas regras simples de serem utilizadas, são elas:<br />
1. Utilizar apenas um algarismo significativo antes da vírgula;<br />
2. Este número não pode ser menor do que 1 (um) e nem maior que 9 (nove).<br />
3. Escrever os algarismos após a vírgula seguido do número 10 n onde, a potência n é o<br />
número de casas em que se andou com a vírgula até ficar apenas um número a esquerda<br />
da vírgula.<br />
Exemplos:<br />
3563,2 m = 3,5632×10 3 m<br />
0,000001234 mm = 1,234×10 −6 mm<br />
0,02m × 0,13m = 2,0×10 −2 m × 1,3×10 −1 m = 2,0×1,3×10 −2−1 = 2,6×10 −3 m 2<br />
(6,31×10 −5 m) 3 = (6,31) 3 ×(10 −5 ) 3 m 3 = 251,2396×10 −15 m 3 = 2,512396×10 −13 m 3<br />
A questão de poder arredondar os números acima faz a necessidade de algumas<br />
regras especiais que veremos no tópico seguinte.
Devido ao uso da notação científica, o Bureau Internacional de Pesos e Medidas<br />
recomendou os seguintes prefixos:<br />
Tabela 6. Prefixos utilizados no SI.<br />
EXERCÍCIOS PROPOSTOS<br />
11) Escreva em notação científica as seguintes medidas:<br />
a) 0,00005<br />
b) 300,2<br />
c) 0,00000000198<br />
d) 230120,2<br />
1.7. Critérios de Arredondamento<br />
Quando se tem que trabalhar com várias medidas com diferentes números de<br />
algarismos significativos, é necessário exprimir estas medidas segundo a norma de que<br />
se deve ter apenas um algarismo duvidoso. Então, os critérios (Portaria 36 de<br />
06/07/1965 - INPM - Instituto Nacional de Pesos e Medidas) adotados são:<br />
1. Se o primeiro algarismo após aquele que formos arredondar for de 0 a 4,<br />
conservamos o algarismo a ser arredondado e desprezamos os seguintes.<br />
15
Ex.: 7,34856 → 7,3<br />
2. Se o primeiro algarismo após aquele que formos arredondar for de 6 a 9, acrescentase<br />
uma unidade no algarismo a ser arredondado e desprezamos os seguintes.<br />
Ex.: 1,2734 → 1,3<br />
3. Se o primeiro algarismo após aquele que formos arredondar for 5, seguido apenas de<br />
zeros, conservamos o algarismo se ele for par ou aumentamos uma unidade se ele for<br />
ímpar desprezando os seguintes.<br />
Ex.: 6,2500 → 6,2<br />
12,350 → 12,4<br />
4. Se o 5 for seguido de outros algarismos dos quais, pelo menos um é diferente de<br />
zero, aumentamos uma unidade no algarismo e desprezamos os seguintes.<br />
Ex.: 8,2502 → 8,3<br />
8,4503 → 8,5<br />
1.8. Medidas de comprimento, área e volume<br />
Perímetro: é a medida do contorno de um objeto bidimensional, ou seja, a soma de<br />
todos os lados de uma figura geométrica.<br />
Área: pode ser definida como quantidade de espaço bidimensional, ou seja de uma<br />
superfície. Área tem unidades, por exemplo, cm 2 , m 2 , in 2 , etc.<br />
Volume: de um corpo é a quantidade de espaço ocupada por esse corpo. Volume tem<br />
unidades, por exemplo, cm³, m³, in³, etc.<br />
O litro, unidade popularmente usada para volume, equivale a 0,001 m 3 , ou a um<br />
decímetro cúbico.<br />
Figura 1. Fórmulas de área e volume para alguns sólidos
EXERCÍCIOS PROPOSTOS<br />
1) Calcule o perímetro e a área da figura abaixo<br />
17
2) Em um folheto de propaganda aparece a seguinte planta de um apartamento. Calcule<br />
a área de cada cômodo e a área total do apartamento<br />
3) A figura abaixo mostra a planta de uma chácara. O proprietário deseja realizar<br />
algumas reformas e benfeitorias.
Veja a lista de tudo que será feito:<br />
1. Cerca ao redor de todo o terreno.<br />
2. Plantação no terreno ao lado da casa.<br />
3. Muro separando os arredores da casa da plantação; muro separando ambos do resto<br />
do sítio.<br />
4. Horta de 600 metros quadrados no terreno no fundo da chácara.<br />
Calcule:<br />
a) quantos metros vai precisar de cerca;<br />
b) quantos metros de comprimento o muro terá;<br />
c) a área destinada à plantação;<br />
d) quanto de terreno irá sobrar para plantar o pomar<br />
5) A cozinha da nossa casa tem duas janelas, cada uma com 1 m de largura por 1,20 m<br />
de altura. Tem também duas portas, cada uma com 70 cm de largura por 2 m de<br />
altura (essas medidas já incluem a moldura da porta). Sabe-se ainda que a<br />
distância do chão da cozinha ao teto é de 2,60 m e o comprimento de cada parede é de 4<br />
m. Pretendemos azulejar as quatro paredes com azulejos retangulares de 15 cm por 20<br />
cm. Quantos azulejos serão necessários<br />
6) Na figura abaixo, vemos uma piscina de 10 m de comprimento por 6 m de<br />
largura. Existe uma parte rasa, com 1,20 m de profundidade, uma descida e uma parte<br />
funda, com 2 m de profundidade. Com as medidas que aparecem no desenho, calcule o<br />
volume da piscina.<br />
19
Solução:<br />
Inicialmente, podemos constatar que essa piscina é um prisma. Por quê Vamos<br />
recordar: todo prisma é formado por duas figuras paralelas e iguais chamadas bases e,<br />
por arestas paralelas e iguais, que ligam essas bases. Observe que a nossa piscina está de<br />
acordo com essa definição. A figura que aparece na frente é uma das bases e qualquer<br />
uma das arestas de comprimento 6 m é a altura, porque elas são perpendiculares às<br />
bases.<br />
As duas bases são paralelas e iguais. A altura é perpendicular às bases. O<br />
volume do prisma é igual à área de uma das bases multiplicada pela altura.<br />
Como, no nosso caso, a altura é igual a 6 m, só nos falta calcular a área de uma das<br />
bases. Para isso, vamos dividi-la em figuras menores, como mostra o desenho abaixo.<br />
A base do nosso prisma foi dividida em três partes: um retângulo (A), um<br />
retângulo ângulo menor (B) e um triângulo retângulo (C). Com as medidas<br />
que estão no desenho, poderemos facilmente calcular as áreas das três partes:<br />
SA = 10 x1,2 = 12 m 2<br />
SB = 3 x0,8 = 2,4 m 2
SC =3 x 0,8 / 2 = 1,2 m 2<br />
A soma das áreas das três partes é 12 + 2,4 + 1,2 = 15,6 m 2 . Essa é a área da base do<br />
nosso prisma. Como o volume é o produto da área da base pela altura (6 m), temos que<br />
o volume da piscina é: 15,6 x 6 = 93,6 m 3<br />
Concluímos, então, que cabem dentro dessa piscina 93,6 m 3 de água, ou seja, 93 600<br />
litros.<br />
21
Aula Prática:<br />
Paquímetro e Micrômetro: Propagação de Incertezas -<br />
Determinação Experimental do Volume de um Objeto<br />
1. INTRODUÇÃO<br />
Será calculado o volume de objetos como esferas, cilindros e cubos metálicos.<br />
Para tal fim, serão usados dois instrumentos para medir dimensões lineares: o<br />
paquímetro e o micrômetro.<br />
2. OBJETIVOS DA EXPERIÊNCIA<br />
A finalidade desta experiência é familiarizar o aluno com algumas técnicas de<br />
medidas, cuidados experimentais no laboratório, utilizando instrumentos de medida<br />
muito simples como o paquímetro e o micrômetro.<br />
3.TEORIA<br />
A seguir, descreveremos o funcionamento dos instrumentos de medição usados<br />
neste experimento.<br />
3.1. PAQUÍMETRO<br />
O paquímetro é um instrumento de medida de comprimento muito utilizado em<br />
laboratórios e em oficinas mecânicas onde também é conhecido como calibre. Entre<br />
seus principais usos podemos citar medidas de diâmetros de vergalhões, diâmetros<br />
internos, profundidades, etc.<br />
O paquímetro (Fig. 1) consta usualmente de uma haste metálica com duas<br />
esperas fixas (1 e 7), um cursor móvel com esperas (2 e 10), nônio ou vernier (11) e<br />
uma haste (14).
Figura 1. Elementos do paquímetro. 1, 2, 7 e 10: esperas, 3: nônio ou vernier superior<br />
(polegada), 4: trava, 5: corpo móvel, 6: escala superior (graduada em polegadas), 8 e 9:<br />
esperas internas, 11: nônio ou vernier inferior (cm), 12: posicionador do corpo móvel,<br />
13: escala inferior (graduada em centímetros), 14: haste de profundidade.<br />
O corpo do paquímetro contém duas escalas principais graduadas uma em<br />
polegadas e outra em milímetros. O cursor possui duas escalas secundárias em<br />
correspondência às escalas principais. A escala secundária do cursor é parte muito<br />
importante do instrumento, pois permite que se façam leituras de frações da unidade da<br />
escala principal, aumentando deste modo a precisão da medida. As escalas auxiliares<br />
são conhecidas por nônio ou vernier.<br />
O funcionamento do nônio baseia-se no fato de que o seu comprimento<br />
corresponde a um número inteiro de N divisões da escala principal. Seja n o número de<br />
divisões e u o comprimento de cada divisão do nônio. Então se U é o comprimento de<br />
cada divisão da escala principal, resulta:<br />
Figura 2. Escalas do paquímetro.<br />
23
Na figura 2, 10 divisões do nônio correspondem a 9 mm da escala principal.<br />
Assim, cada divisão do nônio corresponde a 9/10 da divisão da escala principal. Desta<br />
forma, ao fazermos medidas, o primeiro traço à esquerda do nônio serve de referência<br />
para se contar os milímetros e o próximo traço no nônio que coincidir com qualquer<br />
traço da escala principal determinará a fração de milímetro.<br />
Figura 3. Leitura de uma medição através do paquímetro.<br />
Na figura 3 pode-se ver a correta leitura de uma medição com o uso do<br />
paquímetro. Define-se como aproximação do nônio a diferença entre o comprimento de<br />
uma divisão da escala principal e o comprimento de uma divisão do nônio:<br />
A = U − u = 1 − ! ! U<br />
Quando a escala auxiliar não é dividida em 10 partes costuma-se denominá-la<br />
vernier. No vernier n divisões da escala auxiliar correspondem a n – 1 divisões da escala<br />
principal. Cada divisão do vernier corresponde a<br />
n − 1<br />
n<br />
= 1 − 1 n<br />
da escala principal. Portanto a divisão do vernier é 1/n menor que a da escala principal.<br />
A quantidade 1/n é a menor leitura do vernier.<br />
Aparelhos como o teodolito, aparelhos ópticos como os espectroscópios,<br />
apresentam escalas circulares, mas o princípio de seus nônios é o mesmo.
APLICAÇÕES<br />
• Medidas de comprimento em geral são feitas com o objeto entre as esperas 7 e 10 (Fig.<br />
1).<br />
• As esperas 1 e 2 servem para medidas internas.<br />
• Medidas de profundidade se fazem entre o extremo do cursor 14 e a base da haste.<br />
• Conversor de polegadas em milímetros e vice-versa.<br />
CUIDADOS GERAIS<br />
• Não deixe o paquímetro cair e principalmente não force nem raspe as extremidades de<br />
medida 7 e 10, 1 e 2, e 14.<br />
• O objeto a ser medido deve ser tocado levemente pelas esperas, sob pena de prejudicar<br />
a medida, e possivelmente danificar o aparelho.<br />
3.2. MICRÔMETRO<br />
O micrômetro (Fig. 4) ou Palmer é um instrumento para medir dimensões de<br />
objetos pequenos e tem aplicação na medida de diâmetros de fios, espessura de chapas,<br />
etc.<br />
O micrômetro consta essencialmente de um parafuso micrométrico. Num dos<br />
extremos do parafuso temos a espera móvel e esta, obviamente, não deverá pressionar<br />
fortemente o objeto medido. Portanto, no outro extremo existe uma catraca que é um<br />
dispositivo protetor e que também permite reprodutibilidade nas pressões aplicadas.<br />
Sobre o tambor temos a manga que possui uma escala circular normalmente<br />
gravada com traços correspondentes a 0,01 mm. Cada volta completa da manga<br />
corresponde ao avanço ou recuo de um passo do parafuso micrométrico. Observe que no<br />
micrômetro fornecido o passo é de 0,5 mm. Se o passo da rosca é de 0,5 mm e o tambor<br />
tem 50 divisões, a resolução será<br />
25
Assim, girando o tambor, cada divisão provocará um deslocamento de 0,01 mm no fuso<br />
(Fig. 5).<br />
Em forma de arco temos uma peça com um dos extremos rosqueado ao tambor e<br />
com o outro extremo constituindo a espera fixa.<br />
Figura 4. Elementos do micrômetro.<br />
Figura 5. Passo do micrômetro.
CUIDADOS GERAIS<br />
• Não permita que o micrômetro caia sobre a mesa e muito menos no chão.<br />
• Gire o parafuso micrométrico usando sempre a catraca para proteger tanto o<br />
instrumento quanto o objeto medido.<br />
• Segure sempre o micrômetro pela peça que tem formato de arco.<br />
• Nunca guarde o micrômetro com as esperas em contato.<br />
LEITURAS<br />
O objeto a ser medido deve ser encostado inicialmente na espera fixa e em<br />
seguida, girando a catraca, aproximando a espera móvel.<br />
Ao fazermos a leitura usamos como referência para a escala horizontal a borda<br />
da manga, e como referência para a escala circular usamos o risco horizontal que existe<br />
no tambor.<br />
4. PARTE EXPERIMENTAL<br />
MATERIAIS UTILIZADOS<br />
1. Esferas, cilindros e cubo metálicos;<br />
2. Paquímetro e Micrômetro.<br />
PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL<br />
1. Realizar 10 medições, usando o paquímetro e micrômetro, para o diâmetro da esfera,<br />
a altura e o diâmetro do cilindro, e a aresta do cubo;<br />
2. Calcular o valor mais provável para cada uma das medidas (para ambos os<br />
instrumentos);<br />
3. Calcular o volume para cada uma das peças, para ambos os instrumentos.<br />
27
CONCLUSÕES<br />
Através das seguintes questões, monte suas conclusões:<br />
1. De quanto é a diferença entre os volumes obtidos através do paquímetro e<br />
micrômetro<br />
2. Como você explicaria esta diferença encontrada<br />
3. Qual dos instrumentos você utilizaria para outras medidas
2. Vetores<br />
A Física lida com um amplo conjunto de grandezas. Dentro dessa gama enorme<br />
de grandezas existem algumas, cuja caracterização completa requer tão somente um<br />
número seguido de uma unidade de medida. Tais grandezas são chamadas grandezas<br />
escalares. Exemplos dessas grandezas são a massa e a temperatura. Outras grandezas<br />
requerem três atributos para a sua completa especificação como, por exemplo, a posição<br />
de um objeto. Não basta dizer que o objeto está a 200 metros. Se você disser que está a<br />
200 metros existem muitas possíveis localizações desse objeto (para cima, para baixo,<br />
para os lados, por exemplo). Dizer que um objeto está a 200 metros é necessário, porém<br />
não é suficiente. A distância (200 metros) é o que denominamos, em Física, módulo da<br />
grandeza. Para localizar o objeto, é preciso especificar também a direção e o sentido<br />
em que ele se encontra.<br />
2.1. Definição e representação de um vetor<br />
Vetor é um símbolo físico-matemático utilizado para representar o módulo, a<br />
direção e o sentido de uma grandeza física vetorial.<br />
Os vetores são representados por qualquer letra e por uma seta desenhada por<br />
sida da letra, como v = PO = O − P . O módulo deste vetor é representado pela letra<br />
que representa o vetor, porém sem a seta em cima, v, ou então pelo símbolo do vetor<br />
entre os sinais matemáticos que representam módulo, | v | .<br />
Para facilitar a nossa compreensão vamos pegar um exemplo simples.<br />
Veja:<br />
Neste exemplo tempos um vetor que possui todas as informações necessárias.<br />
29
• Direção: como vemos, o vetor acima possui a mesma direção da reta r,<br />
horizontal;<br />
• Sentido: Fica notável que o vetor segue de P para O, da esquerda para direita,<br />
neste caso;<br />
• Módulo: O módulo é a intensidade do vetor, como já sabemos. O módulo é,<br />
graficamente representado, pelo tamanho do vetor desenhado, que em nosso<br />
caso é de três unidades de medidas u, ou seja 3u. OBS.: Devemos sempre notar<br />
que se a unidade de medida fosse centímetros, o módulo do vetor seria 3 cm, e<br />
se a unidade de medida fosse metros, o módulo do vetor possuiria 3 metros, etc.<br />
2.2. Soma de vetores<br />
Quando executamos uma operação com vetores, chamados o seu resultado de<br />
resultante R . Dado dois vetores a = A − O e b = B − O , a resultante é obtida<br />
graficamente trançando-se pelas extremidades de cada um deles uma paralela ao outro.<br />
Em que R é o vetor soma. Como a figura formada é um paralelogramo, este método é<br />
denominado método do paralelogramo. A intensidade do vetor é dado por:<br />
R =<br />
a² + b² + 2abcosα<br />
E a partir desta equação basta substituir os valores do paralelogramo acima, para<br />
se obter a equação do método do paralelogramo. Quando temos um caso particular onde<br />
os vetores estão em posições ortogonais entre si, basta aplicar o teorema de Pitágoras.
R =<br />
a² + b²<br />
2.3. Decomposição de vetores<br />
Dado um vetor a, podemos encontrar outros<br />
a ! + a ! = a . Vejamos a figura abaixo<br />
dois vetores a ! e a ! tal que<br />
Nesse caso, como a ! e a ! são vetores perpendiculares entre si, a decomposição é<br />
ortogonal. Veja a figura abaixo:<br />
Na figura acima podemos deslocar o vetor para a extremidade do vetor de modo<br />
que o vetor e seus vetores componentes ortogonais e formem um triângulo retângulo.<br />
31
Com base na relação trigonométrica aplicada a um triângulo retângulo, podemos<br />
determinar o módulo dos componentes horizontal e vertical do vetor em função do<br />
ângulo θ. Dessa forma, do triângulo amarelo acima temos:<br />
R =<br />
a² + b² + 2abcosα<br />
a ! = asenθ<br />
EXERCÍCIOS PROPOSTOS<br />
1) Um empregado do correio dirige um caminhão de entrega e faz o trajeto indicado na<br />
Figura abaixo. Determine o módulo, a direção e o sentido do deslocamento resultante<br />
usando diagramas em escala.<br />
R:. 7,8km; 38° nordeste<br />
2) Uma andarilha começa uma viagem de dois dias caminhando inicialmente 25 km na<br />
direção sudeste a partir de seu carro. Ela pára e monta sua barraca para a noite. No<br />
segundo dia ela caminha 40 km em uma direção 60º ao norte do leste., ponto em que ela<br />
descobre uma torre do guarda-florestal.
a) Determine as componentes dos deslocamentos da andarilha no primeiro e segundo<br />
dias.<br />
b) O vetor deslocamento resultante para a viagem.<br />
R: a) Primeiro dia A x = 17,7 km e A y = -17,7 km; Segundo dia B x = 20 km e B y =<br />
34,6 km; b) R x = 37,7 km e R x = 16,9 km<br />
3) Calcular as componentes horizontal e vertical da força de 200 N aplicada na viga<br />
conforme a figura abaixo.<br />
R:. a) F x = 173,2 N e F y = 100 N<br />
33
3. Força e Leis de Newton<br />
A relação que existe entre uma força e a aceleração produzida por ela foi<br />
descoberta por Isaac Newton (1642 – 1727), e é assunto desta parte da disciplina. O<br />
estudo dessa relação, da forma como foi apresentada por Newton, é chamado de<br />
mecânica newtoniana.<br />
A mecânica newtoniana não pode ser aplicada a todas as situações. São<br />
restrições:<br />
• Movimentos em que as velocidades dos corpos são muito grandes, comparáveis<br />
a velocidade da luz – Uso da teoria da relatividade restrita de Einstein.<br />
• Se as dimensões dos corpos envolvidos são muito pequenas, da ordem das<br />
dimensões atômicas (como os elétrons de um átomo) – Uso da mecânica<br />
quântica.<br />
A mecânica newtoniana é um caso particular destas duas teorias mais<br />
abrangentes, mesmo assim é um caso particular muito importante. Ela pode ser aplicada<br />
ao estudo do movimento dos mais diversos objetos, desde muito pequenos (quase<br />
dimensões atômicas) até objetos muito grandes (galáxias e aglomerados de galáxias).<br />
Força é um empurrão ou um puxão - a idéia que temos de um força é que ela é um<br />
empurrão ou um puxão. Iremos aperfeiçoar essa idéia mais adiante, mas por agora ela é<br />
bastante apropriada.<br />
Uma força representa uma ação sobre um objeto. Forças não existem isoladas dos<br />
objetos que as experimentam.<br />
Uma força requer um agente - algo que atua ou exerce poder, isto é, uma força possui<br />
causa específica e identificável.<br />
Uma força é um vetor - Se você empurra um objeto pode empurrá-lo suave ou<br />
fortemente, para a esquerda ou para a direita, para cima ou para baixo. Para qualificar<br />
um empurrão, você precisa especificar um módulo e uma orientação.
Uma força pode ser de contato - Existem dois tipos básicos de força, dependendo se o<br />
agente toca ou não o objeto. Forças de contato são aquelas exercidas sobre um corpo<br />
através de um ponto de contato com algum ponto do mesmo. O bastão deve tocar<br />
a bola a fim de rebatê-la. Uma corda deve ser amarrada a um objeto para puxá-lo. A<br />
maioria das forças que abordaremos são de contato.<br />
Uma força pode ser de ação à distância - são as forças exercidas sobre um corpo sem<br />
contato físico. A força magnética é um exemplo. Sem dúvida você já viu um imã<br />
colocado acima de um clipe conseguir erguê-lo. Uma caneta solta de sua mão é puxada<br />
para a Terra pela força de ação a distância da gravidade.<br />
Observação: No nosso modelo de partícula, os objetos não podem exercer forças sobre<br />
si mesmos. Uma força sobre o objeto terá um agente externo ou uma causa externa ao<br />
objeto.<br />
Vetor Força<br />
Podemos usar um diagrama simples para visualizar como as forças externas são<br />
exercidas pelos corpos. Uma vez que estamos usando o modelo de partícula, no qual os<br />
objetos são considerados como pontos, o processo de desenhar um vetor força é direto.<br />
Eis como:<br />
1 - Represente o objeto como uma partícula;<br />
2 – Localize a cauda do vetor força sobre a partícula;<br />
3 – Desenhe o vetor força como uma seta com a orientação apropriada e com um<br />
comprimento proporcional à intensidade da força;<br />
4 – Denote o vetor adequadamente.<br />
3.1. Curto catálogo de Forças<br />
Existem muitas forças com as quais trabalharemos repetidas vezes. Aqui introduziremos<br />
algumas delas.<br />
35
FORÇA GRAVITACIONAL - Uma pedra em queda é puxada para baixo pela Terra<br />
através da força de ação à distância da gravidade. A gravidade – o único tipo de força de<br />
ação a distância que encontraremos nesta parte do curso - mantém você sobre uma<br />
cadeira, mantém os planetas em suas órbitas em torno do Sol e determina a forma da<br />
estrutura de larga escala do universo.<br />
O puxão gravitacional de um planeta sobre um corpo em sua superfície ou próximo dela<br />
é chamada de força gravitacional. O agente da força gravitacional é o planeta inteiro,<br />
que puxa o objeto. A gravidade é exercida sobre todos os corpos, estejam eles se<br />
movendo ou parados. O vetor força gravitacional sempre aponta verticalmente para<br />
baixo.<br />
FORÇA ELÁSTICA DE UMA MOLA - As molas exercem uma das forças de<br />
contato mais comuns. Uma mola pode empurrar (quando comprimida) ou puxar<br />
(quando esticada). Embora você possa estar pensando em uma mola como uma espiral<br />
metálica que pode ser esticada ou comprimida, isto é somente um tipo de mola. Existem<br />
outros.<br />
FORÇA DE TENSÃO - Quando um barbante, uma corda ou um arame puxa um<br />
objeto, ele exerce uma força de contato que chamamos de força de tensão, representada<br />
pela letra maiúscula . A orientação da força é a mesma do barbante ou da corda.<br />
Se usássemos um microscópio muito poderoso para olhar o interior de uma<br />
corda, “veríamos” que ela é formada por átomos mantidos juntos por meio de ligações<br />
atômicas. As ligações atômicas não são conexões rígidas entre átomos. Elas se parecem<br />
mais com minúsculas molas mantendo os átomos juntos, como na figura abaixo.<br />
Puxando-se as extremidades de um barbante ou de uma corda, esticam-se ligeiramente<br />
as molas atômicas. A tensão dentro da corda e a força de tensão experimentada por um<br />
objeto em contato com uma das extremidades da corda são, de fato, a força resultante<br />
exercida por bilhões e bilhões de molas microscópicas. Esta visão da tensão em escala<br />
atômica introduz uma nova idéia: a de um modelo atômico microscópio para a<br />
compreensão do comportamento e das propriedades dos objetos macroscópicos.
Trata-se de um modelo porque os átomos e ligações atômicas não são realmente<br />
pequenas bolas e molas. Estamos usando conceitos macroscópicos – bolas e molas -<br />
para entender fenômenos em escala atômica que não podemos ver ou sentir diretamente.<br />
Este é um bom modelo para explicar as propriedades elásticas dos materiais, mas não<br />
seria necessariamente, um bom modelo para explicar outros fenômenos. Com<br />
freqüência usaremos modelos atômicos para obter uma compreensão mais profunda do<br />
que observamos.<br />
FORÇA NORMAL - Se você sentar num colchão de molas, estas serão comprimidas e,<br />
em conseqüência disso, exercerão uma força orientada para cima sobre você. Molas<br />
mais duras sofreriam menor compressão, mas ainda exerceriam forças orientadas para<br />
cima. Pode ser que a compressão das molas extremamente duras seja mensurável apenas<br />
por instrumentos sensíveis. Apesar disso, as molas seriam comprimidas ainda que<br />
ligeiramente e exerceriam uma força orientada para cima sobre você.<br />
Imagine um livro sobre o tampo de uma mesa. A mesa pode não flexionar ou<br />
encurvar-se visivelmente, mas – da mesma forma como você no colchão de molas - o<br />
objeto comprime as molas atômicas da mesa. O tamanho da compressão é muito<br />
pequena, mas não é nulo. Como conseqüência, as molas atômicas comprimidas<br />
empurram o objeto para cima. Dizemos que a mesa exerce uma força para cima, mas é<br />
importante que se compreenda que o empurrão é de fato, realizado pelas molas<br />
atômicas. Analogamente, um objeto em repouso sobre o solo comprime as molas<br />
atômicas que o mantêm íntegro e, conseqüentemente, o solo empurra o objeto para<br />
cima.<br />
37
Podemos ampliar essa idéia. Suponha que você encoste a sua mão sobre uma<br />
parede e a empurre. A parede exercerá uma força sobre a sua mão Quando você<br />
empurra, comprime as molas atômicas da parede e, como conseqüência, elas empurram<br />
a sua mão de volta. Logo, a resposta é sim, a parede realmente exerce uma força sobre<br />
você.<br />
A força exercida pelo tampo da mesa é vertical; a força que a parede exerce é<br />
horizontal. Em todos os casos, a força exercida sobre um objeto que pressiona uma<br />
superfície tem direção perpendicular à superfície. Os matemáticos se referem a uma reta<br />
perpendicular a uma superfície como sendo normal a esta. Assim, definimos como força<br />
normal, a força exercida por uma superfície (agente) contra um objeto que a está<br />
pressionando. O símbolo para força normal será N.<br />
FORÇA DE ATRITO - Certamente você já descobriu que pode deslizar mais sobre<br />
uma camada de gelo do que no asfalto. Você também já sabe que a maioria dos objetos<br />
ficam parados sobre uma mesa, sem deslizar para fora dela, mesmo se a mesa não<br />
estiver perfeitamente nivelada. A força responsável por esse tipo de comportamento é o<br />
atrito. O símbolo para o atrito é a letra minúscula f.<br />
O atrito, como a força normal, é exercido por uma superfície. Mas enquanto a<br />
força normal é perpendicular, a força de atrito é tangente à superfície. Ao nível
microscópico, o atrito surge quando os átomos do objeto e da superfície movem-se uns<br />
em relação aos outros. Quanto mais rugosa for a superfície, mais estes átomos serão<br />
forçados a se aproximar e, como resultado, surgirá uma grande força de atrito.<br />
Devemos distinguir entre dois tipos de atrito:<br />
Atrito Cinético, denotado por f ! , aparece quando um objeto desliza ao longo de uma<br />
superfície. É uma força oposta ao movimento, o que significa que o vetor força de<br />
atrito, f ! , tem sentido oposto ao vetor velocidade.<br />
Atrito estático, denotado por f ! é a força que mantém o objeto grudado sobre uma<br />
superfície e que o impede de se mover. Determinar a orientação de é um pouco mais<br />
complicado do que encontrar a de f ! . O atrito estático aponta no sentido oposto àquele<br />
em o que o objeto se movimentaria se não existisse o atrito, ou seja, ele tem orientação<br />
necessária para impedir a ocorrência do movimento.<br />
3.1. Combinação de Forças<br />
Imagine uma caixa sendo puxada por duas cordas, cada qual exercendo uma força sobre<br />
a caixa. Como a caixa reagirá<br />
Quando várias forças agem sobre um objeto simultaneamente, elas se combinam para<br />
formar uma única força, a força resultante, dada pela soma vetorial de todas as forças:<br />
!<br />
F !"# = F ! = F ! + F ! +. . . +F !<br />
!!!<br />
A força resultante também é chamada de força total.<br />
EXERCÍCIO PROPOSTO<br />
1) Três lutadores profissionais estão lutando pelo mesmo cinturão de campeão. Olhando<br />
de cima, eles aplicam três forças horizontais sobre o cinturão, conforme a figura<br />
39
abaixo. Os módulos das três forças são F 1 = 250N, o F 2 = 50N e o F 3 = 120N. Ache as<br />
componentes x e y da força resultante. Determine o módulo, a direção e o sentido da<br />
força resultante.<br />
a) Três forças atuando sobre um mesmo ponto. b) A força resultante e suas<br />
componentes.<br />
R.: F x = -100 N e F y = 80 N, ϴ = -39° ou ϴ = 141°<br />
3.1. Leis de Newton<br />
Antes de Newton formular sua mecânica, a maioria dos filósofos pensava que<br />
para a manter um corpo em movimento era necessária a ação de uma determinada<br />
influencia ou força. Achavam que quando um corpo estava em repouso, ele estava em<br />
seu “estado natural”. Para que um corpo se movesse com velocidade constante tinha que<br />
ser empurrado ou puxado de alguma forma, caso contrário, pararia “naturalmente”.<br />
Essas idéias pareciam razoáveis!<br />
PRIMEIRA LEI DE NEWTON: Se nenhuma força atua sobre um corpo, sua<br />
velocidade não pode mudar, ou seja, o corpo não poderá sofrer uma aceleração. Em
outras palavras: se um corpo está em repouso ele permanece em repouso. Se ele está em<br />
movimento, continua com a mesma velocidade (mesmo módulo e mesma orientação).<br />
SEGUNDA LEI DE NEWTON: A força resultante que atua sobre um corpo é igual ao<br />
produto da massa do corpo pela sua aceleração.<br />
Em termos matemáticos:<br />
F = ma<br />
Em unidades do SI, a equação diz que: 1 N= (1 kg)( 1m/s 2 )<br />
Esta equação é simples, mas devemos usá-la com cautela. Primeiro devemos<br />
escolher o corpo ao qual vamos aplicá-la; deve ser a soma vetorial de todas as forças<br />
que atuam sobre o corpo. Somente as forças que atuam nesse corpo devem ser incluídas<br />
na soma vetorial, não as forças que agem sobre outros corpos envolvidos na mesma<br />
situação. Por exemplo, se você disputa uma bola com vários adversários em um jogo de<br />
futebol, a força resultante que age sobre você é a soma vetorial de todos os empurrões e<br />
puxões que você recebe. Ela não inclui um empurrão ou puxão que você dá em outro<br />
jogador.<br />
Como outras equações vetoriais, a equação F = ma é equivalente a três<br />
equações para as componentes , uma para cada eixo de um sistema de coordenadas xyz:<br />
IMPORTANTE<br />
TERCEIRA LEI DE NEWTON: Quando dois corpos interagem, as forças que cada<br />
corpo exerce sobre o outro são sempre iguais em módulo e têm sentidos contrários.<br />
Outra forma de dizer:<br />
A toda ação há sempre uma reação oposta e de igual intensidade, ou, as ações<br />
mútuas de dois corpos um sobre o outro são sempre iguais e dirigidas a partes opostas...<br />
41
Exemplo1: A figura abaixo mostra um livro L apoiado em uma caixa C. O livro e a<br />
caixa interagem: a caixa exerce uma força horizontal<br />
sobre o livro e o livro exerce uma força horizontal sobre a caixa.<br />
A relação escalar: F LC = F CL (módulos iguais)<br />
Vetorialmente: F !" = −F !" (módulos iguais e sentidos opostos).<br />
Podemos chamar as forças entre dois corpos que interagem de par de forças da terceira<br />
lei.<br />
SEMPRE QUE DOIS CORPOS INTERAGEM EM QUALQUER SITUAÇÃO,<br />
UM PAR DE FORÇAS DA TERCEIRA LEI ESTÁ PRESENTE.<br />
Exemplo2: Imagine uma abóbora sobre uma mesa que se encontra apoiada no chão (na<br />
Terra). A abóbora interage com a mesa enquanto a mesa interage com a Terra.<br />
Inicialmente vamos nos concentrar nas forças que agem sobre a abóbora. é a<br />
força normal que a mesa exerce sobre a abóbora e a força é a força gravitacional que a<br />
Terra exerce sobre a abóbora.
Elas formam um par de forças da terceira lei Não, pois são forças que atuam sobre um<br />
mesmo corpo, a abóbora, e não sobre dois corpos que interagem.<br />
Exemplo3: Para encontrar um par da terceira lei precisamos nos concentrar na<br />
interação entre a abóbora e outro corpo.<br />
Assim, de acordo com a terceira lei: F !" = −F !"<br />
EXERCÍCIOS PROPOSTOS<br />
1) A figura abaixo mostra um bloco de massa m=15 kg, suspenso por três cordas. Quais<br />
são as trações em cada corda<br />
43
2) Um bloco de massa m=18 kg está preso por uma corda sobre um plano sem atrito e<br />
inclinado de 27 º. (a) Ache a tração na corda e a força normal exercida sobre o bloco<br />
pelo plano . (b) Analise o movimento depois da corda ser cortada.<br />
3) A figura abaixo mostra um bloco de massa m 1 = 10kg sobre uma superfície<br />
horizontal sem atrito. O bloco é puxado por uma corda de massa de desprezível que está<br />
ligada a outro bloco de massa m 2 = 18kg , pendurado nela. A corda passa por uma polia<br />
cuja massa é desprezível e cujo eixo gira com atrito desprezível. Ache a tração na corda<br />
e a aceleração.
4) Considere duas massas desiguais ligadas por uma corda que passa por uma polia<br />
ideal, como na figura abaixo. Suponha m 2 = 14kg e m 1 = 10kg . Encontre a tração nas<br />
cordas e a aceleração das massas.<br />
5) A luminária de 100 N é suportada por duas hastes de aço acopladas por um anel em<br />
A. Determinar as forçasAB e AC . Suponha que Ɵ = 60º<br />
Exercícios s :<br />
força<br />
45
6) As duas hastes de alumínio suportam a carga vertical P = 20 kN. Determinar as<br />
forças ABe AC.<br />
7) A figura abaixo, mostra três caixotes com massas m 1 = 45kg, m 2 =22 kg e m 3 = 33 kg<br />
apoiados sobre uma superfície horizontal sem atrito. Uma força horizontal de<br />
intensidade 50 N empurra os caixotes para a direita. Determine:<br />
a) Qual a aceleração adquirida pelos caixotes<br />
b) Ache a força exercida por m 2 em m 3 e por m 1 em m 2<br />
3.2. Força de Atrito<br />
Quando um corpo está sobre uma superfície ou através de um meio viscoso<br />
como o ar ou a água, há resistência ao movimento, pois o corpo interage com sua<br />
vizinhança. Chamamos essa resistência de força de atrito. As forças de atrito são<br />
importantes em nossas vidas diárias. Elas nos permitem caminhar, correr e são<br />
necessárias para o movimento de veículos sobre rodas. O atrito causa desgaste e<br />
deformação e muito esforço técnico é feito para reduzi-lo.
Queremos saber como expressar as forças de atrito em termos das propriedades<br />
do corpo e do seu meio.<br />
Imagine que você empurra uma lata pela superfície de concreto, como na figura<br />
abaixo. Essa é uma superfície real, não uma superfície idealizada sem atrito em um<br />
modelo de simplificação.<br />
Fig. 3.1 (a) A força de atrito estático f ! entre uma lata de lixo e o piso de concreto é oposta à força<br />
aplicada F. O módulo da força de atrito estático é igual ao módulo da força aplicada. (b) Quando o<br />
módulo da força aplicada ultrapassa o módulo da força de atrito cinético f ! , a lata acelera para a direita.<br />
(c) Um gráfico do módulo da força de atrito contra o módulo da força aplicada. Em nosso modelo, a<br />
força de atrito cinético é independente da força de atrito da força aplicada e da velocidade relativa das<br />
superfícies. Observe que f !,!á# > f ! .<br />
Se aplicamos uma força horizontal externa F sobre a lata, agindo para a direita,<br />
a lata permanece estacionária se F for pequena. A força que se opõe a F e que impede<br />
a lata de se mover age para a esquerda e é chamada força de atrito estático f ! .<br />
Enquanto a lata não está em movimento, f s= F . Assim, se F aumenta, f ! também<br />
47
aumenta. Da mesma forma, se F diminui, f ! também diminui. As experiências mostram<br />
que a força de atrito surge da natureza de duas superfícies; devido às suas asperezas, o<br />
contato só é feito em alguns pontos.<br />
Se aumentamos o módulo de F, como na Figura 3.1 (b), a lata pode finalmente<br />
começar a deslizar. Quando a lata está quase começando a deslizar, f s tem um valor<br />
máximo. Quando F ultrapassa f s, máx , a lata se move e acelera para a direita. Quando a<br />
lata está em movimento, a força de atrito é menor que f s, máx. Chamamos a força de atrito<br />
para um corpo em movimento força de atrito cinético f ! .<br />
Experimentalmente descobre-se que, com uma boa aproximação, quando um<br />
corpo está sobre uma superfície, tanto f s, máx quanto f k são proporcionais à força normal<br />
exercida pela superfície sobre o corpo – assim adotamos um modelo de simplificação no<br />
qual se supõe essa aproximação como exata. As suposições são resumidas:<br />
• O módulo da força de atrito estático entre duas superfícies quaisquer que estão<br />
em contato pode ter os valores<br />
f ! ≤ μ ! n<br />
em que a constante adimensional μ ! é chamada coeficiente de atrito estático e n<br />
é o módulo da força normal. A igualdade na equação anterior vale quando as<br />
superfícies estão quase começando a deslizar, isto é, quando f ! = f !,!á# ≡ μ ! n .<br />
Essa situação é chamada movimento iminente. A desigualdade vale quando a<br />
componente da força aplicada paralela às superfícies é menor que esse valor.<br />
• O módulo da força de atrito cinético agindo entre duas superfícies é dado por<br />
f ! = μ ! n<br />
em que μ ! é o coeficiente de atrito cinético.<br />
• Os valores de μ ! e μ ! dependem da natureza das superfícies, mas μ ! é<br />
geralmente menor que μ ! .<br />
• A direção da força de atrito sobre um corpo é oposta ao movimento real (atrito<br />
cinético) ou ao movimento iminente (atrito estático) do corpo em relação à<br />
superfície com a qual está em contato.
EXERCÍCIOS PROPOSTOS<br />
1) Você está tentando mover um engradado de 500 N sobre um piso plano. Para iniciar<br />
o movimento, você precisa aplicar uma força horizontal e módulo igual a 230 N. Depois<br />
da ‘quebra de vínculo’ e de iniciado o movimento, você precisa aplicar uma força<br />
horizontal de módulo igual a 200N para manter o movimento com velocidade<br />
constante. Qual é o coeficiente de atrito estático e o coeficiente de atrito cinético<br />
2) No exemplo anterior, suponha que você tente mover o engradado amarrando uma<br />
corda em torno dele e puxando a corda para cima com um ângulo de 30° com a<br />
horizontal. Qual é a força que você deve fazer para manter o movimento com<br />
49
velocidade constante O esforço que você faz é maior ou menor do que quando aplica<br />
uma força horizontal Suponha p = 500N e μ ! = 0,40.<br />
3) O bloco B na figura abaixo pesa 712N. O coeficiente de atrito estático entre o bloco<br />
B e a mesa é 0,25. Encontre o peso máximo do bloco A para o qual o sistema<br />
permanecerá em equilíbrio.
3. Temperatura, calor e transmissão de calor<br />
A termodinâmica – a ciência da energia no contexto mais amplo – surgiu lado a<br />
lado com a revolução industrial em decorrência do estudo sistemático sobre a<br />
conversão de energia térmica em movimento e trabalho mecânico. Daí o nome termo +<br />
dinâmica. De fato, a análise de motores e geradores de vários tipos permanece sendo o<br />
foco da termodinâmica para a engenharia. Porém, como ciência, a termodinâmica agora<br />
se estende a todas as formas de conversão de energia, incluindo as que envolvem os<br />
organismos vivos. Por exemplo:<br />
• Motores convertem energia dos combustíveis em energia mecânica de pistões,<br />
engrenagens e rodas de movimento;<br />
• Células de combustível convertem energia química em energia elétrica;<br />
• Células fotovoltaicas convertem energia eletromagnética da luz em energia<br />
elétrica;<br />
• Organismos convertem energia química dos alimentos em uma variedade de<br />
outras formas de energia, incluindo energia cinética, energia sonora e energia<br />
térmica.<br />
3.2. Temperatura e equilíbrio térmico<br />
O conceito central da termodinâmica é a temperatura. Estamos tão<br />
familiarizados com essa palavra que temos a tendência de sermos excessivamente<br />
confiantes. Começaremos com a idéia do senso comum de que a temperatura seja uma<br />
medida de quão "quente" ou "frio" está um sistema. Essa "sensação de temperatura"<br />
nem sempre é confiável. Por exemplo, em um dia frio de inverno, um corrimão de ferro<br />
parece estar mais frio ao toque do que uma estaca de uma cerca de madeira, apesar de<br />
ambos estarem a mesma temperatura. Por quê Esse erro na nossa percepção ocorre<br />
porque o ferro remove energia dos nossos dedos mais rapidamente do que a madeira.<br />
Portanto, vamos entender o conceito de temperatura mais profundamente. Suponha<br />
que tivéssemos dois corpos, com temperaturas diferentes, um em contato com o outro e<br />
51
isolados de influências externas. Você poderia perceber que o corpo mais quente iria se<br />
esfriando, enquanto o mais frio iria se aquecendo. Depois de um certo tempo, você<br />
perceberia, usando o seu tato, que os corpos atingiram uma mesma temperatura. A partir<br />
desse momento, as temperaturas dos corpos não sofrerão alterações, isto é, eles<br />
atingirão uma situação final, denominada estado de equilíbrio térmico.<br />
LEI ZERO DA TERMODINÂMICA - Se cada um dos sistemas A e B está<br />
em equilíbrio térmico com um terceiro sistema C, então A e B estão em<br />
equilíbrio térmico entre si.<br />
Em linguagem menos formal, a mensagem da lei zero é: "Todo corpo possui<br />
uma propriedade chamada temperatura". A lei zero surgiu no século XX, na década<br />
de 1930, muito depois da primeira e segunda leis da termodinâmica terem sido<br />
propostas. Por ela servir de base para o conceito de temperatura, a qual é fundamental<br />
para a primeira e segunda leis, recebeu um número de ordem menor para designá-la.<br />
A lei zero surgiu no século XX, na década de 1930, muito depois da primeira e<br />
segunda leis da termodinâmica terem sido propostas. Por ela servir de base para o<br />
conceito de temperatura, a qual é fundamental para a primeira e segunda leis, recebeu<br />
um número de ordem menor para designá-la.<br />
3.2. Escalas de Temperatura<br />
A temperatura é uma das sete grandezas básicas do S.I. e está relacionada à<br />
energia térmica de um sistema. Para que a temperatura possa ser considerada uma<br />
grandeza física, é necessário que saibamos medi-la, para que se tenha um conceito<br />
quantitativo desta grandeza. Esta medida é feita com termômetros.<br />
3.2.1 Escala Kelvin<br />
A escala universalmente adotada em física é a escala kelvin, na qual o zero da<br />
escala representa o limite mais baixo que a temperatura pode atingir, ou o zero absoluto<br />
da temperatura.
A escala Kelvin é calibrada no chamado ponto tríplice da água, na qual o gelo,<br />
água líquida e vapor d'água coexistem em equilíbrio térmico e vale exatamente:<br />
T ! = 273,16 K<br />
3.2.1 Escala Celsius<br />
O grau Celsius ( ◦ C) designa a unidade de temperatura, assim denominada em<br />
homenagem ao astrônomo sueco Anders Celsius (1701–1744), que foi o primeiro a<br />
propô-la em 1742. Esta é utilizada em quase todos os países do mundo para as medidas<br />
do dia a dia e comerciais.<br />
Originalmente, esta escala era baseada em dois pontos de calibração:<br />
• o ponto de congelamento da água corresponde – 0 ◦ C<br />
• o ponto de ebulição da água - 100 ◦ C<br />
Enquanto que os valores de congelação e evaporação da água estão<br />
aproximadamente corretos, a definição original não é apropriada como um padrão<br />
formal: ela depende da definição de pressão atmosférica padrão, que por sua vez<br />
depende da própria definição de temperatura. A definição oficial atual de grau Celsius<br />
define 0,01 °C como o ponto triplo da água, e 1 grau Celsius como sendo 1/273,16 da<br />
diferença de temperatura entre o ponto triplo da água e o zero absoluto. Esta definição<br />
garante que 1 grau Celsius apresenta a mesma variação de temperatura que 1 kelvin.<br />
A temperatura na escala Celsius T c em termos da escala Kelvin é dada pela<br />
equação:<br />
T ! = T − 273,15 °C<br />
3.2.1 Escala Fahrenheit<br />
A escala Fahrenheit também foi originalmente baseada em dois pontos fixos:<br />
• o ponto de congelamento da água corresponde - 32°F<br />
53
• o ponto de ebulição da água - 212 °F<br />
A Fig. 3.1 mostra as relações entre as essas três escalas de temperatura.<br />
Fig. 3.1: Escalas de Temperatura<br />
Transformando °F para °C:<br />
Transformando °F para K:<br />
T ! − 0<br />
100 − 0 = T ! − 32<br />
212 − 32<br />
T !<br />
100 = T ! − 32<br />
180<br />
T ! = 5 9 T ! − 32<br />
T − 273<br />
373 − 273 = T ! − 32<br />
212 − 32
T − 273<br />
100<br />
= T ! − 32<br />
180<br />
T − 273 = 5 9 T ! − 32<br />
T = 5 9 T ! − 32 + 273<br />
EXERCÍCIOS PROPOSTOS<br />
1) A que temperatura as escalas Fahrenheit e Celsius coincidem R.: -40<br />
2) A que temperatura as escalas Fahrenheit e Kelvin coincidem R: 574,25<br />
3) A resistência de uma certa bobina de fio de platina aumenta um fator de 1,392 entre<br />
o ponto tríplice da água e o ponto de ebulição da água na pressão atmosférica. Qual<br />
a temperatura medida por este termômetro para o ponto de ebulição normal da<br />
água R.: 380,2K<br />
4) Você deve se preocupar se o seu médico lhe disser que a sua temperatura é de 310<br />
K Explique sua resposta. R.: 36,85 °C<br />
5) A que temperatura a leitura da escala Fahrenheit é igual a:<br />
a) duas vezes a da escala Celsius R.: 320 °F<br />
b) metade da escala Celsius R: -12 °F<br />
6) Em 1964, a temperatura no vilarejo siberiano de Oymyakon atingiu -71 °C. Que<br />
temperatura é esta na escala Fahrenheit e Kelvin R.: 202,15 K; -95,8 °F<br />
55
3.3. Dilatação Térmica<br />
Praticamente todas as substâncias, sejam sólidas, líquidas ou gasosas, dilatam-se<br />
com o aumento da temperatura e contraem-se quando sua temperatura é diminuída e o<br />
efeito da variação de temperatura, especialmente a dilatação, tem muitas implicações na<br />
vida diária. A dilatação térmica de um sólido sugere um aumento da separação média<br />
entre os átomos do sólido. Você já deve ter notado um espaçamento nos blocos de<br />
concreto das ruas e avenidas, bem como nos trilhos do trem ou em algumas pontes. Esse<br />
espaçamento é necessário justamente por causa da dilatação que os materiais sofrem.<br />
Também em casa, aplicamos o efeito do aumento da temperatura, por exemplo,<br />
para abrirmos tampas de vidros de conserva, aquecendo-os de alguma forma. O<br />
controle da temperatura feito através de termostatos com lâminas bimetálicas, utilizadas<br />
no ferro elétrico e em termopares que são os dispositivos que constam em automóveis e<br />
outros tipos de termômetros, ocorre com base na dilatação de certos materiais.<br />
Fig 3.2. Trilhos ferroviários deformados por causa de uma expansão térmica.<br />
3.3.1 Dilatação Linear<br />
Se a temperatura de uma haste metálica de comprimento L 0 for elevada de uma<br />
quantidade ΔT, verifica-se que o seu comprimento aumenta uma quantidade
∆L = L ! α∆T<br />
onde α é uma constante chamada de coeficiente de expansão linear de um dado<br />
material.<br />
Exemplo 1. De quanto se dilata um trilho de ferro de 10 m de comprimento, quando<br />
aquecido de 0°C a 30 °C Dado: α Ferro = 12x10 -6 (°C) -1 . R.: 3,6 mm<br />
3.3.2 Dilatação Superficial e Volumétrica<br />
Como as dimensões lineares de um corpo mudam com a temperatura, a área da<br />
superfície e o volume também mudam. A alteração no volume é proporcional ao volume<br />
inicial V 0 e à mudança de em temperatura de acordo com a relação<br />
∆V = V ! β∆T<br />
onde β é o coeficiente de dilatação volumétrica. Para encontrar a relação entre α e β,<br />
suponha que o coeficiente de expansão linear do sólido seja o mesmo em todas as<br />
direções, isto é, que o material seja isotrópico. Desta maneira β = 3α.<br />
Da mesma forma, a variação na área é dada por<br />
∆A = A ! 2α∆T<br />
3.3.3 Comportamento incomum da água<br />
Líquidos geralmente aumentam em volume com o aumento de temperatura e têm<br />
coeficientes médios de expansão de volume dez vezes maiores do que dos sólidos. A<br />
água fria é uma exceção à regra, como você pode ver a partir da curva de densidade<br />
versus temperatura, mostrada na Fig. 3.3. Conforme a temperatura aumenta de °C a<br />
4°C, a água se contrai e, então, sua densidade aumenta. Acima de 4°C, a água se<br />
expande com o aumento de temperatura e, então, sua densidade diminui. Portanto, a<br />
densidade da água atinge um valor máximo de 1 g/cm 3 a 4°C. Podemos usar esse<br />
comportamento incomum de expansão térmica da água para explicar por que uma lagoa<br />
começa a congelar na superfície em vez de no fundo. Quando a temperatura do ar cai<br />
de, por exemplo, 7°C para 6°C, á agua da superfície também esfria e,<br />
57
consequentemente, diminui em volume. A água da superfície é mais densa que abaixo<br />
da superfície, que não esfriou e diminui em volume. Como resultado, a água da<br />
superfície afunda, e a mais quente do fundo se move para a superfície. Quando a<br />
temperatura do ar está entre 4°C e 0°C, no entanto, a água da superfície se expande à<br />
medida que esfria, ficando menos densa que a abaixo da superfície. O processo de<br />
mistura para, e eventualmente a água da superfície congela. À medida que a água<br />
congela, o gelo permanece na superfície, porque é menos denso que a água. O gelo<br />
continua a se acumular na superfície, enquanto a água perto do fundo permanece a 4°C.<br />
Se não fosse esse o caso, peixes e outras formas de vida marinha não sobreviveriam.<br />
Fig 3.3. Variação na densidade da água à pressão atmosférica com a temperatura<br />
EXERCÍCIOS PROPOSTOS<br />
1) Uma régua métrica está para ter a sua marcação gravada e deseja-se que os<br />
intervalos de milímetros apresentem uma exatidão de 5x10 -5 a uma determinada<br />
temperatura. Qual é a variação máxima da temperatura que pode ocorrer durante a<br />
gravação Dado: α Fe =11 x10 -6 / °C; R: 4,55 °C
2) Uma barra feita com uma liga de alumínio mede 10 cm a 20 °C e 10,015 cm no ponto<br />
de ebulição da água. (a) Qual o seu comprimento no ponto de congelamento da água<br />
(b) Qual é a sua temperatura, se o seu comprimento é de 10,009 cm R: (a)<br />
9,99625cm; (b) 68°C<br />
3) Um furo circular em uma placa de alumínio possui um diâmetro de 2,725 cm a 12 °C.<br />
Qual o diâmetro do furo quando a temperatura da placa é aumentada até 140 °C Dado:<br />
α Al =23x10 -6 /°C R: 2,733cm<br />
4) Um cubo de latão tem aresta de 30 cm. Qual o aumento de sua área superficial, se a<br />
temperatura subir de 20 para 75 °C Dado: α latao = 19x10 -6 / °C -1 . R: 11, 29 cm 2<br />
3.4. Calor<br />
Calor (Q) é a energia que flui entre um sistema e a sua vizinhança devido a uma<br />
diferença de temperatura entre eles. Calor não é uma propriedade dos sistemas<br />
termodinâmicos, e por tal não é correto afirmar que um corpo possui mais calor que<br />
outro, e tão pouco é correto afirmar que um corpo "possui" calor. O conceito de calor<br />
utilizado pela população, em senso comum, de forma não científica, geralmente é<br />
apegado à ideia do calórico. Assim, costuma-se ouvir casos como: ``que calor!", ``que<br />
frio!" e outros. Percebemos que isso é errado uma vez que o termo "calor" é a transição<br />
de energia de um corpo mais quente para um corpo mais frio. Podemos transferir<br />
energia entre um sistema e o seu ambiente na forma de Trabalho W por meio de uma<br />
força atuando sobre um sistema. Calor e trabalho, diferentemente da temperatura, da<br />
pressão e do volume, não são propriedades intrínsecas de um sistema. Eles possuem<br />
significado apenas quando descrevem a transferência do ambiente para o sistema. O<br />
calor é positivo quando energia se transfere do seu ambiente para uma energia térmica<br />
do sistema (dizemos que o calor é absorvido). O calor é negativo quando se transfere<br />
energia de uma energia térmica do sistema para o seu ambiente (dizemos que o calor é<br />
liberado ou perdido). Essa transferência de energia é mostrada na figura 3.4.<br />
59
Antes dos cientistas se darem conta de que o calor é energia transferida, o calor<br />
era medido em termos da sua capacidade de aumentar a temperatura da água. Assim, a<br />
caloria (cal) foi definida como a quantidade de calor que elevaria a temperatura de 1 g<br />
de água de 14,5 °C para 15,5 °C .<br />
Em 1948, a comunidade científica decidiu que já que o calor é energia<br />
transferida, a unidade SI para o calor deveria ser a que usamos para energia, ou seja, o<br />
joule (J).<br />
As relações entre as várias unidades de calor são:<br />
1 cal = 3,969 10 -3 Btu =4,186 J<br />
Fig 3.4. Se a temperatura de um sistema exceder a do seu ambiente como em (a), o<br />
sistema perde Calor (Q) para o ambiente até que se estabeleça um equilíbrio térmico (b).<br />
(c) Se a temperatura do sistema estiver abaixo da temperatura do ambiente, o sistema<br />
absorve calor até se estabelecer o equilíbrio térmico.
3.4.1 Absorção de calor<br />
Capacidade Calorífica<br />
Quando certa quantidade de calor é transmitida para um corpo, na maioria dos<br />
casos sua temperatura aumenta. A propriedade física que define a quantidade de calor<br />
Q necessária para aquecer determinado material ΔT é chamada capacidade térmica,<br />
sendo definida matematicamente como:<br />
C = ! ∆!<br />
ou Q = C∆T<br />
Desse modo poderemos calcular a capacidade térmica de 1 litro de água, de 2<br />
litros de água, 1 litro de azeite, etc. A capacidade térmica caracteriza o corpo, e não a<br />
substância que o constitui. Dois corpos de massas e de substâncias diferentes podem<br />
possuir a mesma capacidade térmica. Dois corpos de massas diferentes e de mesma<br />
substância possuem capacidades térmicas diferentes. A grandeza que caracteriza uma<br />
substância é o calor específico.<br />
Calor Específico<br />
É definido como sendo a quantidade de calor Q necessária para elevar em 1ºC a<br />
massa de 1g de determinado material, ou seja:<br />
é cal/(g.°C).<br />
c =<br />
Q<br />
m∆T<br />
Q = mc∆T<br />
A unidade no SI é J/(kg.K). Uma outra unidade mais usual para calor específico<br />
61
Calor de Transformação<br />
Como foi mencionado, uma substância altera a sua temperatura quando ela troca<br />
calor com a sua vizinhança. No entanto, um corpo pode absorver certa quantidade de<br />
calor e manter sua temperatura constante. Por exemplo, uma pedra de gelo a 0 °C é<br />
retirada do congelador e colocada dentro de um copo na temperatura ambiente de 30 °C.<br />
Esse material irá absorver calor da sua vizinhança e transformar-se em água a uma<br />
temperatura de 0°C. No exemplo acima não houve mudança de temperatura, mas houve<br />
mudança de estado físico, do estado sólido para o líquido. A propriedade física que<br />
define a quantidade de calor (Q) necessária para uma mudança de fase de uma massa<br />
m de determinada substância é chamada calor latente, e é definida como<br />
L = Q m<br />
Q = Lm<br />
A unidade do calor latente é cal/g. Calor latente de fusão L f é o termo usado<br />
quando a mudança de fase é do sólido para o líquido (fundir significa ``combinar por<br />
derretimento"), e o calor latente de vaporização L v é o termo usado quando a mudança<br />
de fase é do líquido para o gasoso ( o líquido ``vaporiza"). O calor latente de várias<br />
substâncias varia consideravelmente.<br />
Calor sensível<br />
Provoca apenas variação na temperatura do corpo, sem que aconteça mudança no seu<br />
estado de agregação, ou seja, se o corpo é sólido continua sólido e o mesmo acontece<br />
com os estados líquidos e gasosos.<br />
Também chamado de calor específico, o calor sensível, determinado pela letra c<br />
(minúscula), é avaliado da seguinte forma: cal/g°C. Essa relação informa a quantidade<br />
de calor que um grama de substância deve receber ou ceder para que nela aconteça a<br />
variação de um grau de temperatura. Essa é uma unidade prática, ou seja, a que é mais<br />
utilizada no dia a dia. Contudo, no Sistema Internacional de Unidades (SI) o calor<br />
específico pode ser dado de duas formas: J/kgK ou em J/kg°C.
A - Calor sensível<br />
B - Calor latente de fusão<br />
C - Calor sensível<br />
D - Calor latente de vaporização<br />
E - Calor sensível<br />
Fig 3.5. Gráfico da variação da temperatura da água em função do tempo. Sem escalas.<br />
EXERCÍCIOS PROPOSTOS<br />
1) Em um episódio de gripe, um homem de 80 kg tem 39°C de febre (cerca de 2 °C<br />
acima da temperatura normal de 37 °C). Considerando que o corpo humano é<br />
constituído essencialmente de água, qual seria o calor necessário para produzir essa<br />
variação de temperatura Dado: c =1,00 cal/g °C R: 160 kcal.<br />
2) Calcule a energia necessária para elevar a temperatura de 0,500 kg de água por 3<br />
°C. R: 1500 cal<br />
3) Qual o calor específico da água no S.I. R: 4190 J/kg K<br />
4) A temperatura de uma peça de metal de 0,0500 kg é elevada para 200,0 °C e então é<br />
colocada em um béquer isolado contendo 0,400 kg de água inicialmente a 20 °C. Se a<br />
temperatura final de equilíbrio do sistema combinado for 22,4 °C, descubra o calor<br />
específico do metal. Despreze as trocas de calor com o béquer. R: 0,108 cal/ g °C<br />
Q agua + Qmetal = 0<br />
5) Qual a energia total transferida para a água no exercício anterior R: 960 cal<br />
6) Um estudante faz uma refeição que contém 2000 kcal de energia. Ele deseja realizar<br />
uma quantidade equivalente de trabalho na academia levantando o objeto de 50,0 kg.<br />
63
Quantas vezes ele deve levantar o objeto para gastar esta quantidade de energia<br />
Considere que ele levanta o peso a uma distância de 2,00 m cada vez.<br />
W = P h= mgh<br />
7) Que quantidade de calor deve ser absorvida por uma massa de gelo m=720 g a -10°C<br />
para levá-la ao estado líquido a 15 °C<br />
3.5. Mecanismos de transferência de calor<br />
A transferência de calor de um ponto a outro de um meio se dá através de três<br />
processos diferentes: convecção, radiação e condução.<br />
Fig. 3.6. Exemplos dos mecanismos de transferência de calor.<br />
A convecção ocorre tipicamente num fluido, e se caracteriza pelo fato de que o<br />
calor é transferido pelo movimento do próprio fluido, que constitui uma corrente de<br />
convecção. Um fluido aquecido localmente em geral diminui de densidade e por<br />
conseguinte tende a subir sob o efeito gravitacional, sendo substituído por um fluido<br />
mais frio, o que gera naturalmente correntes de convecção. O borbulhar da água<br />
fervente em uma panela é o resultado de correntes de convecção. A radiação transfere<br />
calor de um ponto a outro através da radiação eletromagnética. A radiação térmica é<br />
emitida de um corpo aquecido e ao ser absorvida por outro corpo pode aquecê-lo,<br />
convertendo-se em calor. O aquecimento solar é uma forma de aproveitamento da<br />
radiação solar para a produção de calor. Um ferro em brasa emite radiação térmica e
aquece a região que o rodeia. A condução de calor só pode acontecer através de um<br />
meio material, sem que haja movimento do próprio meio. Ocorre tanto em fluidos<br />
quanto em meios sólidos sob o efeito de diferenças de temperatura.<br />
Condução<br />
Considere um bloco cujo material tem espessura Δx e um corte transversal de<br />
área A com as faces opostas a temperaturas diferentes T 1 e T 2 , onde T 2 > T 1 .<br />
T2<br />
A<br />
Fluxo de energia<br />
T2>T1<br />
T1<br />
!x<br />
O bloco permite que a energia seja transferida da região de alta temperatura para<br />
a de baixa temperatura por meio da condução térmica. A taxa de transferência de<br />
energia pelo calor (P)<br />
P = Q ∆T<br />
é proporcional à área do corte transversal do bloco e à diferença de temperatura e<br />
inversamente proporcional à espessura do bloco:<br />
P = Q ∆T<br />
∝ A<br />
∆T<br />
∆x<br />
Como cada material tem uma condutividade térmica específica, introduzimos a<br />
constante k na equação, assim:<br />
65
P = κ Α ∆T<br />
∆x<br />
Watts .<br />
Radiação<br />
Radiação térmica é a radiação eletromagnética emitida por um corpo em<br />
qualquer temperatura. A radiação é uma forma de transmissão de calor pela qual um<br />
segundo corpo pode absorver as ondas que se propagam pelo espaço em forma de<br />
energia eletromagnética aumentando sua temperatura. A taxa de emissão de energia de<br />
um corpo por meio da radiação térmica a partir de sua superfície é proporcional à quarta<br />
potência de sua temperatura superficial absoluta. Este princípio é conhecido como a Lei<br />
de Stefan e é expressa por:<br />
P = σA eT !<br />
sendo:<br />
P é a potência irradiada pelo corpo (W);<br />
σ é a constante de Stefan-Boltzmann e vale 5,66961×10 -8 W/(m 2 K 4 );<br />
A é a área da superfície do corpo (m 2 );<br />
e é a emissividade;<br />
T a temperatura da superfície do corpo (K).<br />
EXERCÍCIOS PROPOSTOS<br />
1) Uma janela cuja área é de 2,0m 2 é envidraçada com vidro de espessura de 4,0mm. A<br />
janela está na parede de uma casa e a temperatura externa é 10 ℃. A temperatura no<br />
interior da casa é 25 ℃. Quanta energia é transferida através da janela pelo calor em 1h<br />
Dados: k vidro =0,8W/(m℃)
2) O filamento de tungstênio de uma lâmpada de 100W irradia 2W de luz (os demais<br />
98W são carregados para fora por convecção e condução). O filamento tem área<br />
superficial de 0,250mm 2 e a emissividade de 0,950. Descubra a temperatura do<br />
filamento.<br />
3) Uma barra de ouro está em contato térmico com uma barra de prata de mesmo<br />
comprimento e área. Uma extremidade da barra composta é mantida a 80℃ e a<br />
extremidade oposta está a 30 ℃. Quando a transferência de energia atinge o estado<br />
estacionário, qual a temperatura da junção Dados: k Au =314W/(m ℃ ) e k Ag =<br />
427W/(m℃)<br />
67