Os Fundamentos da Física - Vol. 1 - Mecânica - Ramalho, Nicolau, Toledo

Os Fundamentos da Física - Vol. 1 - Mecânica - Ramalho, Nicolau, Toledo

(Parte 1 de 8)

Moderna PLUS

Francisco Ramalho Junior Professor de Física em cursos pré-vestibulares.

Nicolau Gilberto Ferraro

Licenciado em Física pelo Instituto de Física da Universidade de São Paulo (USP). Engenheiro metalurgista pela Escola Politécnica da USP. Professor de Física em cursos pré-vestibulares e em escolas do Ensino Médio e Superior.

Paulo Antônio de Toledo Soares

Médico diplomado pela Faculdade de Medicina da Universidade de São Paulo (FMUSP). Professor de Física em cursos pré-vestibulares e em escolas do Ensino Médio.

FÍSICA 1 oS FundAmentoS dA FÍSICA RAMALHO • NICOLAU • TOLEDO

© Francisco Ramalho Junior, Nicolau Gilberto Ferraro, Paulo Antônio de Toledo Soares, 2009

Reprodução proibida. Art. 184 do Código Penal e Lei 9.610 de 19 de fevereiro de 1998. Todos os direitos reservados

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Impresso n

ISBN 978-85-16-07413-5

Moderna PLUS

Coordenação de Projeto e Inovação: Sérgio Quadros, Sandra Homma Coordenação editorial: Rita Helena Bröckelmann Edição de texto: Alexandre Braga D’Avila (coordenação), Edna Emiko Nomura, Tomas Masatsugui Hirayama, Erich Gonçalves da Silva, Eugenio Dalle Olle, Manuel Carlos Garcez Kopenzinski, Horácio Nakazone Assistência editorial: Denise Minematsu Coordenação de design e projetos visuais: Sandra Homma Projeto gráfico e capa: Everson de Paula, Marta Cerqueira Leite

Foto: Maçã - © Dusko Almosa/Getty Images, Bolhas de água - © Dock22/Getty Images

Coordenação de produção gráfica: André Monteiro, Maria de Lourdes Rodrigues Coordenação de revisão: Elaine C. del Nero Revisão: Márcia Leme, Nelson José de Camargo Coordenação de arte: Wilson Gazzoni Agostinho Edição de arte: Fernanda Fencz, Alexandre de Paula Ilustrações: Adilson Secco, Éber Evangelista, Nelson Matsuda, Studio Caparroz, Vagner Vargas Assessoria de projetos visuais: William Hiroshi Taciro Edição de infografia: Erich Gonçalves da Silva, Alexandre Braga D‘Avila, Tomas Masatsugui Hirayama, Eugenio Dalle Olle Cartografia: Alessandro Passos da Costa Editoração eletrônica: Grapho Editoração Coordenação de pesquisa iconográfica: Ana Lucia Soares Pesquisa iconográfica: Ana Carolina Muniz, Angélica Nakamura, Camila D’Angelo, Carlos Luvizari, Vera Lucia Barrionuevo As imagens identificadas com a sigla CID foram fornecidas pelo Centro de Informação e Documentação da Editora Moderna Coordenação de bureau: Américo Jesus Tratamento de imagens: Fabio N. Precendo, Luiz C. Costa, Rubens M. Rodrigues Pré-impressão: Everton L. de Oliveira, Helio P. de Souza Filho, Marcio H. Kamoto Coordenação de produção industrial: Wilson Aparecido Troque

Dados Internacionais de Catalogação na Publicação (CIP) (Câmara Brasileira do Livro, SP, Brasil)

Ramalho Junior, Francisco

Os Fundamentos da Física / Francisco Ramalho

Junior, Nicolau Gilberto Ferraro, Paulo Antônio de Toledo Soares. — 10. ed. — São Paulo : Moderna, 2009.

Conteúdo: V. 1. Mecânica — V. 2. Termologia, óptica e ondas — V. 3. Eletricidade, introdução à física moderna e análise dimensional. Bibliografia.

1. Física (Ensino médio) 2. Física (Ensino médio) –

Problemas, exercícios etc. I. Ferraro, Nicolau Gilberto. I. Soares, Paulo Antônio de Toledo. II. Título.

09-07089 CDD-530.7

1. Física : Estudo e ensino530.7

Índices para catálogo sistemático:

Apresentação

Nesta coleção, a Física é apresentada como uma ciência moderna e profundamente inserida em sua vida. Estudá-la, paralelamente às demais disciplinas, é um compromisso que você tem consigo mesmo, a fim de se desenvolver como cidadão, apto a contribuir, com seus conhecimentos e uma formação científica bem estruturada, para o progresso da sociedade em que vive.

Além de desenvolver o conteúdo básico de Física estabelecido para o Ensino Médio, procura-se nesta obra relacionar as leis e os fenômenos físicos ao dia a dia e ao desenvolvimento de processos tecnológicos. A exposição teórica de um assunto vem sempre acompanhada por exercícios resolvidos, cuja finalidade é analisar, elucidar e mesmo ampliar a teoria apresentada. Com objetivo semelhante ao dos exercícios resolvidos, há exercícios propostos, para que você possa exercitar e assimilar os itens teóricos. Há ainda exercícios propostos de recapitulação, que, além de um grau de dificuldade maior que os anteriores, têm por objetivo revisar e complementar os assuntos abordados. No final de cada capítulo, você encontra os testes propostos, ordenados de acordo com a exposição da teoria. Exercícios especiais, presentes em alguns capítulos, têm outra finalidade: aprofundar ainda mais os conteúdos e relacioná-los com conceitos vistos anteriormente. Além disso, em toda a obra são incluídas questões de vestibulares, do Enem e das Olimpíadas de Física.

Acompanhando a evolução tecnológica de nossa sociedade, em cada capítulo indicamos endereços eletrônicos (Entre na rede), onde o aluno poderá obter informações sobre os diversos assuntos desenvolvidos e trabalhar com animações e simulações de alguns fenômenos estudados.

No Portal Moderna Plus, você aluno encontra:

• Textos sobre História da Física, que situam no tempo os cientistas e seus feitos, com a descrição de seus estudos, suas pesquisas e suas descobertas, revelando que a ciência está em constante desenvolvimento. Complementando a biografia, criamos o item Enquanto isso..., em que fazemos breves considerações a respeito de personalidades importantes do período, em diferentes ramos de atividade.

• A Física em nosso Mundo, que são leituras especiais indicadas no final de cada capítulo, com a finalidade de mostrar que essa ciência está fortemente relacionada com a vida e o cotidiano do ser humano. Após cada uma dessas leituras, sugerimos novos exercícios em Teste sua leitura, para que você possa aplicar os conhecimentos apresentados no texto.

• Atividades experimentais. A intenção desses experimentos é propiciar a você que “ponha a mão na massa”, estabelecendo assim um vínculo mais profundo com a Física. Com isso, será mais fácil compreender os pilares dessa ciência e, assim o desejamos, fascinar-se com ela.

Ramalho, Nicolau e Toledo orgAnIzAção dIdátICA

Introdução à Física

Abertura de Unidade

No início de cada

Unidade há indicação do tema sobre o qual os Capítulos que ela reúne serão trabalhados.

Abertura de Capítulo

Cada abertura de

Capítulo apresenta imagem retratando situações cotidianas com a Física ou que propicia a aquisição de informações sobre assuntos relacionados ao Capítulo.

Abertura de Parte

Cada Parte está organizada em Unidades, com seus respectivos Capítulos.

A Coleção Moderna Plus Física é composta de três livros. O conteúdo de cada ano letivo é encadernado separadamente em três partes: Parte I, Parte I e Parte II, que serão utilizadas em um ano letivo. Assim, você leva para a sala de aula apenas a Parte na qual está o conteúdo em estudo.

Há uma breve descrição do que será estudado no Capítulo e um foco (objetivo) para cada Seção do Capítulo.

Alguns temas foram destacados com infografias, criando oportunidade para você exercitar a leitura de imagens.

Cada infográfico apresenta algumas questões que possibilitam o estudo do tema proposto.

orgAnIzAção dIdátICA

Movimento uniforme (MU)

Abertura de Seção

Cada Capítulo é organizado em seções. No início de cada Seção existe a descrição dos seus

Objetivos e também dos Termos e Conceitos que serão estudados nela. Os Termos e Conceitos serão retomados no Caderno do Estudante promovendo revisitação aos temas do Capítulo. Dessa maneira, você tem uma visão geral sobre a Seção que irá estudar.

Leitura Quadro com ampliação do tema com base em relatos históricos, aplicações e desenvolvimento tecnológico.

Entre na rede: sugestões de endereços eletrônicos com mais informações sobre o assunto do Capítulo, além de animações e simulações dos conteúdos trabalhados.

Conteúdo digital Moderna Plus: ícone com indicação de conteúdo digital no portal do Projeto Moderna Plus, como leituras complementares, animações, exercícios extras, simulações e vídeos

relativos ao tema estudado.

Exercícios resolvidos: têm como função analisar, elucidar e ampliar a teoria apresentada.

Exercícios propostos: propõem o exercício e assimilação dos conteúdos teóricos.

Exercícios propostos de recapitulação: apresentam um grau de dificuldade maior e auxiliam na revisão e complementação dos assuntos abordados.

Testes propostos: questões das provas de vestibulares mais recentes ordenadas de acordo com a exposição da teoria. Exercícios especiais: questões de aprofundamento que se relacionam com conceitos vistos anteriormente.

SumárIo gerAl

Seção

1.1 Introdução, 16

1. O que é a Física _ 16 Ramos da Física, 17; O Universo, 17

1. Método em Física18

1.2 Física e Matemática, 18 2. Medidas de comprimento e tempo _ 19

Leitura – O metro _ 19 3. Algarismos significativos _ 20

Operações com algarismos significativos, 20 4. Notação científica _ 21 Ordem de grandeza, 21

Seção

1. Posição numa trajetória28
2. Referencial30

2.1 Introdução, 28

1. Movimento progressivo e retrógrado34

2.2 Velocidade escalar média e velocidade escalar instantânea, 32 2. Função horária _ 34 Leitura – Comparando velocidades _ 35

Exercícios propostos de recapitulação, 38

Seção

3.1 Movimento uniforme (MU), 4

1. Função horária do MU _ 4 Exercícios propostos de recapitulação, 48 Exercícios especiais sobre movimento uniforme, 50

Seção

4.1 Movimentos com velocidade escalar variável, 58

1. Aceleração escalar _ 58

Leitura – Comparando acelerações _ 59 2. Movimento acelerado e movimento retardado _ 61 3. Função horária da velocidade _ 63

Unidade A Introdução geral

Unidade B Descrição do movimento: Cinemática escalar Capítulo 1 Introdução à Física 14

Capítulo 2 Introdução ao estudo dos movimentos 26

Capítulo 3 estudo do movimento uniforme 42

Capítulo 4 movimento com velocidade escalar variável. movimento uniformemente variado 57

Capítulo 5 Movimento vertical no vácuo 76

Capítulo 6 Gráficos do MU e do MUV 86

Seção

5.1 Queda livre e lançamento vertical, 78

1. Descrição matemática _ 78 Leitura – Comparando acelerações com a aceleração da gravidade _ 80

Exercícios propostos de recapitulação, 83

Seção

6.1 Gráficos, 8

Função constante, 89; Função do 1o grau, 89; Função do 2o grau, 90 2. Coeficiente angular da reta _ 91 3. Cálculo de áreas _ 94

6.2 Gráficos do MU, 96

6.3 Gráficos do MUV, 9

Exercícios propostos de recapitulação, 106 Exercícios especiais de gráficos do MUV, 113

4.2 Movimento uniformemente variado (MUV), 64

Exercícios propostos de recapitulação, 73

Seção

7.1 Introdução, 118 1. Grandezas escalares e grandezas vetoriais _ 118

7.3 Operações com vetores, 120

1. Adição vetorial _ 120 2. Vetor oposto _ 122 3. Subtração vetorial _ 122 4. Produto de um número real por um vetor _ 124

7.4 Componentes de um vetor, 126 Exercícios propostos de recapitulação, 128

Unidade C Vetores e grandezas vetoriais: Cinemática vetorial Capítulo 7 Vetores 116

SumárIo gerAl

Seção

8.1 Velocidade e aceleração vetoriais, 132

1. Vetor deslocamento _ 132 2. Velocidade vetorial média _ 132 3. Velocidade vetorial instantânea _ 134 4. Aceleração vetorial média _ 134 5. Aceleração vetorial instantânea _ 136

Aceleração tangencial, 136; Aceleração centrípeta, 136; Aceleração vetorial, 137

8.2 Casos particulares, 138

1. MRU (movimento retilíneo e uniforme) _ 138 2. MCU (movimento circular e uniforme) _ 138

3. MRUV (movimento retilíneo uniformemente variado) _ 139

4. MCUV (movimento circular uniformemente variado) _ 139

8.3 Composição de movimentos, 141

1. Princípio da independência dos movimentos simultâneos (Galileu) _ 143

Exercícios propostos de recapitulação, 146

Seção

9.1 Lançamento horizontal no vácuo, 152

1. Queda livre _ 152 2. Movimento horizontal _ 152

9.2 Lançamento oblíquo no vácuo, 156

1. Movimento vertical (MUV) _ 156 2. Movimento horizontal (MU) _ 157 Leitura – A parábola _ 159

Exercícios propostos de recapitulação, 162 Exercícios especiais de lançamento horizontal e oblíquo, 165

Seção

10.1 Grandezas angulares, 170

Leitura – Definição de radiano (rad) _ 170 2. Velocidade angular _ 171 3. Aceleração angular _ 172

10.2 Período e frequência, 173

Capítulo 8 Cinemática vetorial 130

Capítulo 9 lançamento horizontal e lançamento oblíquo no vácuo 150

SumárIo gerAl

Unidade D Forças em Dinâmica

Capítulo 1 os princípios da dinâmica 194 Seção

1.1 Introdução, 196

1. Uma noção operacional de massa _ 196 2. Aristóteles, Galileu e Newton _ 197 Leitura – Isaac Newton _ 197

1.2 Princípio da inércia (primeira lei de Newton), 198

1. Inércia _ 198 2. Referenciais inerciais _ 199

1.3 Princípio fundamental da Dinâmica (segunda lei de Newton), 201

1. O peso é uma força _ 202

Leitura – Deformações elásticas _ 204 2. Classes de forças _ 204

Forças de contato, 204; Forças de campo, 204 3. Massa inercial e massa gravitacional _ 205 4. Sistema de unidades _ 206 Relação entre newton e dina, 206

1.4 Princípio da ação e reação (terceira lei de Newton), 209

1. Força normal _ 210 Leitura – Críticas à Mecânica Clássica _ 212

Exercícios propostos de recapitulação, 2

10.3 Movimento circular uniforme (MCU), 175

Leitura – Satélites geoestacionários _ 177 1. Transmissão de movimento circular uniforme _ 179 Leitura – As marchas da bicicleta _ 180

10.4 Movimento circular uniformemente variado (MCUV), 182

Exercícios propostos de recapitulação, 184 Exercícios especiais de movimento circular uniforme, 188

Capítulo 12 Forças de atrito 229 Seção

12.1 Força de atrito de escorregamento, 230

2. Atrito estático234

1. Atrito dinâmico _ 230 Leitura – Quando o atrito é importante! _ 238

12.2 Força de resistência do ar, 239

Leitura – Túnel aerodinâmico _ 240 1. Velocidade limite _ 240 Leitura – O paraquedas _ 241

Exercícios propostos de recapitulação, 243 Exercícios especiais de leis de Newton e forças de atrito, 247

SUMÁRIO geRal

Unidade E Os princípios da conservação Capítulo 14 Trabalho 267

Capítulo 13 Forças em trajetórias curvilíneas 252

Capítulo 15 energia, as suas formas e a sua conservação 288

Seção

14.1 Trabalho de uma força constante, 268 1. Força constante paralela ao deslocamento _ 268 2. Força constante não paralela ao deslocamento _ 269 Unidades de trabalho, 270

14.2 Trabalho de uma força qualquer, 271

Unidades de potência, 278 Leitura – O cavalo-vapor _ 279 Leitura – Comparando potências _ 280

14.5 Rendimento, 283 Exercícios propostos de recapitulação, 284

Seção

13.1 Movimentos curvilíneos uniformes, 254 1. Resultante centrípeta _ 255

13.2 Movimentos curvilíneos variados, 261 Leitura – Força em referencial não inercial _ 262

Exercícios propostos de recapitulação, 263

Seção

15.1 Introdução. Energia cinética, 290 1. Energia cinética _ 290

15.2 Energia potencial, 294 1. Energia potencial gravitacional _ 294 2. Energia potencial elástica _ 295 Leitura – Energias potenciais em Mecânica _ 296

15.3 Conservação da energia mecânica, 297 Leitura – O mito do moto-perpétuo _ 304

15.4 Diagramas de energia, 306

15.5 Outras formas de energia, 308 Leitura – Valores de energia _ 311

Exercícios propostos de recapitulação, 312 Exercícios especiais de trabalho, potência e energia, 320

Seção 16.1 Impulso de uma força, 324

16.2 Quantidade de movimento de um corpo, 327 Quantidade de movimento de um sistema de corpos, 327

16.3 Teorema do impulso, 329

16.4 Conservação da quantidade de movimento, 332

16.5 Choques, 336

1. Coeficiente de restituição _ 338 Exercícios propostos de recapitulação, 345

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