diff --git a/content/fis-i/0004-work.md b/content/fis-i/0004-work.md new file mode 100644 index 00000000..cd7cb681 --- /dev/null +++ b/content/fis-i/0004-work.md @@ -0,0 +1,290 @@ +--- +title: Trabalho de Forças +description: >- + Trabalho de uma Força para 1 Dimensão e para n Dimensões. + Trabalho como Variação de Energia. +path: /fis-i/work +type: content +--- + +# Trabalho de Forças + +```toc + +``` + +Nas secções anteriores falámos de vários tipos diferentes de forças e vimos que +cada força atua sobre um corpo de uma maneira diferente. +Vamos agora definir essa interação através do **trabalho**. + +## Trabalho de uma Força (1 dimensão) + +O **trabalho de uma força** é a energia transformada ou transferida a um corpo ao aplicar-lhe uma força. +No secundário aprendemos a fórmula para o **trabalho** quando a força aplicada e o movimento eram simples: + +$$ +\begin{darray}{ll} +W_F = F \cdot \cos\varTheta \cdot \Delta x && \Delta x = x_f - x_i +\end{darray} +$$ + +![Trabalho da força basico](./assets/0004-work-simple.png#dark=2) + +:::warning[Atenção!] +Apenas as componentes da força com a mesma direção do movimento do corpo ao qual a força é aplicada produzem trabalho. + +$$ +\begin{darray}{ll} +\text{Se } \varTheta = 90\op{deg} \text{ então } W_f = 0 +\end{darray} +$$ + +::: + +## Trabalho de uma Força (n dimensões) + +A forma anterior serve perfeitamente para sistemas de 1 dimensão mas quando o sistema +tem $n$ dimensões, ao acrescentar eixos por exemplo, é preciso uma fórmula mais geral: + +### Coordenadas Cartesianas + +![Trabalho da força geral](./assets/0004-work-complex-movement.png#dark=2) + +$$ +\begin{darray}{ll} +\vec{F} = (F_x, F_y, F_z) & d\vec{r} = (dx, dy, dz)\\ +\end{darray} +$$ + +$$ +\begin{darray}{ll} +\vec{F}\cdot d\vec{r} = F_xdx + F_ydy + F_zdz +\end{darray} +$$ + +$$ +\begin{darray}{ll} +W_F = \int^f_i \vec{F}\cdot d\vec{r} = \int^f_i F_xdx + \int^f_i F_ydy + \int^f_i F_zdz +\end{darray} +$$ + +### Coordenadas Polares + +![Trabalho da força geral](./assets/0004-polar-coordinates-work.png#dark=2) + +$$ +\begin{darray}{ll} +\vec{F} = (F_r, F_\varTheta) & d\vec{r} = (dr, d\varTheta)\\ +\end{darray} +$$ + +$$ +\begin{darray}{ll} +\vec{F}\cdot d\vec{r} = F_rdr + F_\varTheta d\varTheta +\end{darray} +$$ + +$$ +\begin{darray}{ll} +W_F = \int^f_i \vec{F}\cdot d\vec{r} = \int^f_i F_rdr + \int^f_i F_\varTheta d\varTheta +\end{darray} +$$ + +:::details[Prova] + +$$ +\begin{darray}{ll} +\vec{e_x} = \;\,\, \sin\varTheta\, \vec{e_r} + \cos\varTheta\, \vec{e_\varTheta}\\ +\vec{e_y} = -\cos\varTheta\, \vec{e_r} + \sin\varTheta\, \vec{e_\varTheta}\\ +\end{darray} +$$ + +$$ +\begin{darray}{ll} +x = \enspace\,r\sin\varTheta \enspace\rArr\enspace \d x = \>\,\,\sin\varTheta\, \d r + r\cos\varTheta\, \d \varTheta\\ +y = -r\cos\varTheta \enspace\rArr\enspace \d y = -\cos\varTheta\, \d r + r\sin\varTheta\, \d \varTheta\\ +\end{darray} +$$ + +$$ +\begin{darray}{ll} +\text{Portanto, se }\d\vec{r} = \d x\,\vec{e_x} + \d y\,\vec{e_y}:\\ +\text{ }\\ +\vec{F}\cdot \d\vec{r} \>= \vec{F}\,(\d x\,\vec{e_x} + \d y\,\vec{e_y})\\ + +\qquad\>\>\, = \vec{F}\,((\sin\varTheta\, dr + r\cos\varTheta\, d\varTheta)(\sin\varTheta\,\vec{e_r} + \cos\varTheta\,\vec{e_\varTheta}) \space + \\ +\qquad\qquad\quad\, (-\cos\varTheta\, \d r + r\sin\varTheta\, \d\varTheta)(-\cos\varTheta\,\vec{e_r} + \sin\varTheta\,\vec{e_\varTheta}))\\ + +\qquad\>\>\, = \vec{F}\,(\d r\,\vec{e_r} + r\,\d \varTheta\,\vec{e_\varTheta})\\ + +\qquad\>\>\, = F_r\,\d r + F_\varTheta\,\d\varTheta +\end{darray} +$$ + +::: + +:::info[Exemplo] +Podemos agora calcular o trabalho da força gravítica enquanto um corpo cai em direção à terra: + +$$ +\begin{darray}{ll} +\d \vec{r} = \d r\,\vec{e_r}\\ + +W_G = \int^{r_f}_{r_i}\vec{F}\cdot \d\vec{r} = \int^{r_f}_{r_i} -\frac{GM_Tm}{R^2}\,\vec{e_r}\cdot\vec{e_r}\,\d r = \frac{GM_Tm}{r_f} - \frac{GM_Tm}{r_i} +\end{darray} +$$ + +::: + +:::warning[Atenção] +O trabalho de uma força conservativa apenas depende da posição inicial e final, +sendo o trajeto feito para chegar de um ponto para o outro irrelevante +::: + +## Trabalho como Variação de Energia + +A força gravítica é conservativa podendo assim ser expressa como uma variação de enrgia potencial. +Se fizermos corresponder a cada ponto do espaço uma energia potencial +$\;E_p = -\frac{GM_tm}{R}\;$ podemos definir o trabalho da força gravítica entre dois pontos como: + +$$ +\begin{darray}{ll} +W_F = -\,(\,E_f - E_i\,) +\end{darray} +$$ + +Conseguimos ainda expressar a força gravítica como gradiente de uma energia potencial: + +$$ +\begin{darray}{ll} +\vec{\nabla}E_p\,(\vec{r}) = \frac{\partial E}{\partial x}\,\vec{e_x} + \frac{\partial E}{\partial y}\,\vec{e_y} + \frac{\partial E}{\partial z}\,\vec{e_z}\\ +\,\\ +\vec{F} = -\vec{\nabla}\,E_p(\vec{r}) +\end{darray} +$$ + +:::details[Coordenadas esféricas] + +$$ +\begin{darray}{ll} +\vec{\nabla}U = \frac{\partial U}{\partial r}\,\vec{e_r} + \frac{1}{r}\,\frac{\partial U}{\partial \sigma}\,\vec{e_\sigma} + \frac{1}{r\sin\sigma}\,\frac{\partial U}{\partial \phi}\,\vec{e_\phi} +\end{darray} +$$ + +::: + +:::tip[Trabalho de Forças Exteriores] +O trabalho de forças exteriores é igual à variação da energia cinética do sistema: + +$$ +\begin{darray}{ll} +W_F = \frac{1}{2}\,m\,v_f^2 - \frac{1}{2}\,m\,v_i^2 +\end{darray} +$$ + +ou, em termos de energia potencial: + +$$ +\begin{darray}{ll} +E_{pf} + \frac{1}{2}\,m\,v_f^2 = E_{pi} + \frac{1}{2}\,m\,v_i^2 +\end{darray} +$$ + +Podemos definir a energia total do sistema: + +$$ +\begin{darray}{ll} +E_{Total} = E_p + E_i +\end{darray} +$$ + +que é conservada para forças conservativas +::: + +:::details[Prova] +Podemos mostrar que $E_{Total}$ é conservada da seguinte forma: + +$$ +\begin{darray}{ll} +\frac{\partial E_{Total}}{\partial t} = \frac{\partial E_p}{\partial t} + \frac{\partial E_c}{\partial t} +\end{darray} +$$ + +Mas $\;E_c = \frac{1}{2}\,m\,v^2$ , logo + +$$ +\begin{darray}{ll} +\frac{\partial E_c}{\partial t} = \frac{1}{2}\,m\,(2\,v\,\dot{v}) = mva \\ +\,\\ +\frac{\partial E_p}{\partial t} = \frac{\partial E_p}{\partial t} + \frac{\partial \vec{r}}{\partial t}\cdot\vec{\nabla}E_p = \frac{\partial E_p}{\partial t} + \vec{v}\cdot\vec{\nabla}E_p +\end{darray} +$$ + +Ora , para todos os problemas de física $\frac{\partial E_p}{\partial t} = 0$ logo + +$$ +\begin{darray}{ll} +\frac{\partial E_{Total}}{\partial t} = \vec{v}\cdot\vec{\nabla}E_p + vma +\end{darray} +$$ + +mas + +$$ +\begin{darray}{ll} +ma = F_G = -\nabla E_p \text{ ,\quad logo }\quad \frac{\partial E_{Total}}{\partial t} = 0 +\end{darray} +$$ + +::: + +:::info[Exemplo 1] + +**Uma pedra foi lançada verticalmente com velocidade $v_i$. Calcule a altura máxima que atinge.** + +Podemos usar a conservação de energia uma vez que estamos apenas a considerar que a única força aplicada no corpo é a força gravítica: + +$$ +\begin{darray}{ll} +E_{Total} = \text{const} \implies \frac{1}{2}\,m\,v_i^2 = \frac{1}{2}\,m\,v_f^2 + mgh_{max} +\end{darray} +$$ + +como $\, v_f = 0 \,$ então: + +$$ +\begin{darray}{ll} +\frac{1}{2}\,m\,v_i^2 = mgh_{max} \iff h_{max} = \frac{v_i^2}{2g} +\end{darray} +$$ + +A energia cinética transforma-se em potencial. +::: + +:::info[Exemplo 2] + +**Uma pedra foi lançada ao ar com velocidade extremamente grande. +Qual a velocidade de escape, isto é, a velocidade mínima para chegar ao infinito?** + +Usamos novamente a conservação de energia considerando apenas a força gravítica como força aplicada à pedra: + +$$ +\begin{darray}{ll} +E_{Total} = const \implies \frac{1}{2}\,m\,v_i^2 - \frac{GM_Tm}{R_T} = \frac{1}{2}\,m\,v_f^2 - \frac{GM_Tm}{R_\infty} +\end{darray} +$$ + +como $\, \frac{1}{\infty} = 0 \,$ e $\, v_f = 0 \,$ então: + +$$ +\begin{darray}{ll} +\frac{1}{2}\,m\,v_i^2 - \frac{GM_Tm}{R_T} = 0 \iff v_i^2 = \frac{2GM_T}{R_T} +\end{darray} +$$ + +Como o raio e massa da Terra são valores conhecidos é possível calcular a +velocidade de escape um corpo na Terra $\, v_i \backsimeq 11 \,\op{km/s} \,$, +ignorando a rotação da Terra. + +A velocidade de escape de um buraco negro é igual à velocidade da luz. +::: diff --git a/content/fis-i/0005-momentum.md b/content/fis-i/0005-momentum.md new file mode 100644 index 00000000..a0d632e0 --- /dev/null +++ b/content/fis-i/0005-momentum.md @@ -0,0 +1,246 @@ +--- +title: Momento +description: >- + Momento Linear. + Centro de Massa. + Corpo Rigido: Momento de Inércia. + Momento Angular. + Momento de Forças. +path: /fis-i/momentum +type: content +--- + +# Momento + +```toc + +``` + +## Momento Linear + +Vimos anteriormente uma quantidade conservada. +Vamos agora ver outra, desta vez para um sistema isolado. + +:::tip[Momento Linear] +Definimos o momento linear como: + +$$ +\begin{darray}{ll} +\vec{P} = m\,\vec{v} +\end{darray} +$$ + +::: + +A lei de Newton diz que + +$$ +\begin{darray}{ll} +\vec{F} = \frac{\partial \vec{P}}{\partial t} \iff \vec{F} = m\,\vec{a} \quad\text{,\quad se }\;\; m = \op{const} +\end{darray} +$$ + +recuperando assim a lei de Newton a que estamos habituados. + +### Sistemas Isolados + +Olhemos agora para um sistema isolado do exterior: + +![Sistema Fechado](./assets/0005-closed-system2.png#dark=2) + +Como o sistema está isolado, a força que $m_2$ aplica a $m_1$ é acompanhada por uma força simétrica de $m_1$ sobre $m_2$, isto é + +$$ +\begin{darray}{ll} +\sum \vec{F_i} = \vec{F_{12}} + \vec{F_{21}} = \vec{0} \quad \text{(3ª lei de Newton)} +\end{darray} +$$ + +ou seja + +$$ +\begin{darray}{ll} +\frac{\partial}{\partial t}[m_1\vec{v_1} + m_2\vec{v_2}] = 0 \implies \vec{P_T} = \op{const} +\end{darray} +$$ + +Quando consideramos um objeto a cair na Terra geralmente vemos que o seu momento não se conserva porque não estamos a considerar a Terra no nosso sistema, do qual a Terra teria de fazer parte para para o momento do sistema se conservar. + +### Colisões + +#### Colisões (Totalmente) Inelásticas + +Uma [colisão inelástica](color:green) é aquela em que há **perda** de +energia cinética do sistema. Quando ocorre uma perda máxima de energia cinética, +isto é, quando ambos os corpos ficam com a mesma velocidade, dá-se o nome de +colisão **totalmente** inelástica. + +:::info[Exemplo] + +![Colisão Inelástica](./assets/0005-completely-inelastic-colision.png#dark=2) + +Numa colisão totalmente inelástica, a velocidade final das duas massas é igual. +Além disso, como estamos perante um sistema isolado, o momento linear, $P$, também +se conserva. Considerando que ambas as esferas têm igual massa (i.e. $m_1 = m_2$) +e que a esfera 2 está em repouso inicialmente, temos, + +$$ +\begin{aligned} +P_i = P_f &\Leftrightarrow m_1 v_{1,i} + m_2 v_{2,i} = m_1 v_{1,f} + m_2 v_{2,f} \\ +&\Leftrightarrow mv_i = 2mv_f \\ +&\Leftrightarrow v_f = \frac{v_i}{2} +\end{aligned} +$$ + +Podemos agora descobrir qual foi a variação de energia (cinética) do sistema: + +$$ +\begin{darray}{l} +E_i = \frac{1}{2}mv_i^2 \\\\ +E_f = 2 \left(\frac{1}{2}mv_f^2\right) = m\left(\frac{v_i}{2}\right)^2 = \frac{1}{4}mv_i^2 \\\\ +\Delta E = E_f - E_i +\end{darray} +$$ + +::: + +#### Colisões Elásticas + +Uma [colisão elástica](color:orange) é aquela em que há **conservação** de +energia cinética do sistema. + +:::info[Exemplo] + +Consideremos uma colisão elástica entre duas bolas de bilhar uma +com velocidade inicial $v_i$ e outra parada. +Observa-se uma colisão frontal que, como é elástica, conserva a energia cinética. + +![Colisão Elástica](./assets/0005-completely-elastic-colision.png#dark=2) + +Sabemos que $P$ é constante e a energia cinética é conservada, logo + +$$ +\begin{cases} +mv_i = mv_1 + mv_2\\ +\frac{1}{2}mv_i^2 = \frac{1}{2}mv_1^2 + \frac{1}{2}mv_2^2 +\end{cases} +\iff +\begin{cases} +v_i = v_1 + v_2\\ +v_i^2 = v_1^2 + v_2^2 +\end{cases}\\ +\,\\ +\implies\\ +\,\\ +\begin{darray}{cc} +v_1 = 0\\ +\text{As esferas colidem}\\ +v_2 = v_i +\end{darray} +\;\vee\; +\begin{darray}{cc} +v_2 = 0\\ +\text{Não existe colisão}\\ +v_1 = v_i +\end{darray} +$$ + +::: + +:::tip[Colisão Elástica (Geral)] +Para uma colisão elástica em que os corpos têm massa diferente + +$$ +\begin{cases} +m_1v_1 + m_2v_2 = m_1v_1^* + m_2v_2^*\\ +\frac{1}{2}m_1v_1^2 + \frac{1}{2}m_2v_2^2 = \frac{1}{2}m_1{v_1^*}^2 + \frac{1}{2}m_2{v_2^*}^2 +\end{cases}\\ +\,\\ +\iff\\ +\,\\ +\begin{darray}{cc} +v_1^* = \frac{m_1 - m_2}{m_1 + m_2}v_1 +\quad \vee \quad +v_2^* = \frac{2m_1}{m_1 + m_2}v_1 +\end{darray} +$$ + +::: +:::tip[Nota] +Se $\quad m_1 = m_2 \implies v_2^* = v_1 \quad\text{e}\quad v_1^* = 0$ + +Se $\quad m_1 \ll m_2 \implies v_2^* = 0 \quad\text{e}\quad v_1^* = -v_1$ +::: + +## Centro de Massa + +O momento linear de pende do referencial + +![Referencial](./assets/0005-center-of-mass.png#dark=2) + +$$ +\begin{darray}{cc} +\vec{R}\left(t\right) = \vec{R}_o\left(t\right) + \vec{R}_\alpha\left(t\right)\\ +\,\\ +\vec{v} = \frac{\partial \vec{R}}{\partial t} = \frac{\partial \vec{R}_o}{\partial t} + \frac{\partial \vec{R}_\alpha}{\partial t} = \vec{v}_{ref} + \vec{v}_\alpha +\end{darray} +$$ + +logo, + +$$ +\begin{darray}{cc} +\vec{P} = \sum m_i\vec{v}_i = \left(\sum m_i\right)\vec{v}_{ref} + \sum m_i\vec{v^*}_i +\end{darray} +$$ + +Ao escolher o referencial com o centro no centro de massa temos que $\,\sum m_i\vec{v^*}_i = 0\,$. +Em relação a este sistema o objeto, composto por várias partículas, move-se como um único ponto: + +$$ +\begin{darray}{cc} +\vec{P} = M_{Total}\,\vec{v}_{CM} +\end{darray} +$$ + +e portanto também sujeito às leis de Newton + +$$ +\begin{darray}{cc} +\vec{F} = \frac{\partial \vec{P}}{\partial t} = M_{Total}\,\vec{a}_{CM} +\end{darray} +$$ + +Disto podemos também definir + +$$ +\begin{darray}{cc} +M_{Total} = \sum m_i +\end{darray} +\quad\text{,}\quad +\begin{darray}{cc} +\vec{v}_{CM} = \frac{\sum m_i\vec{v}_i}{M_{Total}} +\end{darray} +\quad\text{,}\quad +\begin{darray}{cc} +\vec{R}_{CM} = \frac{\sum m_i\vec{R}_i}{M_{Total}} +\end{darray} +$$ + +## Corpo Rígido: Momento de Inércia + +:::warning[Secção Incompleta] +De momentos não existem conteúdos nesta secção. Aceitam-se contribuições. +::: + +## Momento Angular + +:::warning[Secção Incompleta] +De momentos não existem conteúdos nesta secção. Aceitam-se contribuições. +::: + +## Momento de Forças + +:::warning[Secção Incompleta] +De momentos não existem conteúdos nesta secção. Aceitam-se contribuições. +::: diff --git a/content/fis-i/assets/0004-polar-coordinates-work.png b/content/fis-i/assets/0004-polar-coordinates-work.png new file mode 100644 index 00000000..e7ba2e81 Binary files /dev/null and b/content/fis-i/assets/0004-polar-coordinates-work.png differ diff --git a/content/fis-i/assets/0004-work-complex-movement.png b/content/fis-i/assets/0004-work-complex-movement.png new file mode 100644 index 00000000..1ff57bc9 Binary files /dev/null and b/content/fis-i/assets/0004-work-complex-movement.png differ diff --git a/content/fis-i/assets/0004-work-simple.png b/content/fis-i/assets/0004-work-simple.png new file mode 100644 index 00000000..e1aafc73 Binary files /dev/null and b/content/fis-i/assets/0004-work-simple.png differ diff --git a/content/fis-i/assets/0005-center-of-mass.png b/content/fis-i/assets/0005-center-of-mass.png new file mode 100644 index 00000000..5a3f2084 Binary files /dev/null and b/content/fis-i/assets/0005-center-of-mass.png differ diff --git a/content/fis-i/assets/0005-closed-system2.png b/content/fis-i/assets/0005-closed-system2.png new file mode 100644 index 00000000..f6423ca2 Binary files /dev/null and b/content/fis-i/assets/0005-closed-system2.png differ diff --git a/content/fis-i/assets/0005-completely-elastic-colision.png b/content/fis-i/assets/0005-completely-elastic-colision.png new file mode 100644 index 00000000..5a6c4cc6 Binary files /dev/null and b/content/fis-i/assets/0005-completely-elastic-colision.png differ diff --git a/content/fis-i/assets/0005-completely-inelastic-colision.png b/content/fis-i/assets/0005-completely-inelastic-colision.png new file mode 100644 index 00000000..91e090cc Binary files /dev/null and b/content/fis-i/assets/0005-completely-inelastic-colision.png differ