Problemas resolvidos: Mecânica
Neste texto estão alguns problemas de mecânica (alguns ditos “clássicos”) e suas soluções. O objetivo não é simplesmente resolver os problemas, mas mostrar os detalhes do raciocínio das soluções (tentei detalhar o máximo possível as soluções). Escolhi os problemas de forma a abordar o máximo possível dos tópicos de mecânica (embora muitos tenham ficado de fora). Devo alertar que as formas de solução apresentadas aqui não são as únicas possíveis, mas foram as que julguei melhores.
Problema 1:
(ITA 2009) Um barco leva 10 horas para subir e 4 horas para descer um mesmo trecho do rio Amazonas, mantendo constante o módulo de sua velocidade em relação à água. Quanto tempo o barco leva para descer esse trecho com os motores desligados?
Resolução:
Inicialmente deve-se perceber que existem dois referenciais a serem analisados: o em repouso em relação à margem e o em repouso em relação à água.
Quando o barco sobe, pelo referencial da margem, o barco sobe a uma velocidade de módulo v1, mas a água desce a uma velocidade de módulo v2 (o barco está indo contra a correnteza). Ou seja, se tomarmos o referencial em que a água está em repouso, o barco terá uma velocidade de módulo V = v1+v2. Como a velocidade, nesse caso, é a razão entre o espaço percorrido e o tempo que se levou para isso, tendo que o trecho tem comprimento S,
Perceba que subtraímos a magnitude de v2 de V para chegar a v1. Isso porque a velocidade do barco em relação à margem é a resultante vetorial da velocidade do barco em relação à água e da água em relação à margem. Ou seja, v1 = V+v2 (em termos vetoriais).
Já, quando o barco desce, o módulo da velocidade do barco em relação à margem (v3) será a velocidade da água mais a velocidade do barco em relação à água. Ou seja, v3 = V+v2. Da mesma forma que na subida:
Desejamos saber em quanto tempo (t) o barco desce o trecho de comprimento S com os motores desligados. Como eles estão desligados, o barco fica em repouso em relação à água e, como a água desce a uma velocidade v2 em relação à margem, a velocidade do barco em relação à margem é v4 = v2. Assim:
Para reduzir o número de expressões e variáveis, podemos subtrair a equação (1) da (2):
Usando a equação (3), temos:
Ou seja, o intervalo de tempo, t, em que o barco leva para descer o trecho com os motores desligados é 13 horas mais um terço de hora, que quer dizer: 13 horas e 20 minutos.
Problema 2:
(OBF 2008 segunda fase) Um bloco de massa m é liberado do repouso sobre um plano inclinado de uma altura H. O bloco desliza sobre o plano com atrito desprezível até sua base, quando então desliza sobre uma superfície rugosa com coeficiente de atrito cinético μ, chocando-se com uma mola de constante elástica k, comprimindo-a de x e parando momentaneamente; a mola em seguida se distende, arremessando o corpo de volta ao plano inclinado e esse sobe a uma altura h. A distância percorrida pelo corpo sobre a superfície rugosa até o momento do repouso momentâneo é igual a d. Qual a expressão que determina a altura h que o corpo sobe?
Resolução:
Nesse problema ocorre algo incomum, mas interessante: existem informações desnecessárias para a resolução. De certa forma, isso faz parte do problema e deve-se perceber o que realmente é necessário para resolver o problema.
Outro ponto que deve ser percebido é que o problema pode ser “simples” ou “complexo”. Entre aspas, pois não digo isso no sentido de fácil percepção de como solucionar, mas no de dificuldade matemática. Pode-se tentar formular uma solução em termos de forças, mas isso se torna particularmente complexo quando o bloco atinge a mola, pois se tem uma força variável (elástica) e a força de atrito, que muda de sentido quando movimento inverte de sentido. Mas pode-se tentar formular em termos de energia e essa formulação torna o problema muito menos trabalhoso e, por isso, faremos a solução dessa forma.
Como estamos trabalhando com energia, deve-se perceber quais são as forças conservativas e não conservativas do sistema. Apenas a força de atrito é não conservativa e isso quer dizer que só ela pode, nesse caso, tirar energia mecânica do sistema. Ou seja, reduzimos o problema a encontrar qual expressão dá a energia dissipada pelo atrito, pois a energia restante será a energia cinética do bloco ao “pé” da rampa e se transformará em potencial gravitacional ao final do processo.
O problema diz que a distância entre o final da rampa e o ponto em que o bloco fica em repouso momentâneo é d. Ou seja, o bloco fica sobre ação da força de atrito num percurso de distância 2d (ida e volta). Como a força de atrito é F = μmg (F= μN, onde N é a força normal), a energia total dissipada pela força de atrito será τ = -μmg.2d (negativo, pois se está tirando energia do sistema). Assim, a energia cinética mv²/2 quando o bloco voltar ao “pé” da rampa será mv²/2 = mgH- μmg.2d. Mas perceba que toda essa energia se transformará em energia potencial gravitacional e elevará o bloco à altura h procurada. Ou seja:
Que é o que se procurava. Perceba que, das seis informações dadas no problema, só foram realmente necessárias três. Veja também que a função da mola foi de apenas mudar o sentido do movimento, para que o bloco retornasse à rampa, e que a solução independe da massa.
Com base nesse problema, pode-se criar outro: qual o coeficiente de atrito máximo tal que o bloco chegue ao “pé” da rampa?
Veja que, nesse novo caso, queremos minimizar a altura h (h=0). Ou seja, que o bloco chegue ao “pé” da rampa com energia mecânica nula. Dessa forma:
Que, como o resultado anterior, também não depende da massa.
Problema 3:
(OBF 2008 segunda fase) Duas partículas, uma de massa m e velocidade v, e outra de massa 2m e velocidade v/2, movem-se perpendicularmente sobre uma superfície horizontal lisa como mostra a figura. Num determinado instante atuam, sobre estas partículas, forças de igual módulo, direção e sentido. Quando estas forças deixam de atuar, a primeira partícula adquire um movimento perpendicular à sua direção inicial, sendo o módulo da velocidade, o mesmo. Qual o módulo da velocidade adquirida pela segunda partícula?
Resolução:
O problema admite duas interpretações, pois a partícula de massa m pode ter sido desviada para cima ou para baixo, mas solucionaremos o problema admitindo que ela foi desviada para baixo.
Deve-se perceber que a definição F = ma (o negrito indica vetores) não é a mais apropriada nesse caso. De forma geral, para uma força constante, a segunda lei de Newton é dada por F = ∆p/∆t, ou seja, F. ∆t = I = ∆p, onde ∆p é a variação de momento linear (quantidade de movimento) e I o impulso. Veja que, como se está tratando de duas forças de mesma intensidade, direção e sentido num mesmo intervalo de tempo, têm-se um mesmo impulso. Sabe-se que a velocidade final da partícula de massa m é perpendicular à inicial e com mesma intensidade. Dessa forma, a variação de momento linear (impulso) é:
Como |vf| = |vi| e o ângulo formado entre os vetores é 90° (perceba que I é a hipotenusa do triângulo retângulo em que pi e pf são os catetos):
Os impulsos de ambas as partícula são iguais, como já dito. Assim:
Podemos usar a lei dos co-senos para encontrar o resultado, mas antes devemos determinar o ângulo entre I e 2mvi2. No resultado anterior, | pi| = | pf| e esses são perpendiculares. Já que I é a hipotenusa do triângulo em pi e pf são os catetos, o ângulo entre pf e I é de 45°. Como pf tem mesma direção e sentido que pi2, o ângulo entre I e pi2 também é de 45°. Dessa forma:
Que é o que se procurava.
Problema 4:
(OBF 2006 segunda fase) Uma escada tem 3,0m de comprimento, massa de 15kg e centro de massa a 1,5 m das extremidades. Estando disposta horizontalmente no chão, um pintor, para usá-la, ergue-a e encosta-a na parede formando um ângulo α de 53° com o chão, como mostrado. A parede é perfeitamente lisa, mas o piso não deve permitir o escorregamento da escada. Nessas condições, calcule:
Dados: sen 53°=cos 37°=4/5 e cos 53°=sen 37°=3/5
a) o valor do trabalho realizado pelo pintor para posicioná-la na parede;
Resolução:
Como é conhecida a posição do centro de massa, pode-se reduzir o problema a encontrar o trabalho necessário para elevar uma partícula de 15kg à altura em que o centro de massa se encontra. Essa altura é dada por h=1,5. sen 53°=(15/10).(4/5)=3.4/10=1,2 m, pois é o cateto oposto do triângulo em que a metade da escada é a hipotenusa. Assim, o trabalho realizado pelo pintor é:
b) o menor valor para o coeficiente de atrito estático entre a escada e o piso que impede o início do escorregamento da escada.
Resolução:
O sistema é estático e isso implica que as resultantes das forças e dos torques devem ser nulas (condições do equilíbrio). Assim, a força peso é anulada pela força normal que o chão aplica sobre a escada e a força de atrito é anulada pela força normal aplicada pela parede (figura).
Como já dito, N1 = -P e N2 = -Fat. O torque também deve se anular, mas precisamos tomar um ponto de referência para determinar o torque. O ponto que torna a análise mais simples é o “pé” da escada, então, vamos tomá-lo. Veja que as forças não são perpendiculares à direção em que a escada está disposta, mas somente as componentes perpendiculares a essa direção contribuem para o torque. Dessa forma, podemos decompor os vetores P e N2 de forma a terem uma componente na direção desejada.
Ou seja, as componentes que contribuem para o torque são P.cos α e N2sen α. Não é necessário considerar Fat e N1, pois esses vetores são aplicados no ponto tomado como referência para calcular o torque, ou seja, d = 0. Assim, sendo x o tamanho da escada:
Essa força é igual à força de atrito que, por sua vez, é igual a N1.μ. Ou seja:
Que é o que se procurava.
Problema 5:
Um carrinho de montanha russa parte do ponto A, onde possuía velocidade inicial nula, a uma altura h (como indicado na figura) e realiza um “loop” de raio R Considerando que o carrinho realiza todo o percurso sem sofrer influência de forças de atrito, qual deve ser a altura h mínima, em função de R, tal que isso seja possível?
Resolução:
Em uma primeira impressão, pode ocorrer de pensar que a altura será 2R, pois toda a energia potencial gravitacional estaria novamente na forma de energia potencial gravitacional quando chegasse ao ponto mais alto do “loop”. Mas veja que isso implicaria que a velocidade, nesse ponto mais alto, seria nula e o carrinho realizaria uma queda livre. Perceba também que é impossível o carrinho chegar ao ponto mais alto com velocidade nula, pois violaria a lei da inércia. Então existe certa velocidade quando o carrinho chega ao ponto mais alto. Ou seja, deve-se encontrar qual a velocidade mínima no ponto considerado para que seja possível realizar o “loop”.
A força que age sobre o carrinho no ponto mais alto é centrípeta. Ou seja:
Contribuem para a resultante centrípeta a força peso e a força normal. Assim:
Mas queremos minimizar v. Assim, como a força peso não pode se alterar, a velocidade v é mínima quando N=0. Dessa forma:
Perceba que a condição N=0 significa que o carrinho “não toca” (exerce força nula sobre o trilho) momentaneamente o trilho.
Já que a velocidade não é nula, a energia final será E = mgh = mg2R + mv²/2. Assim, com (1):
Que o que se procurava. Um fato interessante é que o resultado independe da massa. Ou seja, qualquer que seja o carrinho, em situações ideais, a altura mínima para que ele realize o “loop” será cinco meios do raio.
Problema 6:
Um canhão dispara um projétil de massa m e quando esse alcança a altura máxima um pequeno explosivo faz com que ele se parta em duas partes de massas iguais. Os fragmentos são lançados a uma velocidade de módulo v, em relação ao centro de massa, numa direção perpendicular a da trajetória que realizavam e paralela ao solo. Sabendo que a velocidade do projétil na altura máxima, antes da cisão, era V e que essa altura máxima é atingida a uma distância horizontal d do canhão:
a) Qual a distância entre algum dos fragmentos e o canhão quando os fragmentos atingem o solo?
Resolução:
Uma forma de resolver a questão é usando a conservação do momento linear. Embora essa grandeza não se conserve verticalmente (por razão da força gravitacional, que é externa ao sistema), ela se conserva no sentido horizontal, pois não há forças externas agindo sobre o sistema nessa direção. Chamaremos a direção horizontal paralela à trajetótia que o projétil realizava de y, a perpendicular à trajetória e paralela ao solo de x e a vertical de z (na verdade, se estará usando um sistema de eixos ortogonais x,y e z).
A conservação do momento linear na horizontal implica que o movimento do centro de massa do projétil nessa direção é retilíneo uniforme. Já na vertical existe a força da gravidade e, como a força “aplicada” (o centro de massa, no caso, não coincide com nenhum dos fragmentos) ao centro de massa é a soma das forças externas ao sistema, temos que o centro de massa é uma “partícula” de massa m em que é aplicada uma força F=(m/2)g+(m/2)g=mg. Ou seja, a aceleração do centro de massa é g (com direção vertical e sentido descendente). Dessa forma, conclui-se que o movimento do centro de massa é exatamente o mesmo que o projétil faria caso não ocorresse a cisão.
Na direção x, também não há força externa e, assim, o momento linear também se conserva nessa direção. Como já se sabe que a velocidade do centro de massa na direção y é constante, podemos fazer uma troca de referencial inercial e tomar o que faz o centro de massa ter velocidade zero na direção y. Com isso, é fácil perceber que o movimento realizado pelos fragmentos, nesse novo referencial, é o de corpos lançados horizontalmente com velocidade v na direção x. Ou seja, é possível descobrir a que distância do centro de massa esses fragmentos caem. Para isso, basta saber o tempo de queda, pois s=vt, onde s é a distância entre algum dos fragmentos e o centro de massa quando os fragmentos chegam ao solo e t o tempo de queda do corpo.
O tempo de queda é exatamente o mesmo tempo que se levou para o projétil chegar à altura máxima. Logo, t=d/V. Assim:
Por simetria, a distância entre o centro de massa dos fragmentos e o canhão, quando os fragmentos chegam ao solo, é 2d. Conhecendo a distância entre esse centro de massa e alguns dos fragmentos (as distâncias são iguais por simetria), podemos, agora, encontrar a distância entre algum dos fragmentos e o canhão através do teorema de Pitágoras (a distância entre o canhão e o centro de massa é um cateto e a distância entre o centro de massa e algum dos fragmentos é outro cateto). Assim:
Onde D é a distância procurada.
b) Qual deve ser a energia cinética total, em relação ao centro de massa dos fragmentos, transmitida a esses, tal que as posições dos fragmentos, ao atingirem o solo, junto à do canhão formem um triângulo eqüilátero?
Resolução:
A condição a ser satisfeita nesse caso, é a de que a distância entre o centro de massa e algum dos fragmentos deverá ser metade da distância entre o canhão e algum dos fragmentos. Ou seja, s=D/2 ou D=2s. Assim, como s=vd/V:
Essa é a velocidade dos fragmentos em relação ao centro de massa no momento da cisão. Assim, como a energia total transmitida aos fragmentos é a soma de suas energias cinéticas em relação ao centro de massa:
Onde Et é a energia transmitida aos fragmentos em relação ao centro de massa.
Problema 7:
(UFSCar-SP adaptada) No sistema da figura abaixo, os fios são inextensíveis, as polias sem massa e as superfícies sem atrito. O ângulo que a hipotenusa da superfície de seção triangular faz com a horizontal é de 30°. Sabendo que a relação entre as massas dos corpos A e B é mA/mB = 1/2:
a) a relação aA/aB entre as acelerações dos corpos A e B;
Resolução:
Um detalhe dessa questão é que se deve levar em consideração o vínculo entre os blocos. Perceba que, se o bloco A desliza uma distância x ao longo do plano inclinado, o bloco B desce de x⁄2. Como isso é sempre válido, a velocidade do bloco B será sempre a metade da do bloco A e, assim, se a velocidade de A varia ∆v em um intervalo de tempo ∆t, a velocidade de B, no mesmo intervalo de tempo, terá que variar ∆v⁄2, para manter a proporção. Ou seja, a aceleração do bloco B é a metade da do bloco A (respondendo a letra a).
Em verdade, a solução dessa primeira parte pode ser encontrada de forma mais rigorosa através de ferramentas fornecidas pelo Cálculo. Considerando o vínculo, onde, quando o bloco A desloca uma distância x ao longo do plano, o bloco B desloca x⁄2, vê-se que xA=2xB, onde xA=x (distância percorrida por A ao longo do plano) e xB=x/2 (distância percorrida pelo bloco B). Assim, derivando ambos os lados em relação ao tempo, tem-se:
Derivando novamente em relação ao tempo:
Que é o mesmo resultado conseguido anteriormente, mas usando o fato de que a velocidade é a derivada de primeira ordem do espaço em relação ao tempo e que a aceleração é a derivada de segunda ordem do espaço em relação ao tempo.
b) a aceleração dos corpos A e B.
Resolução:
Temos que 2mA=mB. Além disso, a força resultante sobre o bloco A é F=T-PA sin (30°), onde PA é o peso do bloco A e T a tensão da corda, e a força resultante sobre o bloco B é F’=PB-2T, onde PB é o peso do corpo B. Como F=mAaA e F’= mBaB=2mAaA/2= mAaA, tem-se F=F’ e, assim:
Conhecendo a tensão T, pode-se, agora, descobrir as acelerações através das equações já conhecidas:
Que é um dos resultados procurados.
Já se sabe que aB=aA/2. Assim:
Que é o outro resultado procurado.
Problema 8:
(OBF 2006 terceira fase) Dois aviões de combate A e B voam em trajetória retilínea e horizontal e estão alinhados. Estando distanciados 600m um do outro, o que vem atrás inicia uma seqüência de disparos contra o outro, à razão de 1 projétil a cada um quarto de segundo. A velocidade dos projéteis vP/A, relativamente ao avião A, é constante e igual a 500m/s e, como o tempo de seu percurso é muito curto, o efeito de queda do projétil pela gravidade é irrelevante na análise desta situação. Considerando que o avião que vem por trás voa com uma velocidade vA=100m/s, que a velocidade do da frente é vB=120 m/s, e que essas velocidades são constantes, calcule:
a) o tempo que o primeiro projétil disparado leva para atingir o avião que vai à frente.
Resolução:
Como o avião A está a uma velocidade constante, podemos fazer uma troca de referencial e tomar um onde a velocidade do avião A seja nula. Nesse caso, a velocidade do avião B será 120-100=20 m/s (velocidade relativa do avião B em relação ao A).
Como queremos o ponto de encontro entre o primeiro disparo e o avião B, devemos igualar a função horária do projétil com a do avião B. No caso, tomemos a posição do avião A como sendo a origem do sistema e, assim, a posição inicial do avião B é x0=600 m. Ou seja, a função horária do avião B é x=600+20t e a do projétil é x=500t. Dessa forma, igualando as funções horárias, temos:
Que é o tempo procurado.
b) a distância entre dois projéteis lançados consecutivamente.
Resolução:
Tomando o mesmo referencial do problema anterior, basta saber a distância percorrida pela bala em 1⁄4 s. Ou seja, tomando a função horária do projétil, já conhecida:
Que é o resultado procurado.
c) o número de projéteis, por segundo, que atinge a aeronave da frente.
Resolução:
Uma forma de resolver esse problema é percebendo a semelhança desse problema com o problema de ondas em que se mede a freqüência em referenciais com velocidades diferentes. Ou seja, podemos resolver o problema como se fosse um problema de efeito Doppler. Escolheremos como referencial um onde o avião B está em repouso. Assim, a velocidade do avião A em relação ao B é 100-120=-20 m/s (o avião A se afasta a uma velocidade de 20 m/s). E a velocidade do projétil em relação ao avião B é 500+(-20)=480 m/s.
A onda análoga ao sistema dado é uma com freqüência f=4Hz (quatro disparos por segundo) e comprimento de onda 125 metros, no referencial do avião A. No caso, o que se mantêm constante nos dois referenciais (o que o avião A está em repouso e o que o avião B está em repouso) é o comprimento de onda (ambos os aviões medem a distância entre dois projéteis consecutivos como sendo 125 m). Assim, podemos usar a relação fundamental da ondulatória:
Sabemos a velocidade da “onda” no referencial do avião A e sua freqüência. E também sabemos a velocidade da “onda” no referencial do avião B. Assim, igualando os comprimentos de onda, podemos descobrir a freqüência da “onda” em B (quantidade de disparos que B recebe por segundo):
Que é a quantidade procurada.
Mas também é possível resolver o problema sem conhecimentos de ondulatória. Como a velocidade relativa entre o avião B e algum projétil é 480 m/s e a distância entre dois projéteis consecutivos é de 125 m, basta saber em quanto tempo um projétil percorre os 125m nessa velocidade. Assim:
Esse é o intervalo de tempo em que, após um projétil ter chegado em B, outro chegue, em seguida. Ou seja, o intervalo de tempo entre a chegada de dois disparos consecutivos. Multiplicando esse intervalo de tempo por um número de disparos, teremos o intervalo de tempo em que se leva para esses disparos chegarem ao avião B. Em particular, para 96 projéteis chegarem em B, leva-se ∆t'=∆t∙96=25 s. Ou seja, 96 projéteis a cada 25 segundos. Ou 96⁄25=3,84 projéteis a cada segundo, que é o mesmo resultado encontrado anteriormente.
Ivan Eugênio da Cunha





























