Física na Universidade para as Ciências Físicas e da Vida - Vol. 1

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A Física é uma disciplina normalmente associada aos cursos de graduação da área de Exatas, mas esta obra desmistifica sua aplicação por ser voltada ao público de Ciências Físicas e da Vida. Estudantes e docentes da área da Saúde, como Medicina, Biologia ou Farmácia irão se beneficiar da abordagem diferenciada de Física na Universidade para as Ciências Físicas e da Vida. Em quatro volumes, o livro traz a teoria explicitada por meio de exemplos e demonstrações da fisiologia e do mundo natural, para se chegar à compreensão da Física. Temas referentes ao cotidiano, fenômenos naturais e mesmo esportes são utilizados na aplicação dos conceitos físicos. 

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11 capítulos

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1 - Física: Uma Introdução

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(Masterfile)

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Física: Uma Introdução

Você pode se surpreender ao saber quanto de física você já conhece ou, pelo menos, já tenha experimentado, justamente porque você já vive no mundo há algum tempo!

Provavelmente, você já observou uma bola rolar descendo uma rampa ou percebeu o reflexo de algo (talvez um beija-flor) na superfície brilhante de uma lagoa. Talvez você tenha andado em uma montanha-russa que realiza um trajeto vertical de 360º ou tenha praticado bungee-jump. E, talvez, você tenha se maravilhado ao constatar como o seu cérebro detecta a aceleração de seu corpo ou como uma imagem detalhada de seus

órgãos internos pode ser gerada de forma não invasiva. Como o azul iridescente das penas de um beija-flor, a física está escondida por detrás de muitas coisas que encontramos no mundo ao nosso redor esperando por você para explorá-la.

1-1

1-2

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1-6

Falando de Física

Grandezas Físicas e Unidades

 

2 - Movimento Linear

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(Steve RomanoVelocity Media Systems)

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Movimento Linear

Quando um objeto se movendo em linha reta se acelera (isto é, quando sua velocidade é alterada), a distância percorrida por unidade de tempo pode variar dramaticamente.

Embora as três imagens superpostas do leopardo tenham sido capturadas a intervalos de tempo uniformes, pode-se perceber que o felino, no segundo intervalo de tempo, se move bem mais rápido do que no primeiro. A velocidade do felino está aumentando, em outras palavras, ele se acelera. O leopardo não apenas está mais rápido, ele também é capaz de, rapidamente, acelerar seu corpo até sua velocidade máxima.

2-1 Movimento com Velocidade

Constante

2-2 Aceleração

2-3 Movimento Sujeito a Aceleração

Constante

2-4 Gravidade na Superfície da Terra

N

enhum animal terrestre corre mais rápido do que um leopardo. Os felinos atingem velocidades que chegam a 45 ms (100 mih)! De outro lado, movendo-se a uma taxa de apenas 8 cmh, as lesmas (Figura 2-1) estão entre os animais mais lentos da Terra. Nas próximas seções, serão apresentadas a abordagem e as definições das variáveis utilizadas para descrever o movimento.

 

3 - Movimento em Duas Dimensões

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(Martin Rietze/www.mrietze.com)

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Movimento em

Duas Dimensões

Quando pedaços de lava derretida são lançados ao ar durante uma erupção vulcânica, eles ficam sujeitos a uma aceleração devido à gravidade — porém, apenas na direção vertical. A trajetória parabólica resultante seguida pelos fragmentos é uma característica específica de tudo o que é lançado nas proximidades da superfície da Terra.

3-1 Movimentos Horizontal e Vertical

O

3-4 Movimento de Projéteis

3-5 Movimento Circular Uniforme

Independentes

3-2 Vetores

3-3 Componentes Vetoriais: Adição de

Vetores, Análise por Componente

s arcos brilhantes dos fogos de artifício em contraste com o céu traçam uma trajetória similar à das correntes de água lançadas de uma fonte (Figura

3-1a) e do voo gracioso resultante do salto de um bailarino (Figura 3-1b). Por que o movimento sujeito à influência da gravidade segue essa curva específica?

Neste capítulo, apresenta-se o movimento em duas dimensões e as formas de estudá-lo e caracterizá-lo.

 

4 - Leis de Newton do Movimento

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(Mar Photographics/Alamy.)

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Leis de Newton do

Movimento

Em uma disputa com cabo de guerra duas equipes puxam as extremidades de uma corda em sentidos opostos. Quando uma das equipes puxa com mais força do que a outra, a bandeira amarrada no meio da corda começa a se mover, isto é, ela é acelerada. Porém, se as duas equipes puxam igualmente a corda, a bandeira não se move. A grandeza física que determina como a bandeira se move a partir de sua posição estacionária inicial é chamada força, e possui magnitude, direção e sentido. Portanto, forças idênticas atuando em sentidos opostos se cancelam. A força é uma grandeza vetorial!

N

4-1

4-2

4-3

4-4

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4-6

Primeira Lei de Newton

Segunda Lei de Newton

Massa e Peso

Diagramas de Corpo Livre

Terceira Lei de Newton

Força, Aceleração, Movimento

os capítulos anteriores, foram descritas algumas características do movimento sem mencionar suas causas. Por exemplo, foi mostrado que a imagem gerada pelos fogos de artifício é a de um arco parabólico que cruza o céu devido às componentes horizontal e vertical de sua aceleração — porém, qual

 

5 - Aplicações das Leis de Newton

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5

Aplicações das

Leis de

Newton

5-1 Atrito Estático

5-2 Atrito Cinético

5-3 Trabalhando com Atrito

5-4 Força de Arrasto

5-5 Forças e o Movimento

Circular Uniforme

(Ocean/Corbis.)

Uma acrobata suporta seu próprio peso em uma corda suspensa. A gravidade exerce uma força sobre seu corpo, porém, ela não se acelera para baixo, o que significa que a soma das forças verticais atuantes sobre ela deve ser igual a zero. Uma segunda força, entre a acrobata e a corda, resiste ao seu movimento. Note que ela torceu a corda no entorno de sua perna. A força de atrito que surge da grande área de contato entre a corda e seu corpo é suficiente para suportar todo o seu peso contra a ação da gravidade.

I

magine um grupo de pessoas empurrando um carro que ficou sem combustível. Mesmo sabendo que elas exercem uma força considerável sobre o veículo, este pode não se mover. Antes de justificar a ausência de movimento pelo simples fato do veículo possuir massa, considere o que estabelece a segunda lei de Newton, isto é, se a soma das forças atuantes não for igual a zero, o carro se acelerará a partir de sua posição inicial de repouso. Alguma força deve, portanto, se opor à força exercida pelas pessoas. Na Figura 5-1, um competidor dos Jogos Olímpicos de Inverno de 2010, em Vancouver, observa como uma pedra do curling chega ao repouso após deslizar por mais de 45 m sobre uma superfície de gelo. A velocidade da pedra é alterada gradativamente; de acordo com a segunda lei de Newton, a variação na velocidade requer a presença de uma força resultante. Tanto o carro quanto a pedra do jogo de curling ficam sob a ação de uma força que se opõe ao movimento.

 

6 - Trabalho e Energia

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(Jean Paul Ferrero/Auscape/The Image Works.)

6

Trabalho e Energia

Os animais utilizam uma quantidade significativa da energia obtida nos alimentos para locomoção. Os cangurus estão entre os mamíferos mais eficientes no uso da energia metabólica para gerar movimento. À medida que um canguru volta ao solo a cada salto, a energia associada ao movimento é armazenada como energia elástica nos tendões das suas patas traseiras. Da mesma maneira que a mola comprimida de um pula-pula empurra para cima os pés de uma criança, a energia elástica armazenada nos tendões dos cangurus é transferida de volta em energia de movimento. Este retorno da energia transforma o salto em um meio eficiente dos cangurus se moverem.

6-1 Trabalho

6-2 O Teorema da Energia

6-3

6-4

Cinética

Aplicações do Teorema da

Energia Cinética

Trabalho Realizado por uma Força Variável

Energia Potencial

Conservação de Energia

Forças Não Conservativas

 

7 - Quantidade de Movimento Linear

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(E. Widder/HBOI/Visuals Unlimited.)

7

Quantidade de

Movimento Linear

Os cefalópodes, como essa lula, impulsionam a si próprios preenchendo uma grande cavidade muscular de água e, em seguida, forçam a água a sair através de aberturas na forma de bocais próximas à cabeça. Quando as lulas não estão em movimento, sua quantidade de movimento, uma grandeza que depende da massa e da velocidade, é nula.

Para uma lula em movimento, será mostrado que a quantidade de movimento total da lula e da água expelida permanece inalterada, de modo que, quando a água começa a sair em um determinado sentido, a lula começa a se mover no sentido oposto. A velocidade e, portanto, a quantidade de movimento linear, são grandezas vetoriais, logo, a quantidade de movimento adquirida pela lula deve ser igual à quantidade de movimento perdida pela água, de modo que a quantidade de movimento total permaneça inalterada.

7-1 Quantidade de Movimento Linear

7-2 Conservação da Quantidade de

 

8 - Movimento de Rotação

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8

Movimento de Rotação

8-1

8-2

8-3

8-4

Energia Cinética de Rotação

Momento de Inércia de Massa

O Teorema dos Eixos Paralelos

Conservação de Energia

Revisitado

8-5 Cinemática da Rotação

8-6 Torque

8-7 Quantidade de Movimento

Angular

8-8 A Natureza Vetorial das

Variáveis de Rotação

Uma gata, quando cai, geralmente toca o chão com suas patas. A física por trás deste movimento elegante é uma dança complexa de rotações.

Flexionando-se em seu tronco, a gata pode girar suas partes dianteiras e traseiras separadamente. Estendendo as patas dianteiras e recolhendo as patas traseiras, a gata permite que suas patas traseiras girem mais rapidamente. Em seguida, na queda, a gata estende as patas traseiras, diminuindo sua rotação, e deixa-as na posição de pouso, à medida que as patas da frente tornam-se verticais. Cada um desses movimentos pode ser descrito por variáveis de rotação abordadas neste capítulo.

 

Apêndices

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APÊNDICE A

Unidades do Sistema Internacional (SI) e

Fatores de Conversão

Unidades Básicas*

Comprimento

O metro (m) é a distância percorrida pela luz, no vácuo, em

1/299.792.458 s.

Tempo

O segundo (s) é a duração de 9.192.631.770 períodos da radiação correspondente à transição entre os dois níveis hiperfinos do estado fundamental do átomo de 133Cs.

Massa

O quilograma (kg) é a massa do corpo-padrão internacional preservado em Sèvres, na França.

Mol

O mol (mol) é a quantidade de substância de um sistema que contém tantas entidades elementares quantos são os átomos contidos em 0,012 kg de carbono 12.

Corrente

O ampere (A) é a corrente constante que, se mantida em dois condutores retos, paralelos, de comprimento infinito, de seção transversal circular desprezível, e posicionados afastados de 1 m um do outro, no vácuo, produz entre os condutores uma força igual a 2  107 N/m de comprimento.

Temperatura

 

Tutorial Matemático

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Tutorial Matemático

T-1

T-2

T-3

T-4

T-5

T-6

Algarismos Significativos

Equações

Proporções Direta e Inversa

Equações Lineares

Equações Quadráticas e Fatoração

Expoentes e Logaritmos

T-7

T-8

T-9

T-10

T-11

T-12

Geometria

Trigonometria

Expansão Binomial

Números Complexos

Cálculo Diferencial

Cálculo Integral

Neste tutorial é realizada uma revisão dos resultados básicos de álgebra, geometria, trigonometria e cálculo. Em muitos casos, os resultados são apenas estabelecidos, sem uma prova formal. A Tabela T-1 lista alguns símbolos matemáticos utilizados no texto.

T-1 Algarismos Significativos

Muitos dos números utilizados em trabalhos científicos são resultantes de medidas; portanto, são determinados com apenas algum grau de incerteza. Essa incerteza deve se refletir na quantidade de dígitos utilizados. Por exemplo, se você possui uma régua de

 

Respostas dos Problemas, Questões Ímpares e Questões do MCAT

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Respostas dos Problemas e Questões Ímpares

Capítulo 1

1. O metro (a unidade SI para comprimento) é definido como a distância percorrida pela luz no vácuo em uma pequena fração (1/299.792.458) de um segundo. O segundo (a unidade SI para tempo) é definido como o tempo gasto para

9.192.631.770 períodos da transição entre dois níveis hiperfinos do estado fundamental do átomo de césio 133. O kelvin (a unidade SI para temperatura) é definido em termos das condições sob as quais a água pode existir nas fases sólida, líquida e gasosa, simultaneamente. O quilograma (a unidade SI para massa) é definido pela massa de um bloco protótipo cuidadosamente protegido feito de platina e irídio, fabricado em 1889.

3. O uso dos prefixos métricos torna qualquer cálculo numérico mais fácil de ser acompanhado. Em vez de uma conversão obscura (12 in/ft, 1760 jardas/milha e 5280 ft/mi), existem potências de 10 mais simples que realizam as transformações (10 mm/cm, 1000 m/km e 106 m/m).

 

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