Física na Universidade para as Ciências Físicas e da Vida - Vol. 2

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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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9 - Elasticidade e Ruptura

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9

Elasticidade e Ruptura

9-1 Tensão e Deformação Normais

(Custom Medical Stock Photo)

Trativas

9-2 Tensão e Deformação

Hidrostáticas

9-3 Tensão e Deformação de

Cisalhamento

9-4 Elasticidade e Ruptura

Embora a maioria das bombas d’água pequenas produza o que parece ser um fluxo contínuo (esquerda), uma luz estroboscópica (direita) revela que a bomba d’água na verdade expele pulsos discretos de líquido. O coração humano trabalha praticamente da mesma maneira, ejetando sangue na aorta por 300 ms e então repousando por cerca de 500 ms. Contudo, o sangue flui para os tecidos continuamente e não de forma pulsativa.

À medida que o coração impele o sangue para as artérias, nem todo o sangue se move para os vasos; algum sangue é empurrado contra as paredes arteriais causando a sua expansão. Mesmo quando o coração relaxa, o sangue mantém-se em movimento porque as paredes das artérias retornam ao seu diâmetro inicial, empurrando o sangue através dos vasos.

 

10 - Gravitação

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10-1

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10-4

(Lawrence Sromovsky, Universidade de Wisconsin-Madison/

Observatório W. M. Keck.)

10

Gravitação

Lei da Gravitação Universal de Newton

O Teorema da Casca

Energia Potencial Gravitacional

Leis de Kepler

No século XVII, Sir Isaac Newton deduziu que objetos grandes, tais como estrelas, planetas e luas, exercem forças mútuas. Sua visão passou a ser conhecida como a lei de gravitação universal, e apoiada na ideia anterior de Johannes

Kepler de que um objeto orbitando outro percorre uma trajetória elíptica. É difícil capturar essa trajetória em uma fotografia. Entretanto, os anéis de Júpiter, Saturno, Netuno e

Urano são compostos de uma quantidade incontável de pedaços de gelo e rocha espalhados ao longo de uma trajetória orbital, assim as órbitas completas das partículas são dramaticamente visíveis. Os anéis de Urano podem ser vistos nesta imagem composta em cores falsas. Embora aproximadamente circulares, os anéis são, na realidade, elípticos. (As manchas brilhantes são nuvens na atmosfera fina de Urano.)

 

11 - Fluidos

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(Corbis.)

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Fluidos

Objetos submersos em um fluido estão sujeitos a uma força de empuxo. Como o ar é um fluido, os balões sofrem uma força de empuxo do ar que os rodeia. Os balões de ar quente flutuam porque a soma do peso do ar dentro deles, com o peso do balão, o peso da cesta e o peso dos passageiros é menor do que o peso do ar deslocado pelo balão. A força de empuxo é igual ao peso do ar deslocado.

H

á uma boa chance de que você tenha uma garrafa de 0,5 L de água por perto agora. Quantas moléculas de água estão contidas nessa garrafa? O que você acha? Se você disse “muitas”, você está correto - existem mais de 1025 moléculas em meio litro de água. Qual a probabilidade de que 1025 dessas moléculas estejam, neste instante, orientadas da mesma forma? E qual a probabilidade de que todas estejam em movimento no mesmo sentido ou de que todas estejam paradas? Isso seria muito pouco provável! Para descrever e compreender a física dos fluidos, poderíamos tentar estudar cada molécula de fluido separadamente e, em seguida, criar uma descrição para a massa de fluido; porém, esse processo seria confuso e complicado. Em vez disso, queremos encontrar uma forma de descrever as propriedades de fluidos como uma média das propriedades de cada molécula do fluido. Como parte dessa representação, vamos precisar considerar o comportamento de todas as moléculas em conjunto; a física que governa os fluidos depende desta descrição estatística.

 

12 - Oscilações

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12

Oscilações

12-1 Movimento Harmônico

Simples

12-2 Descrição das

Oscilações

12-3 Considerações sobre

Energia

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12-6

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12-8

O Pêndulo Simples

Osciladores Reais

O Pêndulo Composto

Oscilador Amortecido

Oscilador Forçado

(Cortesia de David Tauck.)

Quem não passou algum tempo observando o vai e vem hipnótico de um pêndulo? O peso desacelera quando sobe e então acelera quando retorna à sua posição mais baixa. A energia potencial gravitacional é armazenada na parte superior do movimento oscilatório; é então convertida em energia cinética quando o peso oscila para baixo. À medida que você anda, seu corpo emprega um mecanismo similar de armazenamento e restituição de energia.

Quando visto de cabeça para baixo, o centro de massa, marcado na fotografia com um ponto vermelho, move-se como o peso na extremidade livre de uma barra que pode oscilar em torno de um pivô, localizado no pé. A cada passo, o peso sobe e desce como um pêndulo, que permite a você conservar cerca de 60% da energia necessária para elevar seu centro de massa a cada passada.

 

13 - Ondas

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13

Ondas

13-1 Tipos de Ondas

13-2 Descrição Matemática de uma

Onda

Velocidade da Onda

Superposição e Interferência

Ondas Estacionárias Transversais

Ondas Estacionárias

Longitudinais

13-7 Batimentos

13-8 Volume, Intensidade e Nível

Sonoro

13-9 Fontes Móveis e Observadores de

Ondas

(Horia Vlad Bogdan/Dreamstime.com.)

13-3

13-4

13-5

13-6

À medida que um rato corre através do deserto, suas passadas produzem ondas superficiais na areia que se espalham como as ondulações produzidas na superfície de um lago por uma pedra nele atirada. A víbora cascavel-de-chifres (Cerastes cerastes) detecta essas ondas sutis ao repousar sua mandíbula inferior suavemente na areia. Os ossos da mandíbula da serpente são fracamente ligados ao ouvido interno, agindo assim como um tímpano — vibrações da mandíbula causam vibrações no ouvido interno, que, por sua vez, estimulam o cérebro. Uma vez que os ossos da mandíbula de cada lado da cabeça se movem independentemente, a serpente recebe informações em três dimensões, da mesma forma como os dois ouvidos humanos. Isso permite à serpente determinar tanto a distância quanto a direção de sua próxima refeição.

 

14 - Termodinâmica I

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(Cortesia de H. Schmitz, Bonn University.)

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Termodinâmica I

O besouro Melanophila acuminata viaja até 10 km para depositar seus ovos em árvores enfraquecidas por incêndios florestais. Como ele consegue detectar incêndios a distâncias tão grandes? O inseto está equipado com câmaras especiais que funcionam como receptores de raios infravermelhos. Quando é aquecido, o fluido que existe no interior dessas câmaras sofre uma dilatação maior que as paredes da câmara, o que aumenta a pressão no interior da câmara; neurônios especializados reagem à variação de pressão.

A capacidade desse besouro de detectar pequenas variações de temperatura está sendo usada em biossensores que combinam a câmara sensorial do animal com componentes eletrônicos para criar um sistema de alerta de incêndios florestais.

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Temperatura

Lei dos Gases Ideais

Caminho Livre Médio

Dilatação Térmica

 

15 - Termodinâmica II

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(Dr. Thomas Eisner/Visuals Unlimited)

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Termodinâmica II

O besouro-bombardeiro se defende de inimigos como formigas e aranhas expelindo uma mistura quente e malcheirosa de líquido e gás. Como mostra a foto, ele pode dirigir o jato para onde quiser. Para iniciar o mecanismo de defesa, o besouro libera certas substâncias em um compartimento especial, onde as substâncias interagem com enzimas secretadas pelas células que revestem as paredes do compartimento. A reação exotérmica resultante libera energia suficiente, na forma de calor, para vaporizar parte do líquido. A pressão no interior do compartimento aumenta rapidamente e a mistura de líquido e gás é expelida através de aberturas situadas na extremidade traseira do corpo do besouro. O processo envolve pressão, temperatura e trabalho – é disso que trata a termodinâmica!

A

energia usada pelos seres vivos vem do Sol. As plantas coletam a energia solar e a usam para sintetizar as biomoléculas de que dependem para crescer e se reproduzir. Os animais obtêm energia comendo plantas e outros animais. Entretanto, todos os processos termodinâmicos são ineficientes: desperdiçam parte da energia consumida. Quando você faz um exercício físico, por exemplo, seu corpo esquenta e você começa a suar. Como todas as máquinas físicas e biológicas, os músculos usam apenas parte da energia que recebem para realizar trabalho; o restante é transformado em energia térmica.

 

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

T-7

T-8

T-9

T-10

T-11

T-12

Algarismos Significativos

Equações

Proporções Direta e Inversa

Equações Lineares

Equações Quadráticas e Fatoração

Expoentes e Logaritmos

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 9

 1. (a) O módulo de Young considera a deformação por tração ou compressão de um corpo em uma dimensão. O módulo de compressibilidade descreve a expansão ou contração de um volume. (b) Ambos os parâmetros possuem as mesmas unidades (Pa, MPa, GPa etc.).

 3. Sim. Os cabos reais possuem peso, e esse peso pode ser suficiente para romper o próprio cabo.

 5. O módulo de Young descreve a resposta de um material sujeito a uma deformação linear (como a deformação causada quando se puxam as extremidades de um fio); o módulo de compressibilidade descreve a resposta de um material quando submetido a uma pressão uniforme (atuante em todo o volume ocupado pelo material); e o módulo de cisalhamento descreve a resposta do material ao ser submetido a deformações por cisalhamento. A determinação do módulo a ser utilizado (Young, compressibilidade, ou cisalhamento) requer o conhecimento de qual a situação em questão.

 7. A deformação é a propriedade física mais fundamental. A deformação determina a força a que o material está sujeito, ou a tensão sobre ele. Não existe nenhuma garantia de que cada tensão ocorra exatamente a uma determinada deformação. Em particular, um metal muito deformado por tração começa a perder sua resistência e, portanto, a tensão nele atuante diminui.

 

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