Fundamentos de Física - Vol. 1 - Mecânica, 10ª edição

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Sucesso há mais de quatro décadas em todo o mundo, Fundamentos de Física continua cumprindo o desafio de apresentar a Física de maneira clara, unindo a teoria e os exercícios às aplicações práticas do mundo real.

Novidades da 10a edição:- Módulos e Objetivos de AprendizadoOs capítulos vêm agora divididos em módulos conceituais, dedicados a temas básicos, com uma lista de objetivos do aprendizado para que o estudante identifique, de antemão, todos os conceitos e as definições que verá naquele módulo.

- Capítulos ReformuladosPara facilitar o aprendizado, alguns capítulos foram reformulados, como o que aborda a lei de Gauss e o potencial elétrico. Houve também a preocupação de estabelecer uma ligação mais clara e direta com os conceitos-chave apresentados.

- Novos Exemplos, Perguntas e Problemas250 novos problemas, 50 perguntas inéditas e 16 novos exemplos foram acrescentados a esta edição. Permanecem como destaques desta 10a edição os materiais suplementares, todos traduzidos e disponíveis no site www.grupogen.com.br/halliday-volume-1 (LTC Editora – GEN | Grupo Editorial Nacional), mediante cadastro.

 

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12 capítulos

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1 Medição

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Medição

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MEDINDO GRANDEZAS COMO O COMPRIMENTO

Objetivos do Aprendizado

Depois de ler este módulo, você será capaz de ...

1.01 Citar as unidades fundamentais do SI.

1.02 Citar os prefixos mais usados no SI.

1.03 Mudar as unidades nas quais uma grandeza (comprimento,

1.04 Explicar de que forma o metro é definido em termos da velocidade da luz no vácuo.

área ou volume, no caso) é expressa, usando o método de conversão em cadeia.

Ideias-Chave zz A física se baseia na medição de grandezas físicas. Algumas grande-

zas físicas, como comprimento, tempo e massa, foram escolhidas como grandezas fundamentais e definidas a partir de um padrão; a cada uma dessas grandezas foi associada uma unidade de medida, como metro, segundo e quilograma. Outras grandezas físicas são definidas a partir das grandezas fundamentais e seus padrões e unidades. zz O sistema de unidades mais usado atualmente é o Sistema Internacional de Unidades (SI). As três grandezas fundamentais que aparecem na Tabela 1-1 são usadas nos primeiros capítulos deste livro.

 

2 Movimento Retilíneo

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Movimento Retilíneo

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POSIÇÃO, DESLOCAMENTO E VELOCIDADE MÉDIA

Objetivos do Aprendizado

Depois de ler este módulo, você será capaz de ...

2.01 Saber que, se todas as partes de um objeto se movem na

mesma direção e com a mesma velocidade, podemos estudar o movimento do objeto como se ele estivesse reduzido a um único ponto. (este capítulo trata do movimento de objetos desse tipo.)

2.02 Saber que a posição de uma partícula pode ser expressa pela

coordenada da partícula em relação a um eixo escolhido como referência.

2.03 Descrever a relação entre o deslocamento de uma partícula e as posições inicial e final da partícula.

2.04 Descrever a relação entre a velocidade média, o deslocamento e o tempo necessário para que uma partícula sofra esse deslocamento.

2.05 Descrever a relação entre a velocidade escalar média, a distância total percorrida e o tempo necessário para que a partícula percorra essa distância.

 

3 Vetores

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Vetores

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VETORES E SUAS COMPONENTES

Objetivos do Aprendizado

Depois de ler este módulo, você será capaz de ...

3.01 Somar vetores geometricamente e aplicar as leis comutativa e associativa.

3.02 Subtrair um vetor de outro vetor.

3.03 Calcular as componentes de um vetor em um sistema de

3.04 Dadas as componentes de um vetor, desenhar o vetor e determinar seu módulo e orientação.

3.05 Converter ângulos de graus para radianos, e vice-versa.

coordenadas e representá-las em um desenho.

Ideias-Chave z as grandezas escalares, como a temperatura, têm apenas uma

amplitude, especificada por um número e uma unidade (10 oC, por exemplo), e obedecem às regras da aritmética e da álgebra elementar. as grandezas vetoriais, como o deslocamento, têm uma amplitude e uma orientação (5 m para o norte, por exemplo) e obedecem às regras da álgebra vetorial.

→ z Dois vetores a→ e b podem ser somados geometricamente desenhando-os na mesma escala, com a origem do segundo vetor na extremidade do primeiro. o vetor que liga a origem do primeiro vetor à extremidade do segundo é o vetor soma, s→. para subtrair

 

4 Movimento em Duas e Três Dimensões

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Movimento em Duas e Três Dimensões

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POSIÇÃO E DESLOCAMENTO

Objetivos do Aprendizado

Depois de ler este módulo, você será capaz de ...

4.01 Desenhar vetores posição bidimensionais e tridimensionais de uma partícula, indicando as componentes em relação aos eixos de um sistema de coordenadas.

4.03 usar a relação entre o vetor deslocamento de uma partícula e os vetores da posição inicial e da posição final.

4.02 para um dado sistema de coordenadas, determinar a orienta-

ção e o módulo do vetor posição de uma partícula a partir das componentes, e vice-versa.

Ideias-Chave

 a localização de uma partícula em relação à origem de um siste→ ma de coordenadas é dada por um vetor posição r que, na notação dos vetores unitários, pode ser expresso na forma

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em que xi , yj e zk são as componentes vetoriais do vetor posição r e x, y e z são as componentes escalares (e, também, as coordenadas da partícula).

 

5 Força e Movimento – I

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Força e Movimento – I

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A PRIMEIRA E A SEGUNDA LEI DE NEWTON

Objetivos do Aprendizado

Depois de ler este módulo, você será capaz de ...

5.01 Saber que uma força é uma grandeza vetorial e que, portanto,

5.05 Desenhar o diagrama de corpo livre de um objeto, mostrando

tem um módulo e uma orientação e pode ser representada por componentes.

o objeto como uma partícula e desenhando as forças que agem sobre o objeto como vetores com a origem na partícula.

5.02 Dadas duas ou mais forças que agem sobre a mesma partícula,

5.06 Aplicar a relação (segunda lei de Newton) entre a força resul-

somar vetorialmente as forças para obter a força resultante.

5.03 Conhecer a primeira e a segunda lei de Newton.

5.04 Conhecer os referenciais inerciais.

tante que age sobre um objeto, a massa do objeto e a aceleração produzida pela força.

5.07 Saber que apenas as forças externas que agem sobre um objeto podem produzir aceleração.

 

6 Força e Movimento – II

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Força e Movimento – II

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ATRITO

Objetivos do Aprendizado

Depois de ler este módulo, você será capaz de ...

6.01 Saber a diferença entre atrito estático e atrito cinético.

6.02 Determinar o módulo e a orientação de uma força de atrito.

6.03 No caso de objetos em planos horizontais, verticais ou inclinados em situações que envolvam forças de atrito, desenhar diagramas de corpo livre e aplicar a segunda lei de Newton.

Ideias-Chave

 Quando uma força F tende a fazer um objeto deslizar em uma

superfície, uma força de atrito associada à superfície age sobre o objeto. A força de atrito, que resulta da interação do objeto com a superfície, é paralela à superfície e se opõe ao movimento.

Se o objeto permanece em repouso, a força de atrito é chamada

→ de força de atrito estático e representada pelo símbolo f s ; se o corpo se move, a força de atrito é chamada de força de atrito cinético e

 

7 Energia Cinética e Trabalho

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Energia Cinética e Trabalho

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ENERGIA CINÉTICA

Objetivos do Aprendizado

Depois de ler este módulo, você será capaz de ...

7.01 aplicar a relação entre a energia cinética, a massa e a velocidade de uma partícula.

7.02 Saber que a energia cinética é uma grandeza escalar.

Ideia-Chave

 a energia cinética associada ao movimento de uma partícula de massa m e velocidade v, para velocidades muito menores que a velocidade da luz, é dada por

O que É Física?

Um dos objetivos fundamentais da física é estudar de perto algo de que se fala muito hoje em dia: a energia. O tópico é obviamente importante. Na verdade, nossa civilização depende da obtenção e uso eficiente da energia.

Como todos sabem, nenhum movimento pode ser iniciado sem algum tipo de energia. Para atravessar o Oceano Pacífico a bordo de um avião, precisamos de energia.

Para transportar um computador para o último andar de um edifício ou para uma estação espacial em órbita, precisamos de energia. Para chutar uma bola, precisamos de energia. Gastamos verdadeiras fortunas para obter e utilizar energia. Guerras foram iniciadas pela disputa de fontes de energia. Guerras foram decididas pelo uso de armas que liberam grande quantidade de energia. Qualquer um seria capaz de citar muitos exemplos de energia e de sua utilização, mas o que realmente significa o termo energia?

 

8 Energia Potencial e Conservação da Energia

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Energia Potencial e

Conservação da Energia

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ENERGIA POTENCIAL

Objetivos do Aprendizado

Depois de ler este módulo, você será capaz de ...

8.01 saber a diferença entre uma força conservativa e uma força

8.03 calcular a energia potencial gravitacional de uma partícula

8.02 no caso de uma partícula que se move de um ponto para

8.04 calcular a energia potencial elástica de um sistema massa-mola.

não conservativa.

outro do espaço, saber que o trabalho realizado por uma força conservativa depende apenas dos pontos inicial e final.

(ou, mais rigorosamente, de um sistema partícula-terra).

Ideias-Chave z uma força é dita conservativa se o trabalho realizado pela força

sobre uma partícula que descreve um percurso fechado, ou seja, no qual o ponto final coincide com o ponto inicial, é zero. É possível demonstrar que o trabalho realizado por uma força conservativa não depende da trajetória da partícula, mas apenas dos pontos inicial e final. a força gravitacional e a força elástica são forças conservativas; a força de atrito cinético não é uma força conservativa. z Energia potencial é a energia associada à configuração de um sistema que está sujeito à ação de uma força conservativa. Quando uma força conservativa realiza um trabalho W sobre uma partícula do sistema, a variação DU da energia potencial do sistema é dada por

 

9 Centro de Massa e Momento Linear

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Centro de Massa e Momento Linear

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CENTRO DE MASSA

Objetivos do Aprendizado

Depois de ler este módulo, você será capaz de ...

9.01 dada a posição de várias partículas em um eixo ou um plano, determinar a posição do centro de massa.

9.02 determinar a posição do centro de massa de um objeto usando princípios de simetria.

9.03 no caso de um objeto bidimensional ou tridimensional com uma distribuição homogênea de massa, determinar a posição do centro de massa (a) dividindo mentalmente o objeto em figuras geométricas simples, (b) substituindo cada uma por uma partícula no centro da figura, e (c) calculando o centro de massa dessas partículas.

Ideia-Chave z o centro de massa de um sistema de n partículas é definido como o ponto cujas coordenadas são dadas por

em que M é a massa total do sistema.

O que É Física?

Todo engenheiro mecânico contratado como perito para reconstituir um acidente de trânsito usa a física. Todo treinador que ensina uma bailarina a saltar usa a física. Na verdade, para analisar qualquer tipo de movimento complicado é preciso recorrer a simplificações que são possíveis apenas com um entendimento da física. Neste capítulo, discutimos de que forma o movimento complicado de um sistema de objetos, como um carro ou uma bailarina, pode ser simplificado se determinarmos um ponto especial do sistema: o centro de massa.

 

10 Rotação

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Rotação

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AS VARIÁVEIS DA ROTAÇÃO

Objetivos do Aprendizado

Depois de ler este módulo, você será capaz de ...

10.01 Saber que, se todas as partículas de um corpo giram da mes-

10.08 Dada uma curva da posição angular em função do tempo,

10.02 Saber que a posição angular de um corpo rígido em rotação

10.09 Saber que a velocidade angular escalar é o módulo da velo-

ma forma em torno de um eixo, o corpo é um corpo rígido. (Este capítulo trata do movimento de corpos rígidos.)

é o ângulo que uma reta interna de referência faz com uma reta externa fixa.

10.03 Conhecer a relação entre o deslocamento angular e as posições angulares inicial e final.

determinar a velocidade angular instantânea em um dado instante e a velocidade angular média em um dado intervalo. cidade escalar instantânea.

10.10 Dada a velocidade em função do tempo, determinar a aceleração angular instantânea em um dado instante e a aceleração angular média em um dado intervalo.

 

11 Rolagem, Torque e Momento Angular

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Rolagem, Torque e Momento Angular

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ROLAGEM COMO UMA COMBINAÇÃO DE TRANSLAÇÃO E ROTAÇÃO

Objetivos do Aprendizado

Depois de ler este módulo, você será capaz de ...

11.01 Saber que uma rotação suave pode ser considerada uma combinação de translação pura e rotação pura.

11.02 Conhecer a relação entre a velocidade do centro de massa e a

velocidade angular de um objeto que está rolando suavemente.

Ideias-Chave z Se uma roda de raio R está rolando suavemente,

em que vCM é a velocidade angular do centro de massa da roda e ω

é a velocidade angular da roda em relação ao centro.

z Também é possível imaginar que a roda gira, a cada instante,

em torno do ponto P da “estrada” que está em contato com a roda. a velocidade angular da roda em relação a esse ponto é igual à velocidade da roda em relação ao centro.

O que É Física?

Como vimos no Capítulo 10, um dos objetivos da física é o estudo das rotações.

 

Apêndices e Respostas dos Testes e das Perguntas e Problemas Ímpares

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O SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES (SI)*

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*Adaptado de “The International System of Units (SI)”, Publicação Especial 330 do National Bureau of Standards, edição de 2008. As definições acima foram adotadas pela Conferência

Nacional de Pesos e Medidas, órgão internacional, nas datas indicadas. A candela não é usada neste livro.

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ALGUMAS CONSTANTES FUNDAMENTAIS DA FÍSICA*

*Os valores desta tabela foram selecionados entre os valores recomendados pelo Codata em 2010 (www.physics.nist.gov).

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ALGUNS DADOS ASTRONÔMICOS

 

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