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Mecânica

Matemática do A-Level · Tópico 4

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12:38

Mecânica

Empurre um carrinho de compras, e ele acelera. Empurre mais forte, e ele acelera mais rápido. Empurre um mais pesado com o mesmo esforço, e ele mal se move. Toda a mecânica…

Narração em inglês · Legendas em inglês + 中文 gravadas

Este material cobre o Tópico 4: Mecânica 力学. Estuda como forças fazem objetos se moverem. Ao longo deste tópico, considere a aceleração da queda livre como $g = 10\ \text{m s}^{-2}$.

4.1

Forças e equilíbrio

Programa
Os candidatos devem ser capazes de: Notas e exemplos
identificar as forças atuantes em uma situação dada p.ex. desenhando um diagrama de forças.
compreender a natureza vetorial da força, e encontrar e usar componentes e resultantes Cálculos são sempre exigidos, não soluções aproximadas por desenho em escala.
usar o princípio de que, quando uma partícula está em equilíbrio, a soma vetorial das forças atuantes é zero, ou equivalentemente, que a soma das componentes em qualquer direção é zero Soluções por resolução são geralmente esperadas, mas métodos equivalentes (p.ex. triângulo de forças, Teorema de Lami, quando adequado) também são aceitáveis; esses outros métodos não são conhecimento obrigatório, e não serão mencionados nas questões.
compreender que uma força de contato entre duas superfícies pode ser representada por duas componentes, a componente normal e a componente de atrito
usar o modelo de contato 'liso' (sem atrito), e compreender as limitações desse modelo
compreender os conceitos de atrito limite e equilíbrio limite, recordar a definição de coeficiente de atrito, e usar a relação $F = \mu R$ ou $F \leqslant \mu R$, conforme apropriado Terminologia como 'apontando para escorregar' pode ser usada para significar 'em equilíbrio limite' nas questões.
usar a terceira lei de Newton. p.ex. a força exercida por uma partícula sobre o solo é igual e oposta à força exercida pelo solo sobre a partícula.

Fonte: Programa Cambridge International

Uma força 力 é um empurrão ou puxão. É um vetor, portanto tem tamanho e direção. Por ser um vetor, você pode dividir uma força em componentes 分量 (geralmente horizontal e vertical), e pode somar várias forças em uma resultante 合力.

Uma seta de força resolvida em componentes horizontal e vertical formando um triângulo retângulo
Uma força em ângulo $\theta$ tem uma parte horizontal $F\cos\theta$ e uma parte vertical $F\sin\theta$.

Uma partícula está em equilíbrio 平衡 quando as forças estão equilibradas: a soma vetorial das forças é zero. Na prática, isso significa que as componentes em qualquer direção somam zero.

Um alpinista pendurado em uma corda em um penhasco marinho íngreme, mantido afastado da face rochosa
Todo problema de mecânica é uma imagem como esta. Três forças atuam no alpinista — peso reto para baixo, tensão ao longo da corda e um empurrão da rocha — e porque elas se equilibram, o alpinista permanece parado em equilíbrio. Resolver cada componente em partes horizontais e verticais transforma a imagem em equações

Atrito

Quando duas superfícies se tocam, a força de contato 接触力 entre elas tem duas partes: a reação normal 法向反作用力 $R$, em ângulo reto com a superfície, e o atrito 摩擦力 $F$, ao longo da superfície, que se opõe ao deslizamento. Uma superfície "lisa" é um modelo sem atrito.

O atrito só pode crescer até um máximo. Nesse máximo o corpo está em equilíbrio limite 极限平衡, prestes a escorregar, e o atrito é atrito limite 最大静摩擦力. O máximo é definido pelo coeficiente de atrito 摩擦系数 $\mu$:

$$F \leqslant \mu R, \qquad \text{with } F = \mu R \text{ at the point of slipping}.$$

Um bloco em uma superfície rugosa com reação normal para cima, peso para baixo, uma tração aplicada e atrito
Em uma superfície rugosa a força de contato se divide na reação normal $R$ e atrito $F$ (no máximo $\mu R$).

Pela terceira lei de Newton 牛顿第三定律, as duas superfícies exercem forças iguais e opostas uma sobre a outra.

Exemplo resolvido. Um bloco de peso $20\text{ N}$ repousa sobre uma mesa horizontal rugosa com coeficiente de atrito $\mu = 0.4$. Encontre a maior força horizontal que pode ser aplicada antes que o bloco deslize.

A reação normal da mesa equilibra o peso, logo $R = 20\text{ N}$. O bloco está no limiar de deslizamento quando o atrito atinge seu valor máximo $F = \mu R = 0.4 \times 20 = 8\text{ N}$. Em equilíbrio, a força aplicada é igual ao atrito, logo a maior força que ele pode resistir é $8\text{ N}$.

Explorar

Adição de forças

resultante = a + b

As forças somam-se ponta-a-ponta. Elas estão em equilíbrio quando a resultante é zero.

Vocabulário Treinar
Inglês Chinês Pinyin
Mechanics/mɪˈkænɪks/ 力学 lì xué
force/fɔːs/ 力 lì
components/kəmˈpəʊnənts/ 分量 fèn liàng
resultant/rɪˈzʌltənt/ 合力 hé lì
equilibrium/ˌiːkwɪˈlɪbrɪəm/ 平衡 píng héng
contact force/ˈkɒntækt fɔːs/ 接触力 jiē chù lì
normal reaction/ˈnɔːml rɪˈækʃn/ 法向反作用力 fǎ xiàng fǎn zuò yòng lì
friction/ˈfrɪkʃn/ 摩擦力 mó cā lì
limiting friction/ˈlɪmɪtɪŋ ˈfrɪkʃn/ 最大静摩擦力 zuì dà jìng mó cā lì
coefficient of friction/ˌkəʊɪˈfɪʃənt ɒv ˈfrɪkʃn/ 摩擦系数 mó cā xì shù
Newton's third law/ˈnjuːtnz θɜːd lɔː/ 牛顿第三定律 niú dùn dì sān dìng lǜ
distance/ˈdɪstəns/ 距离 jù lí
speed/spiːd/ 速率 sù lǜ
displacement/dɪˈspleɪsmənt/ 位移 wèi yí
4.2

Cinemática do movimento em linha reta

Programa
Os candidatos devem ser capazes de: Notas e exemplos
compreender os conceitos de distância e velocidade escalar como grandezas escalares, e de deslocamento, velocidade e aceleração como grandezas vetoriais Restrito apenas ao movimento em uma dimensão. O termo 'desaceleração' pode às vezes ser usado no contexto de diminuição da velocidade.
esboçar e interpretar gráficos de deslocamento-tempo e gráficos de velocidade-tempo, e em particular apreciar que – a área sob um gráfico de velocidade-tempo representa o deslocamento, – a inclinação de um gráfico de deslocamento-tempo representa a velocidade, – a inclinação de um gráfico de velocidade-tempo representa a aceleração
usar diferenciação e integração em relação ao tempo para resolver problemas simples concernentes a deslocamento, velocidade e aceleração O cálculo exigido está restrito às técnicas do conteúdo para Paper 1: Matemática Pura 1.
usar fórmulas adequadas para movimento com aceleração constante em linha reta. As questões podem envolver o estabelecimento de mais de uma equação, usando informações sobre o movimento de diferentes partículas.

Fonte: Programa Cambridge International

Distância 距离 e velocidade escalar 速率 são grandezas escalares (apenas magnitude). Deslocamento 位移, velocidade vetorial 速度 e aceleração 加速度 são grandezas vetoriais (magnitude e direção).

Em um gráfico velocidade-tempo 速度时间图, a área sob a curva é o deslocamento e a inclinação é a aceleração (uma aceleração negativa é uma desaceleração 减速度). Em um gráfico deslocamento-tempo, a inclinação é a velocidade. De modo geral, derive em relação ao tempo para ir do deslocamento à velocidade e depois à aceleração, e integre para voltar.

Um gráfico velocidade-tempo que sobe, fica plano e depois desce, com a área abaixo sombreada
A área sombreada fornece a distância percorrida; a inclinação da linha fornece a aceleração.

Para movimentos com aceleração constante 匀加速, use estas fórmulas (as equações "suvat"):

$$v = u + at, \qquad s = ut + \tfrac12 at^2, \qquad v^2 = u^2 + 2as, \qquad s = \tfrac12(u + v)t.$$

Exemplo resolvido. Um carro parte do repouso e acelera a $2.5\ \text{m s}^{-2}$ durante $4\ \text{s}$. Encontre sua velocidade e a distância percorrida.

$$v = 0 + 2.5\times 4 = 10\ \text{m s}^{-1}, \qquad s = 0 + \tfrac12(2.5)(4^2) = 20\ \text{m}.$$

Explorar

Gráfico velocidade–tempo

Altere a velocidade inicial e a aceleração. O gradiente é a aceleração; a área sob a linha é o deslocamento.

Vocabulário Treinar
Inglês Chinês Pinyin
velocity/vəˈlɒsɪti/ 速度 sù dù
acceleration/əkˌseləˈreɪʃn/ 加速度 jiā sù dù
velocity-time graph/vəˈlɒsɪti taɪm ɡræf/ 速度时间图 sù dù shí jiān tú
constant acceleration/ˈkɒnstənt əkˌseləˈreɪʃn/ 匀加速 yún jiā sù
4.3

Momento linear

Programa
Os candidatos devem ser capazes de: Notas e exemplos
usar a definição de momento linear e mostrar compreensão de sua natureza vetorial Para movimento em uma dimensão apenas.
usar a conservação do momento linear para resolver problemas que podem ser modelados como o impacto direto de dois corpos. Incluindo o impacto direto de dois corpos onde os corpos coalescem ao impactar. Conhecimento de impulso e do coeficiente de restituição não é exigido.

Fonte: Programa Cambridge International

Um pêndulo de Newton com bolas de aço
Um pêndulo de Newton demonstra a conservação do momento linear em colisões.

O momento linear 动量 de um corpo é $\text{mass} \times \text{velocity}$. É uma grandeza vetorial. Em uma colisão direta entre dois corpos, o momento total permanece inalterado. Esta é a conservação do momento linear 动量守恒:

$$m_1 u_1 + m_2 u_2 = m_1 v_1 + m_2 v_2.$$

Dois corpos antes de uma colisão e colados juntos movendo-se após ela
O momento total é o mesmo antes e depois da colisão.

Exemplo resolvido. Um corpo de massa $2\ \text{kg}$ movendo-se a $3\ \text{m s}^{-1}$ colide com um corpo estacionário de massa $1\ \text{kg}$, e eles se unem. Encontre a velocidade comum deles depois disso.

$$2(3) + 1(0) = (2 + 1)v \;\Rightarrow\; v = \frac{6}{3} = 2\ \text{m s}^{-1}.$$

Explorar

Uma colisão

Defina cada massa e velocidade e colida-os. O momento total permanece o mesmo antes e depois.

Vocabulário Treinar
Inglês Chinês Pinyin
momentum/məʊˈmentəm/ 动量 dòng liàng
conservation of momentum/ˌkɒnsəˈveɪʃn ɒv məʊˈmentəm/ 动量守恒 dòng liàng shǒu héng
Newton's laws of motion/ˈnjuːtnz lɔːz ɒv ˈməʊʃn/ 牛顿运动定律 niú dùn yùn dòng dìng lǜ
4.4

Leis de Newton do movimento

Programa
Os candidatos devem ser capazes de: Notas e exemplos
• aplicar as leis de Newton do movimento ao movimento linear de uma partícula de massa constante movendo-se sob a ação de forças constantes, que podem incluir atrito, tensão em uma corda inextensível e empuxo em uma haste de conexão Se outras forças resistindo ao movimento devem ser consideradas (p.ex. resistência do ar) isso será indicado na questão.
• usar a relação entre massa e peso $W = mg$. Neste componente, as questões são principalmente numéricas, e o uso do valor numérico aproximado $10\text{ (ms}^{-2}\text{)}$ para $g$ é esperado.
• resolver problemas simples que podem ser modelados como o movimento de uma partícula movendo-se verticalmente ou em um plano inclinado com aceleração constante Incluindo, por exemplo, o movimento de uma partícula em um plano rugoso onde a aceleração enquanto sobe pelo plano é diferente da aceleração enquanto desce pelo plano.
• resolver problemas simples que podem ser modelados como o movimento de partículas conectadas. p.ex. partículas conectadas por uma corda leve e inextensível passando por uma polia lisa, ou um carro rebocando uma carreta por meio de uma corda leve ou uma barra de tração rígida leve.

Fonte: Programa Cambridge International

As leis de Newton do movimento 牛顿运动定律 conectam força e aceleração. A principal delas é: força resultante $=$ massa 质量 $\times$ aceleração,

$$F = ma.$$
O peso 重力 de um corpo é a força da gravidade atuando sobre ele: $W = mg$. Forças em um problema podem incluir peso, atrito, tensão 张力 em uma corda, empuxo 推力 (empurrão) em uma barra, e resistência do ar 空气阻力.

Para movimento em um plano inclinado 斜面, decomponha cada força em uma componente paralela ao declive e uma perpendicular a ele, então aplique $F = ma$ ao longo do declive. Para partículas conectadas 连接质点 (unidas por uma corda), aplique $F = ma$ a cada corpo ou ao sistema todo.

Um bloco em uma rampa com peso, reação normal, tensão subindo pela rampa e atrito descendo-a
Em uma rampa, decomponha as forças ao longo do declive e perpendicularmente a ele.

Exemplo resolvido. Um bloco de massa $12\ \text{kg}$ é puxado para cima de um plano rugoso por uma corda paralela à rampa. O plano está a $20^\circ$ em relação à horizontal, o coeficiente de atrito é $0.4$, e a aceleração é $2\ \text{m s}^{-2}$. Encontre a tensão na corda.

A reação normal é $R = mg\cos 20^\circ = 120\cos 20^\circ = 112.8\ \text{N}$, logo o atrito é $F = \mu R = 0.4 \times 112.8 = 45.1\ \text{N}$. Ao longo da rampa, $T - mg\sin 20^\circ - F = ma$:

$$T = ma + mg\sin 20^\circ + F = 12(2) + 120\sin 20^\circ + 45.1 = 24 + 41.0 + 45.1 = 110\ \text{N (3 s.f.)}.$$

Explorar

Força resultante

F = ma

A força resultante determina a aceleração. Forças balanceadas ⇒ nenhuma aceleração.

Vocabulário Treinar
Inglês Chinês Pinyin
mass/mæs/ 质量 zhì liàng
weight/weɪt/ 重力 zhòng lì
tension/ˈtenʃn/ 张力 zhāng lì
inclined plane/ɪnˈklaɪnd pleɪn/ 斜面 xié miàn
connected particles/kəˈnektɪd ˈpɑːtɪklz/ 连接质点 lián jiē zhì diǎn
work done/wɜːk dʌn/ 功 gōng
kinetic energy/kɪˈnetɪk ˈenədʒi/ 动能 dòng néng
gravitational potential energy/ˌɡrævɪˈteɪʃənl pəˈtenʃl ˈenədʒi/ 重力势能 zhòng lì shì néng
conservation of energy/ˌkɒnsəˈveɪʃn ɒv ˈenədʒi/ 能量守恒 néng liàng shǒu héng
power/ˈpaʊə/ 功率 gōng lǜ
limiting equilibrium/ˈlɪmɪtɪŋ ˌiːkwɪˈlɪbrɪəm/ 极限平衡 jí xiàn píng héng
deceleration/dɪˌseləˈreɪʃn/ 减速度 jiǎn sù dù
thrust/θrʌst/ 推力 tuī lì
air resistance/eə rɪˈzɪstəns/ 空气阻力 kōng qì zǔ lì
4.5

Energia, trabalho e potência

Programa
Os candidatos devem ser capazes de: Notas e exemplos
• compreender o conceito de trabalho realizado por uma força, e calcular o trabalho realizado por uma força constante quando seu ponto de aplicação sofre um deslocamento não necessariamente paralelo à força $W = Fd \cos \theta$; O uso do produto escalar não é exigido.
• compreender os conceitos de energia potencial gravitacional e energia cinética, e usar fórmulas adequadas
• compreender e usar a relação entre a mudança na energia de um sistema e o trabalho realizado pelas forças externas, e usar em casos apropriados o princípio da conservação de energia Incluindo casos onde o movimento pode não ser linear (p.ex. uma criança em um 'deslize' curvo liso), onde apenas mudanças globais de energia precisam ser consideradas.
• use a definição de potência como a taxa com que uma força realiza trabalho, e utilize a relação entre potência, força e velocidade para uma força atuando na direção do movimento Incluindo o cálculo da (potência) média como
$$\frac{\text{Work done}}{\text{Time taken}}$$
$P = Fv$.
• resolver problemas envolvendo, por exemplo, a aceleração instantânea de um carro em movimento numa ladeira contra uma resistência.

Fonte: Programa Cambridge International

Uma montanha-russa com laço vertical
Uma montanha-russa troca energia potencial por energia cinética enquanto sobe e desce.

O trabalho realizado 功 por uma força constante é o produto escalar de força e deslocamento — a força vezes a distância percorrida na direção da força: $W = Fd\cos\theta$, onde $\theta$ é o ângulo entre a força e o movimento. O trabalho é medido em joules (J).

A energia vem em formas que você pode calcular:

  • Energia cinética 动能 (energia de movimento): $\text{KE} = \tfrac12 mv^2$.
  • Energia potencial gravitacional 重力势能 (energia de altura): $\text{PE} = mgh$.

O trabalho feito pelas forças externas é igual à mudança na energia total. Quando não há atrito, a energia total permanece a mesma — a conservação de energia 能量守恒.

Potência 功率 é a taxa de realização de trabalho. Para uma força puxando na direção do movimento, $P = Fv$ (potência $=$ força $\times$ velocidade). A potência é medida em watts (W).

Exemplo resolvido. O motor de um carro opera a $12\ \text{kW}$ enquanto o carro se move a $20\ \text{m s}^{-1}$ em uma estrada plana. Encontre a força motriz.

$$P = Fv \;\Rightarrow\; F = \frac{P}{v} = \frac{12000}{20} = 600\ \text{N}.$$

Explorar

Conservação de energia

Solte o objeto e observe a energia mudar de forma. Sem atrito, a EPE + EC permanece constante durante todo o caminho.

4.5

Dicas de prova

  • Desenhe um diagrama de forças claro e decomponha em componentes perpendiculares; para o equilíbrio, cada direção soma zero.
  • Use SUVAT apenas para aceleração constante e mantenha uma direção positiva consistente.
  • Aplique $F = ma$ ao longo da direção do movimento, incluindo o atrito ($F = \mu R$) em uma superfície rugosa.
  • Enuncie suas suposições (corda leve e inextensível, polia lisa, partícula) — elas frequentemente valem uma marca.

Aulas interativas sobre este tópico

Passe por ele passo a passo, com exercícios de verificação instantânea.

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