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Cinemática

Física C: Mecânica do AP · Tópico 1

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7:31

Cinemática

Um foguete decola. A cada segundo, seu motor queima mais forte, então sua aceleração continua crescendo. Agora tente encontrar sua velocidade com as equações do seu primeiro…

Narração em inglês · Legendas em inglês + 中文 gravadas

1.1

Escalares e Vetores

Programa

Objetivo de Aprendizagem 1.1.A: Descreva uma grandeza escalar ou vetorial usando magnitude e direção, conforme apropriado.

  • 1.1.A.1 Escalares são grandezas descritas apenas por magnitude; vetores são grandezas descritas por magnitude e direção.
  • 1.1.A.2 Vetores podem ser modelados visualmente como setas com direção adequada e comprimentos proporcionais à sua magnitude.
  • 1.1.A.3 Distância e velocidade escalar são exemplos de grandezas escalares, enquanto posição, deslocamento, velocidade e aceleração são exemplos de grandezas vetoriais.
  • 1.1.A.4 Vetores podem ser expressos em notação de vetores unitários ou como uma magnitude e uma direção.
    • 1.1.A.4.i A notação de vetores unitários pode ser usada para representar vetores como a soma de seus componentes constituintes nas direções $x$-, $y$- e $z$-, denotadas por $\hat{i}$, $\hat{j}$ e $\hat{k}$, respectivamente.
      • Equação: $\vec{r} = \left( A\hat{i} + B\hat{j} + C\hat{k} \right)$
    • 1.1.A.4.ii O vetor posição de um ponto é dado por $\vec{r}$, e o vetor unitário na direção do vetor posição é denotado $\hat{r}$.
    • 1.1.A.4.iii Um vetor resultante é a soma vetorial dos componentes dos vetores adendos.
      • Equação: $\vec{C} = \vec{A} + \vec{B}$
      • Equação: $\vec{C} = \left( A_x + B_x \right)\hat{i} + \left( A_y + B_y \right)\hat{j}$
  • 1.1.A.5 Em um sistema de coordenadas unidimensional dado, direções opostas são denotadas por sinais opostos.

Fonte: College Board AP Course and Exam Description

Cinemática 运动学 descreve o movimento. Dois tipos de quantidade:

  • Um escalar 标量 tem apenas tamanho (magnitude 大小): distância, velocidade escalar, massa, tempo.
  • Um vetor 矢量 tem magnitude e direção: deslocação, velocidade, aceleração, força.

Neste curso baseado em cálculo, você resolve vetores em componentes 分量 e os soma componente por componente; a magnitude de um vetor é $\sqrt{v_x^2+v_y^2+\cdots}$. Física C também escreve vetores com vetores unitários 单位矢量: $\vec{v}=v_x\hat{i}+v_y\hat{j}$, onde $\hat{i}$ e $\hat{j}$ são direções de comprimento um ao longo de $x$ e $y$ – útil porque o cálculo pode atuar em cada componente separadamente.

Resolvendo um vetor em suas componentes x e y
Resolvendo um vetor em suas componentes x e y
Um velocímetro de carro: a velocidade é a magnitude da velocidade vetorial — uma taxa escalar de movimento
Um velocímetro de carro: a velocidade escalar é a magnitude da velocidade — uma taxa escalar de movimento
Explorar

Explore o produto escalar

Arraste as componentes de $\vec{A}$ e $\vec{B}$. O produto escalar $\vec{A}\cdot\vec{B}=A_xB_x+A_yB_y$ atinge zero exatamente quando os dois vetores são perpendiculares — a geometria por trás de $\cos\theta$.

Vocabulário Treinar
Inglês Chinês Pinyin
scalar/ˈskeɪlə/ 标量 biāo liàng
magnitude/ˈmæɡnɪtjuːd/ 大小 dà xiǎo
vector/ˈvektə/ 矢量 shǐ liàng
components/kəmˈpəʊnənts/ 分量 fèn liàng
unit vectors/ˈjuːnɪt ˈvektəz/ 单位矢量 dān wèi shǐ liàng
derivatives/dɪˈrɪvətɪvz/ 导数 dǎo shù
average velocity/ˈævrɪdʒ vəˈlɒsɪti/ 平均速度 píng jūn sù dù
instantaneous velocity/ˌɪnstənˈteɪnɪəs vəˈlɒsɪti/ 瞬时速度 shùn shí sù dù
free fall/friː fɔːl/ 自由落体 zì yóu luò tǐ
reference frame/ˈrefrəns freɪm/ 参考系 cān kǎo xì
relative motion/ˈrelətɪv ˈməʊʃn/ 相对运动 xiāng duì yùn dòng
projectile motion/prəˈdʒektaɪl ˈməʊʃn/ 抛体运动 pāo tǐ yùn dòng
1.2

Deslocação, Velocidade e Aceleração

Programa

Objetivo de Aprendizagem 1.2.A: Descreva uma mudança na posição de um objeto.

  • 1.2.A.1 Ao usar o modelo de objeto, o tamanho, a forma e a configuração interna são ignorados. O objeto pode ser tratado como um único ponto com propriedades extensivas como massa e carga.
  • 1.2.A.2 Deslocamento é a mudança na posição de um objeto.
    • Equação: $\Delta x = x - x_0$

Objetivo de Aprendizagem 1.2.B: Descreva a velocidade média e a aceleração de um objeto.

  • 1.2.B.1 As médias de velocidade e aceleração são calculadas considerando os estados inicial e final de um objeto ao longo de um intervalo de tempo.
  • 1.2.B.2 A velocidade média é o deslocamento de um objeto dividido pelo intervalo de tempo em que esse deslocamento ocorre.
    • Equação: $\vec{v}_{\text{avg}} = \dfrac{\Delta \vec{x}}{\Delta t}$
  • 1.2.B.3 A aceleração média é a variação da velocidade dividida pelo intervalo de tempo em que essa variação de velocidade ocorre.
    • Equação: $\vec{a}_{\text{avg}} = \dfrac{\Delta \vec{v}}{\Delta t}$
  • 1.2.B.4 Um objeto está acelerando se a magnitude e/ou a direção da velocidade do objeto estiverem mudando.
  • 1.2.B.5 O cálculo da velocidade ou aceleração média sobre um intervalo de tempo muito pequeno resulta em um valor muito próximo da velocidade ou aceleração instantânea.

Objetivo de Aprendizagem 1.2.C: Descrever a posição instantânea, velocidade e aceleração de um objeto como função do tempo.

  • 1.2.C.1 À medida que o intervalo de tempo usado para calcular o valor médio de uma grandeza se aproxima de zero, o valor médio dessa grandeza se aproxima do valor da grandeza naquele instante, chamado de valor instantâneo.
    • 1.2.C.1.i A velocidade instantânea é a taxa de variação da posição do objeto, que é igual à derivada da posição em relação ao tempo.
      • Equação: $\vec{v} = \dfrac{d\vec{r}}{dt}$
      • Equação: $v_x = \dfrac{dx}{dt}$
    • 1.2.C.1.ii A aceleração instantânea é a taxa de variação da velocidade do objeto, que é igual à derivada da velocidade em relação ao tempo.
      • Equação: $\vec{a} = \dfrac{d\vec{v}}{dt}$
      • Equação: $a_x = \dfrac{dv_x}{dt}$
  • 1.2.C.2 Funções dependentes do tempo e valores instantâneos de posição, velocidade e aceleração podem ser determinados usando diferenciação e integração.

Fonte: College Board AP Course and Exam Description

Movimento de projétil é dois movimentos independentes

Como o movimento pode mudar continuamente, defina as taxas como derivadas 导数:

$$v=\frac{dx}{dt},\qquad a=\frac{dv}{dt}=\frac{d^2x}{dt^2}.$$
Invertendo isso, integre para recuperar velocidade e posição:
$$v(t)=v_0+\int_0^t a\,dt,\qquad x(t)=x_0+\int_0^t v\,dt.$$
Distinga a média da instantânea: velocidade média 平均速度 é $\Delta x/\Delta t$ sobre um intervalo, enquanto velocidade instantânea 瞬时速度 é a derivada em um momento – a inclinação da linha tangente, e o que um velocímetro mostra.

Para aceleração constante, estas dão as equações cinemáticas familiares ($v=v_0+at$, $x=x_0+v_0t+\tfrac12at^2$, $v^2=v_0^2+2a\,\Delta x$). O caso mais importante de $a$ constante é a queda livre 自由落ite: perto da superfície da Terra, todo objeto, pesado ou leve, acelera para baixo a $g=9.8\ \text{m/s}^2$ assim que a resistência do ar é desprezível. Quando $a$ ou $v$ varia com o tempo, use as integrais diretamente.

Exemplo resolvido. Uma partícula se move com $x(t)=2t^3-3t^2$ (metros). Diferencie para obter velocidade e aceleração:

$$v=\frac{dx}{dt}=6t^2-6t,\qquad a=\frac{dv}{dt}=12t-6.$$
Em $t=2\ \text{s}$, $v=24-12=12\ \text{m/s}$ e $a=24-6=18\ \text{m/s}^2$. Essa conexão de cálculo — não apenas as fórmulas de constante-$a$ — é o que diferencia a Física C.

Exemplo resolvido. Uma partícula parte do repouso na origem com $a(t)=6t$. Integre: $v=\int 6t\,dt=3t^2$ e $x=\int 3t^2\,dt=t^3$. Em $t=2\ \text{s}$, $v=12\ \text{m/s}$ e $x=8\ \text{m}$.

Num gráfico de velocidade-tempo, a inclinação é a aceleração e a área é o deslocamento
Num gráfico de velocidade-tempo, a inclinação é a aceleração e a área é o deslocamento
Um comboio de alta velocidade: a cinemática descreve deslocação, velocidade e aceleração ao longo do tempo
Um comboio de alta velocidade: a cinemática descreve deslocação, velocidade e aceleração ao longo do tempo
Vocabulário Treinar
Inglês Chinês Pinyin
Kinematics/ˌkɪnɪˈmætɪks/ 运动学 yùn dòng xué
1.3

Representação do Movimento

Programa

Objetivo de Aprendizagem 1.3.A: Descrever a posição, velocidade e aceleração de um objeto usando representações do movimento desse objeto.

  • 1.3.A.1 O movimento pode ser representado por diagramas de movimento, figuras, gráficos, equações e descrições narrativas.
  • 1.3.A.2 Para aceleração constante, três equações cinemáticas podem ser usadas para descrever o movimento linear instantâneo em uma dimensão:
    • Equação: $v_x = v_{x0} + a_x t$
    • Equação: $x = x_0 + v_{x0} t + \dfrac{1}{2} a_x t^2$
    • Equação: $v_x^2 = v_{x0}^2 + 2a_x \left( x - x_0 \right)$
    • Nota: As equações acima foram escritas para indicar movimento na direção $x$, mas essas equações podem ser usadas em qualquer dimensão única conforme apropriado.
  • 1.3.A.3 Perto da superfície da Terra, a aceleração vertical causada pela força da gravidade é para baixo, constante e tem um valor medido aproximadamente igual a
    • Equação: $a_g = g \approx 10 \ \text{m/s}^2$.
  • 1.3.A.4 Gráficos de posição, velocidade e aceleração como funções do tempo podem ser usados para encontrar as relações entre essas grandezas.
    • 1.3.A.4.i A velocidade instantânea de um objeto é a taxa de variação da posição do objeto, que é igual à inclinação (coeficiente angular) de uma linha tangente a um ponto em um gráfico da posição do objeto em função do tempo.
      • Equação: $v_x = \dfrac{dx}{dt}$
    • 1.3.A.4.ii A aceleração instantânea de um objeto é a taxa de variação da velocidade do objeto, que é igual à inclinação (coeficiente angular) de uma linha tangente a um ponto em um gráfico da velocidade do objeto em função do tempo.
      • Equação: $a_x = \dfrac{dv_x}{dt}$
    • 1.3.A.4.iii O deslocamento de um objeto durante um intervalo de tempo é igual à área sob a curva de um gráfico da velocidade do objeto em função do tempo (i.e., a área delimitada pela função e pelo eixo horizontal para o intervalo apropriado).
      • Equação: $\Delta x = \displaystyle\int_{t_1}^{t_2} v_x(t) \ dt$
    • 1.3.A.4.iv A variação da velocidade de um objeto durante um intervalo de tempo é igual à área sob a curva de um gráfico da aceleração do objeto em função do tempo.
      • Equação: $\Delta v_x = \displaystyle\int_{t_1}^{t_2} a_x(t) \ dt$

Declaração de limite: AP Physics C: Mechanics e AP Physics C: Electricity and Magnetism esperam que, para todas as situações em que uma quantidade numérica seja necessária para g, o valor $g \approx 10 \ \text{m/s}^2$ será usado. No entanto, os alunos não serão penalizados por usarem corretamente os valores mais precisos comumente aceitos de $g = 9.81 \ \text{m/s}^2$ ou $g = 9.8 \ \text{m/s}^2$.

Fonte: College Board AP Course and Exam Description

Mova-se fluidamente entre descrição, gráfico, tabela e equação:

Um gráfico de posição-tempo: a inclinação em qualquer instante é a velocidade
Um gráfico de posição-tempo: a inclinação em qualquer instante é a velocidade
  • Num gráfico de posição-tempo, a inclinação ($dx/dt$) é a velocidade.
  • Num gráfico de velocidade-tempo, a inclinação é a aceleração e a área ($\int v\,dt$) é o deslocamento.
  • Num gráfico de aceleração-tempo, a área ($\int a\,dt$) é a variação da velocidade.

Inclinações são derivadas; áreas são integrais — as duas são operações inversas aqui.

Posição, velocidade e aceleração estão ligadas por derivação
Posição, velocidade e aceleração estão ligadas por derivação
Explorar

Explore o gráfico velocidade-tempo

Altere a velocidade inicial e a aceleração. A inclinação de uma linha $v$–$t$ é a aceleração $a=\tfrac{dv}{dt}$, e a área abaixo é o deslocamento $\Delta x=\int v\,dt$ — inclinação e área são as faces gráficas da derivada e da integral.

1.4

Referenciais e Movimento Relativo

Programa

Objetivo de Aprendizagem 1.4.A: Descrever o sistema de referência de um observador dado.

  • 1.4.A.1 A escolha do sistema de referência determinará a direção e a magnitude das grandezas medidas por um observador nesse sistema de referência.

Objetivo de Aprendizagem 1.4.B: Descrever o movimento de objetos medidos por observadores em diferentes sistemas de referência inerciais.

  • 1.4.B.1 Medições de um dado sistema de referência podem ser convertidas em medições de outro sistema de referência.
  • 1.4.B.2 A velocidade observada de um objeto resulta da combinação da velocidade do objeto e da velocidade do sistema de referência do observador.
    • 1.4.B.2.i A combinação do movimento de um objeto e do movimento de um observador em um dado sistema de referência envolve a adição ou subtração de vetores.
    • 1.4.B.2.ii A aceleração de qualquer objeto é a mesma quando medida de todos os sistemas de referência inerciais.

Declaração de limite: A menos que indicado de outra forma, assume-se que o sistema de referência de qualquer problema seja inercial.

Fonte: College Board AP Course and Exam Description

Todo movimento é relativo a um sistema de referência 参考系. Combine velocidades por adição vetorial: $\vec{v}_{A/C}=\vec{v}_{A/B}+\vec{v}_{B/C}$. Isso resolve problemas de barcos atravessando rios e passageiros em veículos em movimento — problemas de movimento relativo 相对运动. Leia os subscritos como uma cadeia: "A relativo a B" mais "B relativo a C" resulta em "A relativo a C".

Exemplo resolvido. Um barco que se move a $4.0\ \text{m/s}$ em água parada navega diretamente transversal a um rio que flui a $3.0\ \text{m/s}$. Relativo ao solo, o barco se move a $\sqrt{4.0^2+3.0^2}=5.0\ \text{m/s}$, angulado rio abaixo. Se o rio tem $80\ \text{m}$ de largura, a travessia ainda leva $t=\dfrac{80}{4.0}=20\ \text{s}$ — apenas a componente transversal cruza o rio; a correnteza apenas arrasta o barco $60\ \text{m}$ rio abaixo.

1.5

Movimento em Duas ou Três Dimensões

Programa

Objetivo de Aprendizagem 1.5.A: Descrever o movimento de um objeto movendo-se em duas ou três dimensões.

  • 1.5.A.1 O movimento em duas ou três dimensões pode ser analisado usando relações cinemáticas unidimensionais se o movimento for separado em componentes.
  • 1.5.A.2 A velocidade e a aceleração podem ser diferentes em cada dimensão e podem ser não uniformes.
  • 1.5.A.3 O movimento em uma dimensão pode ser alterado sem causar mudança em uma dimensão perpendicular.
  • 1.5.A.4 O movimento de projéteis é um caso especial de movimento bidimensional que possui aceleração zero em uma dimensão e aceleração constante e não nula na segunda dimensão.

Declaração de limite: AP Physics C: Mechanics espera apenas que os alunos analisem quantitativamente o movimento de um objeto em duas dimensões. AP Physics C: Electricity and Magnetism espera que os alunos também descrevam qualitativamente o movimento de uma partícula em três dimensões.

Fonte: College Board AP Course and Exam Description

Em duas ou três dimensões, a posição é um vetor $\vec{r}(t)=\langle x(t),y(t),z(t)\rangle$, e a velocidade e a aceleração são suas derivadas sucessivas — cada componente tratada independentemente.

Exemplo resolvido. $\vec{r}(t)=\big(2t^2\big)\hat{i}+\big(4t-t^3\big)\hat{j}$ (metros). Derivando cada componente: $\vec{v}=4t\,\hat{i}+(4-3t^2)\,\hat{j}$ e $\vec{a}=4\,\hat{i}-6t\,\hat{j}$. Em $t=1\ \text{s}$: $\vec{v}=4\hat{i}+1\hat{j}$, então a rapidez é $\sqrt{17}\approx4.1\ \text{m/s}$ — nenhuma física nova, apenas uma derivada por componente.

Um projétil lançado em um ângulo: os movimentos horizontal e vertical são independentes
Um projétil lançado em um ângulo: os movimentos horizontal e vertical são independentes

Para movimento de projéteis 抛体运动, os movimentos horizontal e vertical são independentes, ligados apenas pelo tempo $t$: horizontalmente $a_x=0$ (velocidade constante), verticalmente $a_y=-g$. A trajetória é uma parábola. Esse método de componentes estende-se a qualquer movimento bidimensional onde as acelerações ao longo de cada eixo são conhecidas.

Exemplo resolvido. Uma bola é lançada a $20\ \text{m/s}$, $30^{\circ}$ acima da horizontal ($g=9.8\ \text{m/s}^2$). As componentes são $v_{0x}=20\cos30^{\circ}=17.3\ \text{m/s}$ e $v_{0y}=20\sin30^{\circ}=10\ \text{m/s}$. O movimento vertical define o tempo: voo total $=\dfrac{2v_{0y}}{g}=\dfrac{20}{9.8}=2.0\ \text{s}$, altura máxima $=\dfrac{v_{0y}^2}{2g}=5.1\ \text{m}$, e alcance $=v_{0x}\times2.0=35\ \text{m}$.

Um projétil lançado em um ângulo: componentes de velocidade, altura máxima e alcance
Um projétil lançado em um ângulo: componentes de velocidade, altura máxima e alcance
Explorar

Explore o movimento balístico

Dispare o projétil, depois varie o ângulo e a velocidade. O movimento horizontal é constante enquanto a gravidade age apenas para baixo — juntos eles traçam uma parábola. Encontre o ângulo que dá o maior alcance (atinge o pico perto de $45^\circ$) e tente na Lua.

1.5

Dicas de prova

  • Resolva todo vetor em componentes antes de somar — nunca some magnitudes em um ângulo diretamente.
  • Na Física C, espera-se que você use cálculo: velocidade é $\vec v=\tfrac{d\vec r}{dt}$ e aceleração $\vec a=\tfrac{d\vec v}{dt}$; invirta com integração.
  • Mantenha e verifique unidades e trate direção com sinais (escolha um eixo positivo e mantenha-o).
  • Use o produto escalar para quantidades tipo trabalho e o produto vetorial para torque e momento angular.
  • Esboce os vetores — um diagrama captura erros de sinal e direção que a álgebra esconde.

Aulas interativas sobre este tópico

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

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