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Física I CO que é a Física?
Unidade de Aprendizagem 1
Professor: Mário Forjaz SeccaD t t d Fí i Professor: Mário Forjaz SeccaDepartamento de Física
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Física I C UA 1
O Que é a Física?
• “disciplina científica que estuda a energia e a matéria e as suas interacções uma com a outra”as suas interacções uma com a outraEncyclopaedia Britannica
• Physis (φισισ) = natureza
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Quantificação
• Grandezas• Ordens de grandeza• Ordens de grandeza• Medidas
Unidades• Unidades• Sistemas de unidades
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Grandezas
Contar até um bilião
• Todos nós sabemos contar até um bilião, mas quanto tempo demora a contar até um bilião?tempo demora a contar até um bilião?
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Contar até um bilião
• 1 bilião = 109
• Se demorarmos 1 segundo por número são necessários• Se demorarmos 1 segundo por número, são necessários 109 segundos, ou seja
• 109 /60 minutos = 16666667!• 10 /60 minutos = 16666667!• 109 /(60*60) horas = 277778!• 109 /(60*60*24) dias = 11574!• 109 /(60 60 24) dias = 11574!• 109 /(60*60*24*365) anos = 31.7 anos!!!
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Grandezas
População mundial
• Que área é que ocuparia toda a população mundial se estivesse em pé ao lado uns dos outros?estivesse em pé ao lado uns dos outros?
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População mundial
• O mundo tem 6 biliões de habitantes, 6 x 109.• Se 6 pessoas ocuparem 1 metro precisamos de 1 x 109• Se 6 pessoas ocuparem 1 metro precisamos de 1 x 109
m2.• Ou seja um quadrado com um lado de √(1 x 109)• Ou seja um quadrado com um lado de √(1 x 10 )• 31622 m = 31.622 km!!!
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Ordens de grandeza
• 1018exa E• 1015peta P
• 10-1 deci d• 10 -2 centi c• 1015peta P
• 1012tera T109 giga G
• 10. 2 centi c• 10-3 mili m• 10-6 micro µ• 109 giga G
• 106 mega M103 il k
• 10-6 micro µ• 10-9 nano n
10 12 pico p• 103 quilo k• 102 hecto h
101 d d
• 10-12 pico p• 10-15 femto f
10 18 tt• 101 deca da • 10-18 atto a
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Medidas
O que é que podemos quantificar ou medir?• Distância• Distância• Massa
Tempo• Tempo• Velocidade
F• Força• Temperatura, etc.
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Unidades
• Unidades de comprimento:polegada metro centímetro– polegada, metro, centímetro
• Unidades de massa:– kilograma grama libra– kilograma, grama, libra
• Unidades de tempo:– segundo– segundo
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Sistemas de unidades
• Conjunto de medidas uniforme e coerente aceites por um determinado número de pessoas com vista aum determinado número de pessoas com vista a facilitar o intercâmbio e o entendimento nas medições.
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Sistemas de unidades
• Já em 220 a.c. (!!!) Qin Shihuang o imperador chinêsShihuang o imperador chinês que unificou a China e mandou construir a Grande Muralha uniformizou os pesosMuralha uniformizou os pesos e medidas da China.
Figura 1
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Sistemas de unidades
Principais sistemas de unidades:• Sistema Internacional (SI)• Sistema Internacional (SI)
– metro, kilograma, segundo• Cgs• Cgs
– centímetro, grama, segundo• Sistema Imperial (ou Britânico)• Sistema Imperial (ou Britânico)
– polegada, libra, segundo
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Grandezas
• EscalaresConsistem apenas num valor de grandeza– Consistem apenas num valor de grandeza
• Vectoriais• Vectoriais– Para além da grandeza possuem direcção
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A Física
• A Física é uma tentativa de descrever o Universo, mas não é o Universo!
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Figura 2
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Mecânica
É o estudo do movimento dos objectos e das suas causas.
A Mecânica estuda conceitos como: posição, velocidade, aceleração força energia momentoaceleração, força, energia, momento.
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Mecânica
• Cinemática
• Dinâmica
• Estática
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Força
• Os corpos interagem uns com os outros por meio de interacções a que chamamos:interacções a que chamamos:
Forças
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Força
• Toda a causa capaz de alterar o estado de repouso ou movimento de um corpo ou ainda de lhe causarmovimento de um corpo, ou ainda de lhe causar deformação
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Forças
• Forças de contacto
Forças à distância• Forças à distância
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Forças de contacto
• Forças de acção directas
• Forças de atrito:Atrito entre dois sólidos– Atrito entre dois sólidos
– Atrito devido a um fluido
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Forças da natureza
• Força gravitacional• Força electromagnética• Força electromagnética• Força nuclear forte
Força nuclear fraca• Força nuclear fraca
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As Leis de Newton
A Primeira Lei ou Lei da Inércia
Um corpo permanece no seu estado inicial de repouso, ou de movimento com velocidade uniforme a menos quede movimento com velocidade uniforme, a menos que sofra a acção de uma força resultante externa não nula.
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Outra versão da 1ª Lei!
Figura 3
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As Leis de Newton
A Segunda Lei
A aceleração de um corpo é inversamente proporcional à massa do corpo e directamente proporcional à força resultante externa que actua sobre ele.
F = ma ou Fi = mai
∑i
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As Leis de Newton
O binómio de Newton é tão belo como a Vénus de Milo.O que há é pouca gente para dar por isso.
óóóó–óóóóóóóóó–óóóóóóóóóóóóóóó
(O vento lá fora).
Álvaro de Camposin Poesias.
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As Leis de Newton
A Terceira Lei
As forças aparecem sempre aos pares. Se um corpo A exerce uma força sobre um corpo B, então o corpo B exerce sobre A uma força igual mas oposta.g p
Acção = ReacçãoAcção ReacçãoF12 = – F21
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Torque
A tendência de uma força produzir rotação em torno de um eixoeixo.
τ = d × F × sin θτ = d × F × sin θ
• onde d é a distância do ponto de aplicação da força ao• onde d é a distância do ponto de aplicação da força ao eixo de rotação e F × sin θ é a força perpendicular ao eixo
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A balança
• As balanças funcionam por meio do equilíbrio de torquestorques.
• Sendo o torque de um dos braços positivo e o outro negativo, a balança equilibra-se quando os dois torques egat o, a ba a ça equ b a se qua do os do s to quesforem iguais mas de sentido contrário.
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Equilíbrio
Um corpo não tem movimento de translacção quando a soma de todas as forças que actuam sobre ele são iguaissoma de todas as forças que actuam sobre ele são iguais a zero.
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Equilíbrio estático
Um corpo está em equilíbrio estático se a soma de todas as forças e de todos os torques que actuam no corpo ç q q pforem zero.
Σ F = 0 e Σ τ = 0
j ã tá j it h l ã• ou seja, o corpo não está sujeito a nenhuma aceleração linear ou angular.
Professor Mário Forjaz Secca Pág. 31 de 53
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Equilíbrio Artístico
Figura 4 – Mobile “Black White and Red“ de Alexander Calder
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Figura 4 Mobile Black, White and Red de Alexander Calder
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Centro de Gravidade
A Terra exerce uma força de atracção em cada pequeno elemento da massa de um objectoelemento da massa de um objecto
• A soma desta forças é o peso do objecto• O peso pode ser considerado como uma força que actua• O peso pode ser considerado como uma força que actua
num único ponto chamado o Centro de massa (CM) ou Centro de gravidade (c.g.).g ( g )
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Equilíbrio e estabilidade
A posição do centro de massa com respeito à base de suporte determina se o corpo está estável ou não.
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Figura 4
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Equilíbrio e estabilidade
Quanto maior for a base de repouso mais estável está o corpo, mais difícil é virá-lo.
Professor Mário Forjaz Secca Pág. 35 de 53
Figura 5
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Estabilidade de um corpo
• Para o equilíbrio é necessário que o c.g. esteja perpendicularmente por cima da área de apoioperpendicularmente por cima da área de apoio.
• Um corpo cai quando o c g é deslocado para fora da• Um corpo cai quando o c.g. é deslocado para fora da área de apoio.
Professor Mário Forjaz Secca Pág. 36 de 53
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Estabilidade de um corpo
• Para um corpo pendurado, o equibíbrio é atingido quando o centro de gravidade está verticalmente emquando o centro de gravidade está verticalmente em linha com o ponto de suspensão.
Professor Mário Forjaz Secca Pág. 37 de 53
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Tensão num Cabo
Figura 6 Figura 7
Professor Mário Forjaz Secca Pág. 38 de 53
Figura 6
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Tensão num cabo
• Quando se pendura alguma coisa por meio de um cabo, o peso do objecto é transferido para o ponto de fixação através do cabo.at a és do cabo
Professor Mário Forjaz Secca Pág. 39 de 53Figura 8
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Tensão num cabo
• Em qualquer ponto de um cabo, se este estiver parado, ou fixo a soma das forças que actuam dentro dele temou fixo, a soma das forças que actuam dentro dele tem de ser nula.
T T
Figura 9
• Qualquer elemento no cabo sente duas tensões opostas e de igual grandeza.
Professor Mário Forjaz Secca Pág. 40 de 53
g g
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Estática dos quadros
A d d fi ã fi d d d
Figura 10 Figura 11
• Ao pendurar um quadro com um fio a tensão no fio depende do ângulo que o fio faz com o quadro, apesar do peso do quadro ser sempre o mesmo.
Professor Mário Forjaz Secca Pág. 41 de 53
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• Fvert = T x sin w• Fvert. = T x sin w• Fhorizontal -= T x cos w
Professor Mário Forjaz Secca Pág. 42 de 53
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Variação da tensão com o ângulo
Figura 12
• Ângulo = 90˚• Componente vertical = 1Np• Componente horizontal = 0• Tensão = 1 N
Professor Mário Forjaz Secca Pág. 43 de 53
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Variação da tensão com o ângulo
Figura 13
• Ângulo = 63.4˚• Componente vertical = 1Np• Componente horizontal = 0.5 N• Tensão = 1.22 N
Professor Mário Forjaz Secca Pág. 44 de 53
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Variação da tensão com o ângulo
Figura 14
• Ângulo = 45˚• Componente vertical = 1 Np• Componente horizontal = 1 N• Tensão = 1.41 N
Professor Mário Forjaz Secca Pág. 45 de 53
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Variação da tensão com o ângulo
Figura 15
• Ângulo = 33.6˚• Componente vertical = 1 Np• Componente horizontal = 1.5 N• Tensão = 1.8 N
Professor Mário Forjaz Secca Pág. 46 de 53
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Variação da tensão com o ângulo
Figura 16
• Ângulo = 26.5˚• Componente vertical = 1 Np• Componente horizontal = 2 N• Tensão = 2.24 N
Professor Mário Forjaz Secca Pág. 47 de 53
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Variação da tensão com o ângulo
Figura 17
• Ângulo = 21.8˚• Componente vertical = 1 Np• Componente horizontal = 2.5 N• Tensão = 2.69 N
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Variação da tensão com o ângulo
Figura 18
• Ângulo = 18.4˚• Componente vertical = 1 Np• Componente horizontal = 3 N• Tensão = 3.16 N
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Variação da tensão com o ângulo
Figura 19
• Ângulo = 15.9˚• Componente vertical = 1 Np• Componente horizontal = 3.5 N• Tensão = 3.64 N
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Pendurar um quadro
• Quando se pendura um quadro com fio de nylon, normalmente tem-se em conta a tensão máxima do fionormalmente tem se em conta a tensão máxima do fio.
• Contudo esta tensão apenas em parte tem a ver com o peso do quadro, sendo a forma como se pendura o peso do quad o, se do a o a co o se pe du a oquadro extremamente importante para se chegar à tensão final.
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Pendurar um quadro
Para pendurar um quadro com um determinado peso, quanto menor fôr o ângulo que o fio faz com a horizontalquanto menor fôr o ângulo que o fio faz com a horizontal, maior será a tensão que o fio terá de ter para produzir a mesma força vertical que suporta o quadro.
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Importância da Superfície
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Figura 20 – Iluminação de um quadro com uma superfície mate e uma superfície brilhante