os Fundamentos da Fisica - Vol 1 - 9 Ed - Ramalho- Mecanica- Blog - Conhecimentovaleouro Blogspot com

RAMALHO • NICOLAU • TOLEDO OS FUNDAMENTOS DA FÍSICA 1 Mecânica Moderna Francisco Ramalho Junior Professor de Física em cursos pré-vestibulares. Nicolau Gilberto Ferraro Licenciado em Física pelo Instituto de Física da Universidade de São Paulo. Engenheiro metalurgista pela Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. Professor de Física em cursos pré-vestibulares e em escolas do ensino médio e superior. Paulo Antônio de Toledo Soares Médico diplomado pela Universidade de São Paulo. Professor de Física em cursos pré-vestibulares e em escolas do ensino médio. OS FUNDAMENTOS DA Mecânica Contém CD-ROM Novas seções: Entre na rede Leia mais A Física em nosso Mundo 9ª edição Moderna © Francisco Ramalho Junior, Nicolau Gilberto Ferraro, Paulo Antônio de Toledo Soares, 2007 Moderna Coordenação editorial: José Luiz Carvalho da Cruz Edição de texto: Patricia Furtado, Karen Trubnik Alves Ventura, Alexandre Raymundo, Dalva Quintiliano Assistência editorial: Marilia Kiryu Katayama Coordenação de design e projetos visuais: Sandra Botelho de Carvalho Honma Projeto gráfico: Unifica Oficina Comunicação Visual e Arquitetura Ltda. Capa: Mariza de Souza Porto Coordenação de produção gráfica: André Monteiro, Maria de Lourdes Rodrigues Coordenação de revisão: Eristwan Wirle Ledo Jr. Revisão: Lúcia Cardia de Exposição Coordenação de arte: Wilson Gazoni Agostinho Edição de arte: Wilson Gazoni Agostinho Ilustrações: Adison Seroco, Ader de Paula Mendes Filho, Nelson Matsuda Cartografia: Alessandro Passos da Costa Editorial eletrônica: Setup Bureau Editoração Eletrônica Coordenação de pesquisa iconográfica: Ana Lucia Soares Pesquisa iconográfica: Liora da Silva Barrionuevo As imagens identificadas com a sigla CDer formam recebidas pelo Centro de Informação e Documentação da Escritora Moderna Coordenação de bureame: Américo Julsess Tratamento de imagens: Evaldo de Almeida, Fabio H. Precencio, Rubens M. Rodrigues Pré-impressão Helio- - F. de Souza Filho, Marcio Hidyuki Katmoto Coordenação de produção industrial: Wilson Aparecido Trouppe Impressão e acabamento: Cy Aos professores Cláudio Knaemer Cipriani Luci David Goldmann Vel Lejbman Luiz Ferrez Netto Mauro Sergio Dorsa Cattani Roberto Boccia Vilma Sidneia Weider Volo queremos expressar nosso profundo agradecimento pela participação nesta edição, fazendo leituras críticas da obra, com valiosas sugestões, e resolvendo exercícios para garantir a correção das respostas, além de outras importantes contribuições aqui não mencionadas. Dados Internacionais de Catalogação na Publicação (CIP) (Câmara Brasileira do livro, SP, Brasil) Ramalho Junior, Francisco 1941- Os fundamentos da Física / Francisco Ramalho Junior, Nicolau Gilberto Ferraro, Paulo Antônio de Toledo Soares. – 9ª ed., rev e ampl. -- São Paulo: Moderna, 2007. “Apendice: O sistema Internacional de Unidades” Suplemento para manual do professor. Conteúdo- v. 1. Mecânica -- v. 2. Termologia, óptica e ondas -- v. 3. Eletricidade, motivoção e física moderna e de introdimensional. Bibliografia. 1. Física Ensino médio 2. Física (Ensino médio) - Problemas, exercícios etc. I. Ferraro, Nicolau Gilberto, 1940 -- II. Soares, Paulo Antônio de Toledo, 1941 -- III. Title. 07-4124 CDD-530.7 Índices para catálogo sistemático: 1. Física: Ensino e ensino 530.7 ISBN 978-85-16-65655-1 (LA) ISBN 978-85-16-65658-0 (LP) Reprodução proibida. Art. 184 Código Penal e Lei 9610 de 19 de fevereiro de 1998. Todos os direitos reservandos. EDITORA MODERNA LTDA. Rua Padre Adelino, 758 - Belenhsad São Paulo-SP - Cep: 03303-904 Venda de livros: (11) 6090-1500 Informação. (11) 6090-1499 www.modema.com.br 2007 Impresso no Brasil 1 3 5 7 9 10 8 6 4 2 APRESENTAÇÃO Como acontece a cada nova edição de Os fundamentos de Física, ao preparar esta 9ª edição, procuramos acatar sugestões e críticas de vários colegas professores, aos quais agradecemos, e incorporar novos itens, sempre com a intenção de aprimorar nossa obra. Nesta edição, o conteúdo programático dos três volumes foi mantido. O primeiro volume é dedicado à Mecânica; o segundo aborda a Termologia, a Óptica e os Fenômenos Ondulatórios; e no terceiro volume, além de Eletricidade e da Unidade Dimensional, são apresentadas algumas noções de Física Moderna (Relatividade Especial, Física Quântica e Física Nuclear). Os fundamentos de Física continua sendo um marco no ensino e aprendizado dessa ciência no país. É uma obra que relaciona as leis e os fenômenos físicos do dia-a-dia ao desenvolvimento de processos tecnológicos. A estrutura básica da obra não foi modificada em relação à edição anterior. A exposição teórica de um tema vem sempre acompanhada por exercícios resolvidos, cuja finalidade é analisar, elucidar e mesmo ampliar a teoria apresentada. Com objetivo semelhante, há os exercícios propostos, com os quais o aluno pode exercitar e assimilar os itens teóricos. Há ainda, em muitos capítulos, exercícios propostos de recapitulação, que além de um grau de dificuldade maior que os anteriores, têm por objetivo revisar e complementar os assuntos abordados. No final de cada capítulo, estão os testes propostos, ordenados de acordo com a exposição da teoria. Os exercícios propostos de recapitulação e os testes propostos, em sua maioria, foram extraídos de provas dos vestibulares recentes das principais escolas superiores do país. Exercícios especiais, presentes em alguns capítulos, têm outra finalidade: aprofundar ainda mais os conteúdos e relacioná-los com conceitos vistos anteriormente. As atividades experimentais foram em sua maioria mantidas; algumas foram ampliadas e novas experiências foram incorporadas. A fim de facilitar a realização das experiências propostas, acrescentamos novas instruções, com o intuito de que, o “pôr a mão na massa” para realizar essa atividades, o aluno tenha o interesse pela Física aumentado e que ele possa compreender melhor essa ciência e, assim o desejarmos, fasciná-lo a seus temas. Os textos sobre História da Física foram revistos e ampliados; alguns são novos. Esses textos situam o tema exposto cientificamente e, com base em seu contexto histórico, destacam as experiências e realizações de cientistas, descrevem seus estudos, suas pesquisas e suas teorias. Assim, temos Enquanto isso..., em que fazemos breves considerações a respeito das personalidades importantes do período, em diferentes ramos de atividade. Ao final de vários capítulos, inserimos leituras especiais, com o título A Física em nosso Mundo, com a finalidade de mostrar que essa ciência está fortemente relacionada com a vida e o cotidiano do ser humano. Após cada uma dessas leituras, sugerimos novos exercícios em Teste sua leitura, para que o aluno possa aplicar os conhecimentos apresentados no texto. Acompanhando a expansão tecnológica de nossa sociedade, em cada capítulo indicamos endereços eletrônicos (Entre na rede), onde o aluno poderá obter mais informações sobre os diversos assuntos desenvolvidos e trabalhar com animações e simulações de alguns dos fenômenos estudados. Paralelamente, mantivemos na Internet um endereço que poderá ser visitado por professores e estudantes. Cada volume da obra apresenta, em suas primeiras páginas, uma Linha do tempo, na qual são citados cronologicamente os principais fatos históricos do nosso mundo e as pessoas que se destacaram nos vários campos da atividade humana, desde 1500 até os dias atuais. Ao final de cada um dos três volumes há um apêndice no qual são apresentados o Sistema Internacional de Unidades, um quadro geral de unidades, as respostas de todos os exercícios do volume e o índice remissivo. Críticas, sugestões e comentários dos colegas professores e dos estudantes — indispensáveis para o aprimoramento desta obra — são sempre bem-vindos e podem ser encaminhados à Editora Moderna. Ramalho Nicolau Toledo Visite nosso site em: http://www.moderna.com.br/moderna/catalogo/index_html SUMÁRIO PARTE 1 INTRODUÇÃO GERAL Capítulo 1 - Introdução à Física, 2 1. Introdução, 2 2. O que é a Física, 2 3. Ramos da Física, 3 4. O Universo, 3 5. Física e Matemática, 4 6. Método em Física, 4 7. Medida de comprimento e tempo, 5 Leitura — O metro, 5 8. Algarismos significativos, 6 9. Operações com algarismos significativos, 6 10. Notação científica, 7 11. Ordem de grandeza, 7 História da Física — Primeiras descobertas e a revolução copernicana, 12 PARTE 2 DESCRIÇÃO DO MOVIMENTO: CINEMÁTICA ESCALAR Capítulo 2 - Introdução ao estudo dos movimentos, 14 1. Introdução, 14 2. Posição numa trajetória, 14 3. Referencial, 16 4. Velocidade escalar média e velocidade escalar instantânea, 18 Leitura — Comparando velocidades, 20 Exercícios propostos de recapitulação, 24 Exercícios propostos de recapitulação, 24 A Física em nosso Mundo — O sistema de posicionamento global, 28 Capítulo 3 - Estudo do movimento uniforme, 30 1. Movimento progressivo e retrógrado, 30 2. Função horária, 31 3. Movimento uniforme (MU), 32 4. Função horária do MU, 32 Exercícios propostos de recapitulação, 36 Exercícios especiais de movimento uniforme, 38 Atividade experimental — Análise de um movimento uniforme, 45 Atividade experimental — Encontro de móveis em movimento uniforme, 46 Capítulo 4 - Movimentos com velocidade escalar variável. Movimento uniformemente variado, 47 1. Movimentos com velocidade escalar variável, 47 2. Aceleração escalar, 47 Leitura — Comparando acelerações, 48 3. Movimento acelerado e retardado, 50 4. Função horária da velocidade, 52 5. Movimento uniformemente variado (MUV), 53 6. Funções horárias do MUV, 55 7. Velocidade escalar média no MUV, 60 8. Equação de Torricelli para o MUV, 62 Exercícios propostos de recapitulação, 63 A Física em nosso Mundo— Da decolagem ao pouso, 67 Atividade experimental — Análise de um movimento uniformemente variado, 69 Capítulo 5 - Movimento vertical no vácuo, 70 1. Introdução, 70 2. Descrição matemática, 70 Leitura — Comparando acelerações com a da gravidade, 72 Exercícios propostos de recapitulação, 76 Atividade experimental — Determinação da aceleração da gravidade, 79 História da Física — Galileu Galilei, 80 Capítulo 6 - Gráficos. Gráficos do MU e do MUV, 82 1. Gráficos, 82 2. Funções básicas, 83 2.1. Função constante, 83 2.2. Função do 1º grau, 84 2.3. Função do 2º grau, 85 3. Coeficiente angular da reta, 86 Cálculo de áreas, 89 5. Gráficos do MU, 90 6. Gráficos do MUV, 93 6.1. Função x = f(t), 93 6.2. Função v = f(t), 94 6.3. Função a = f(t), 94 6.4. Resumo: gráficos do MUV, 95 Exercícios propostos de recapitulação, 100 Exercícios especiais de gráficos do MUV, 106 A Física em nosso Mundo — Outras representações gráficas, 109 VETORES E GRANDEZAS VETORIAIS: CINEMÁTICA VETORIAL Capítulo 7 - Vetores, 114 1. Noção de direção e sentido, 114 2. Grandezas escalares e grandezas vetoriais, 114 3. Vetor, 115 4. Adição vetorial, 116 5. Veto oposto, 117 6. Subtração vetorial, 118 7. Produto de um número real por um vetor, 119 8. Componentes de um vetor, 121 Exercícios propostos de recapitulação, 123 Capítulo 8 - Velocidade e aceleração vetoriais, 125 1. Introdução, 125 2. Vetor deslocamento, 125 3. Velocidade vetorial média, 126 4. Velocidade vetorial instantânea, 127 5. Aceleração vetorial média, 128 6. Aceleração vetorial instantânea, 129 6.1. Aceleração tangencial, 129 6.2. Aceleração centrípeta, 129 6.3. Aceleração vetorial, 130 7. Casos particulares importantes, 130 7.1. MRU (movimento retilíneo e uniforme), 130 7.2. MCU (movimento circular e uniforme), 130 7.3. MRUV (movimento retilíneo uniformemente variado), 131 7.4. MCUV (movimento circular uniformemente variado), 131 8. Composição de movimentos, 132 Exercícios propostos de recapitulação, 138 A Física em nosso Mundo — Como utilizar um guia de ruas, 142 Capítulo 9 - Lançamento horizontal e lançamento oblíquo no vácuo, 144 1. Princípio da independência dos movimentos simultâneos (Galileu), 144 2. Lançamento horizontal no vácuo, 144 2.1. Queda livre, 145 2.2. Movimento horizontal, 145 3. Lançamento oblíquo no vácuo, 148 3.1. Movimento vertical (MUV), 148 3.2. Movimento horizontal (MU), 149 Leitura — A parábola, 151 Exercícios propostos de recapitulação, 154 Exercícios especiais de lançamento horizontal e oblíquo, 158 Atividade experimental — Determinação da velocidade no lançamento horizontal, 162 Capítulo 10 - Movimentos circulares, 163 1. Grandezas angulares, 163 1.1. Espaço angular, 163 Leitura — Definição de radiano (rad), 164 1.2. Velocidade angular, 164 1.3. Aceleração angular, 165 2. Período e frequência, 166 3. Movimento circular uniforme (MCU), 167 Leitura — Satélites geoestacionários, 170 4. Transparência movimento circular uniforme, 172 Leitura — As marchas da bicicleta, 173 5. Movimento circular uniformemente variado (MCUV), 175 Exercícios propostos de recapitulação, 177 Exercícios especiais de movimento circular uniforme, 182 A Física em nosso Mundo — Efeito estroboscópico, 186 FORÇAS EM DINÂMICA Capítulo 11 - Os princípios fundamentais da Dinâmica, 189 1. Introdução, 189 2. Aristóteles, Galileu e Newton, 190 3. Princípio da Inércia (Primeira lei de Newton), 190 4. Inércia, 191 5. Referenciais inerciais, 192 6. Princípio fundamental da Dinâmica (segunda lei de Newton), 193 7. O peso de uma força, 194 Leitura — Deformações elásticas, 196 8. Classes de forças, 196 8.1. Forças de contato, 196 8.2. Forças de campo, 196 9. Massa inercial e massa gravitacional, 197 10. Sistema de unidades, 197 11. Princípio da ação e reação (terceira lei de Newton), 200 12. Crítica à Mecânica Clássica, 203 Exercícios propostos de recapitulação, 214 Atividade experimental I — Verificando o princípio da inércia, 221 Atividade experimental II — Verificando o princípio da ação e reação, 222 História da Física — Isaac Newton, 222 Capítulo 12 - Forças de atrito, 224 1. Introdução, 224 2. Atrito dinâmico, 224 3. Atrito estático, 228 Leitura — Quando o atrito é importante, 232 4. Força de resistência do ar, 233 Leitura — Túnel aerodinâmico, 234 5. Velocidade limite, 234 Leitura — O para-quedas, 235 Exercícios propostos de recapitulação, 237 Exercícios especiais e leis de Newton e forças de atrito, 242 Atividade experimental — Determinação do coeficiente de atrito, 246 A Física em nosso Mundo — O freio ABS, 247 Capítulo 13 - Forças em trajetórias curvilíneas, 248 1. Variação de direção de velocidade, 248 2. Resultante centrípeta, 249 3. Resultante centrípeta e resultante tangencial, 256 4. Força em referencial não-inercial, 257 Exercícios propostos de recapitulação, 257 PARTE 5 OS PRINCÍPIOS DA CONSERVAÇÃO Capítulo 14 - Trabalho, 262 1. Introdução, 262 2. Trabalho de uma força constante paralela ao deslocamento, 262 3. Trabalho de uma força constante não-paralela ao deslocamento, 263 4. Trabalho de uma força qualquer, 265 5. Dois casos móveis, 267 5.1. Trabalho do peso, 267 5.2. Trabalho da força elástica, 269 6. Potência, 271 Leitura — O cavalo-vapor, 272 Leitura — Comparando potências, 272 7. Rendimento, 276 Exercícios propostos de recapitulação, 277 Atividade experimental — Calculando trabalho e potência, 281 Capítulo 15 - Energia, 282 1. Introdução, 282 2. Energia cinética, 282 3. Energia potencial gravitacional. Energia potencial elástica, 285 4. Conservação de energia mecânica, 288 Leitura — O mito do moto-perpétuo, 288 5. Diagramas de energia, 297 6. Outras formas de energia, 299 Leitura — Valores da energia, 302 Exercícios propostos de recapitulação, 303 Exercícios especiais de trabalho, potência e energia, 312 Atividade experimental — Conversão de energia potencial gravitacional em energia cinética, 315 A Física em nosso Mundo — Fontes convencionais e fontes alternativas de energia, 316 Capítulo 16 - Impulso e quantidade de movimento, 320 1. Introdução, 320 2. Impulso de uma força, 320 3. Quantidade de movimento, 322 4. Teorema do impulso, 323 5. Conservação da quantidade de movimento, 326 6. Choques, 330 7. Coeficiente de restituição, 332 Exercícios propostos de recapitulação, 340 A Física em nosso Mundo — On ou off, pag. 348 Atividade experimental — A conservação da quantidade de movimento, 350 História da Física — A conservação da quantidade de movimento, 351 PARTE 6 GRAVITAÇÃO UNIVERSAL Capítulo 17 - A Gravitação Universal, 353 1. Introdução, 353 2. As leis de Kepler, 355 Leitura — A elipse, 356 3. Lei da Gravitação Universal, 360 Leitura — Descobrindo planetas, 364 4. Campo gravitacional e campo de gravidade, 365 5. Aceleração da gravidade, 366 Leitura — A gravidade no interior da Terra, 366 6. Corpos em órbita, 369 6.1. Velocidade de escape, 370 6.2. Satélite rasante, 370 6.3. A imponderrabilidade, 371 Leitura — O lixo espacial — poluição em órbita, 372 Exercícios propostos de recapitulação, 374 A Física em nosso Mundo — A Estação Espacial Internacional, 380 História da Física — Johannes Kepler, 382 PARTE 7 ESTÁTICA. HIDROSTÁTICA. HIDRODINÂMICA Capítulo 18 - Sistema de forças aplicadas a um ponto material. Equilíbrio de ponto material, 385 1. Resultante de um sistema de forças, 385 2. Determinação da resultante de um sistema de forças, 386 2.1. Sistema de duas forças: caso particulares, 386 3. Equilíbrio de um ponto material, 389 3.1. Método da linha poligonal das forças, 389 3.2. Método das projeções, 389 Exercícios propostos de recapitulação, 392 Capítulo 19 - Equilíbrio dos corpos extensos, 396 1. Momento de uma força em relação a um ponto, 396 2. Binário, 398 2.1. Momento do binário, 398 2.2. Resultante do binário, 398 3. Equilíbrio dos corpos extensos, 398 4. Teoremas das três forças, 399 4. Leitura — Centro de gravidade e centro de massa, 402 5. Tipos de equilíbrio de um corpo, 403 Exercícios propostos de recapitulação, 406 A Física em nosso Mundo — As máquinās simples, 416 Atividade experimental — O equilíbrio e o centro de gravidade, 419 Capítulo 20 - Hidrostática, 421 1. Conceito de pressão, 421 2. Conceito de massa específica e densidade, 423 3. Pressão em um líquido. Teorema de Stevin, 426 3.1. Superfície isoladas num líquido em equilíbrio 3.2. Pressão de colunas líquidas, 427 3.3. Unidades práticas de pressão, 427 3.4. A pressão atmosférica, 428 4. Equilíbrio de líquidos miscíveis. Vasos comunicantes, 432 5. Princípio de Pascal. Prensa hidráulica, 433 6. Teorema de Arquimedes, 435 Leitura — O Mar Morto, 437 Exercícios propostos de recapitulação, 442 A Física em nosso Mundo — Pressão arterial, 452 Atividade experimental I — Estudo do teorema de Arquimedes, 454 Atividade experimental II — Determinação aproximada de densidade (corpos flutuantes), 454 História da Física — As bases da Hidrostática, 455 Capítulo 21 - Hidrodinâmica, 457 1. Considerações iniciais, 457 2. Vazão, 457 3. Equação da continuidade, 458 4. Equação de Bernoulli, 460 5. Equação de Torricelli, 462 Exercícios propostos de recapitulação, 466 Atividade experimental — Comparando o efeito Bernoulli, 468 História da Física — Os Bernoulli, 469 APÊNDICE — O Sistema Internacional de Unidades, 471 QUADRO GERAL DE UNIDADES, 473 RESPOSTAS, 474 ÍNDICE REMISSIVO, 488 LISTA DE SIGLAS, 491 BIBLIOGRAFIA, 494 PARTE 1 Introdução geral Uma noção geral da Física, seu campo de estudo, seus ramos e métodos são apresentados nesta parte. Tomografia computadorizada, um dos exames de ponta na Medicina diagnóstica: o notável avanço tecnológico alcançado pelo ser humano nasceu de sua curiosidade e do interesse em explicar os fenômenos naturais. CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO À FÍSICA