Curso de Física Básica - Moysés - Vol 1 - 4 Edição

H. Moyésés Nussenzveig\n1 Mecânica\nCURSO DE FÍSICA BÁSICA Curso de FÍSICA BÁSICA 1\n MECÂNICA H. MOYÉSÉS NUSSENZVEIG\nProfessor Emérito do Instituto de Física da Universidade Federal do Rio de Janeiro\nCurso de FÍSICA BÁSICA 1 MECÂNICA\n4ª edição, revista\nEDITORA EDGARD BLÜCHER © 2002 H. Moyisés Nussenzveig\n4ª edição - 2002\n3ª reimpressão - 2005\nÉ proibida a reprodução total ou parcial por quaisquer meios sem autorização escrita da editora\nEDITORA EDGARD BLÜCHER LTDA.\nRua Pedroso Alvarenga, 1245 - cj. 22\n04531-012 - São Paulo, SP - Brasil\nFax: (0xx11)3079-2707\ne-mail: editor@blucher.com.br\nsite: www.blucher.com.br\nImpreso no Brasil Printed in Brazil\nISBN 85-212-0298-9\n\nFICHA CATALOGRÁFICA\nNussenzveig, Herch Moysé.\nCurso de Física básica / H. Moysé Nussenzveig - 4ª edição - São Paulo: Edgard Blücher, 2002\nBibliografia\nISBN 85-212-0298-9\nConteúdo: Mecânica\n1. Física I. Título.\n\n04-5239\nCDD-530\n\níndices para catálogo sistemático:\n1. Física 530 Dedicado a meus filhos\n\nHelena, Roberto e Paulo\ne\naos estudantes \"Meu objetivo é expor uma ciência muito nova que trata de um tema muito antigo. Talvez nada na natureza seja mais antigo que o movimento...\"\n\nGalileu Galilei\n\n\"Ofereço este trabalho como os princípios matemáticos da filosofia, pois toda a tarefa da filosofia parece consistir nisto - a partir dos fenômenos de movimento investigar as forças da natureza, e depois a partir destas forças demonstrar os demais fenômenos...\"\n\nIsaac Newton\n\n\"Partindo destes princípios... Newton conseguir explicar os movimentos dos planetas, luas e cometas, até os mínimos detalhes, assim, como os marés e o movimento de precessão da Terra - uma realização dedutiva de magnificência única\".\n\nAlbert Einstein Esta 4ª edição do Volume 1 de Física Básica incorporou uma nova formatação gráfica e algumas atualizações e revisões de texto. A 1ª edição, publicada há duas décadas, era em formato manuscrito. Na época, nomeado a minha revelia diretor do Instituto de Física da USP, não teria tido tempo para rever provas tipográficas, e a redação manuscrita, durante noites, fins de semana e feriados, viabilizou o projeto, além de baratear o custo para os estudantes. Na 3ª edição, o mesmo objetivo requeria a formatação tradicional, mais compacta, mantendo as ilustrações da versão manuscrita. Nesta nova edição, todas as ilustrações foram refeitas. Atualizações e revisões incorporam resultados recentes e uma breve seção sobre caos determinístico. A dedicatória \"aos estudantes\" traduz a principal motivação: introduzi-los às ideias fundamentais da física, percebendo-a como um dos instrumentos centrais para a compreensão da Natureza, bem como para o desenvolvimento da tecnologia. A ênfase é no entendimento dos conceitos e princípios básicos. Atingir esse objetivo é essencial para a formação tanto do futuro cientista ou professor, como também de um engenheiro criativo, capaz de acompanhar a evolução cada vez mais rápida no progresso tecnológico, e sobretudo de contribuir para ele. As noções de cálculo e de álgebra ou análise vetorial empregadas são introduzidas no momento em que se tornam necessárias, sempre motivadas pela física, sem pressupor conhecimentos prévios. É importante perceber a física não como um edifício acabado, mas como algo que permanecerá sempre em construção, inclusive nos seus alicerces. Procurou-se resgatar a evolução histórica das ideias, que também contribui para compreendê-las, e incluir a dimensão humana, retratando um pouco dos \"heróis\", como Galileu e Newton, além de transcrever alguns trechos de seus escritos originais. Os quatro volumes do curso foram concebidos como um todo coerente, em que os conceitos são introduzidos inicialmente em contextos mais simples e intuitivo, com vistas a aplicações em tópicos futuros. Cada volume foi ministrado em um semestre, com seis horas de aula semanais, acrescidas de listas de exercícios. Os problemas de fim de capítulo foram planejados para testar o grau de compreensão da matéria, estimulando o raciocínio e a iniciativa. A física é uma ciência experimental. Pressupõe-se que seja ministrado em paralelo um curso intensivo de laboratório, além de efetuar sempre que possível demonstrações em sala de aula. O estímulo inicial do Professor Ennio Candotti à preparação desta obra merece especial registro. Agradeço a colaboração das equipes docentes dos Institutos de Física da USP e da UFRJ, bom como do Departamento de Física da PUC-Rio. Fui pressionado a completar o trabalho pelos estudantes, após uma longa interrupção, e a melhor recompensa pelo esforço investido vem sendo proporcionada por eles. A paciência e o empenho do amigo Edgard Blücher para aprimorar a apresentação foram essenciais. Agradeço especialmente a minha esposa, Micheline, pela compreensão e apoio constantes. Washington, 28 de outubro de 2001 H. Moyses Nussenzveig CAPÍTULO 1 — INTRODUÇÃO 1.1. Para que serve a física? .................................................................................... 1 . 1.2. Relações entre física e outras ciências .......................................................... 2 1.3. O método científico ........................................................................................... 3 1.4. Ordens de grandeza. Algarismos significativos ................................................ 5 1.5. Medidas de comprimento ................................................................................ 7 1.6. Sistemas de coordenadas ............................................................................... 12 1.7. Medida do tempo ............................................................................................ 13 Problemas do Capítulo 1 ......................................................................................... 21 CAPÍTULO 2 — MOVIMENTO UNIDIMENSIONAL 2.1. Velocidade média .................................................................................................. 23 2.2. Velocidade instantânea .................................................................................... 25 2.3. O problema inverso ......................................................................................... 28 2.4. Aceleração ............................................................................................................ 30 2.5. Movimento retilíneo uniformemente acelerado .............................................. 32 2.6. Galileu e a queda dos corpos ............................................................................ 34 Problemas do Capítulo 2 .......................................................................................... 37 CAPÍTULO 3 — MOVIMENTO BIDIMENSIONAL 3.1. Descrição em termos de coordenadas ............................................................... 40 3.2. Vetores ..................................................................................................................... 41 3.3. Componentes de um vetor .................................................................................. 44 3.4. Velocidade e aceleração vetoriais ..................................................................... 47 3.5. Movimento uniformemente acelerado ............................................................... 49 3.6. Movimento dos projéteis ..................................................................................... 51 3.7. Movimento circular uniforme ............................................................................ 54 3.8. Aceleração tangencial e normal .......................................................................... 56 3.9. Velocidade relativa ............................................................................................. 59 Problemas do Capítulo 3 .......................................................................................... 60 CAPÍTULO 4 - OS PRINCÍPIOS DA DINÂMICA\n4.1. Forças em equilíbrio ................................................................................. 64\n4.2. A lei da inércia ......................................................................................... 66\n4.3. A 2ª lei de Newton ................................................................................. 68\n4.4. Discussão da 2ª lei .................................................................................. 70\n4.5. Conservação do momento e 3ª lei de Newton ....................................... 74\nProblemas do Capítulo 4 ............................................................................... 79\n\nCAPÍTULO 5 - APLICAÇÕES DAS LEIS DE NEWTON\n5.1. As forças básicas da natureza .................................................................. 82\n5.2. Forças derivadas ....................................................................................... 85\n5.3. Exemplos de aplicação .............................................................................. 89\n5.4. Movimento de partículas carregadas em campos elétricos ou magnéticos uniformes ................................................................. 94\nProblemas do Capítulo 5 ............................................................................... 101\n\nCAPÍTULO 6 - TRABALHO E ENERGIA MECÂNICA\n6.1. Conservação da energia mecânica num campo gravitacional uniforme .... 105\n6.2. Trabalho e energia ................................................................................... 108\n6.3. Trabalho de uma força variável ................................................................. 111\n6.4. Conservação de energia mecânica no movimento unidimensional .......... 113\n6.5. Discussão qualitativa do movimento unidimensional sob a ação de forças conservativas .................................................................................... 116\n6.6. Aplicação ao oscilador harmônico ............................................................. 120\nProblemas do Capítulo 6 ............................................................................... 123\n\nCAPÍTULO 7 - CONSERVAÇÃO DA ENERGIA NO MOVIMENTO GERAL\n7.1. Trabalho de uma força constante de direção qualquer ............................ 126\n7.2. Trabalho de uma força no caso geral ....................................................... 128\n7.3. Forças conservativas ................................................................................ 130\n7.4. Força e gradiente da energia potencial ..................................................... 133\n7.5. Aplicações: campos gravitacional e elétrico ............................................. 136\n7.6. Potência. Forças não-conservativas ......................................................... 140\nProblemas do Capítulo 7 ............................................................................... 144\n\nCAPÍTULO 8 - CONSERVAÇÃO DO MOMENTO\n8.1. Sistemas de duas partículas. Centro de massa ....................................... 148\n8.2. Extensão a sistemas de muitas partículas ................................................ 152\n8.3. Discussão dos resultados ......................................................................... 154