Fasccículo 1 Ciências da Natureza e suas Tecnologias - Física (PDF)

Fascículo 1 Edição revisada 2016 Unidades 1, 2 e 3  GOVERNO DO ESTADO DO RIO DE JANEIRO SECRETARIA DE ESTADO DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA Secretário de Estado Gustavo Reis Ferreira SECR...

Fascículo 1 Edição revisada 2016 Unidades 1, 2 e 3  GOVERNO DO ESTADO DO RIO DE JANEIRO SECRETARIA DE ESTADO DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA Secretário de Estado Gustavo Reis Ferreira SECRETARIA DE ESTADO DE EDUCAÇÃO Secretário de Estado Wilson Risolia FUNDAÇÃO CECIERJ Presidente Carlos Eduardo Bielschowsky FUNDAÇÃO DO MATERIAL CEJA (CECIERJ) Coordenação Geral de Coordenação de Produção Design Instrucional Fábio Rapello Alencar Cristine Costa Barreto Capa Elaboração André Guimarães de Souza Claudia Augusta de Moraes Russo Ricardo Campos da Paz Andreia Villar Revisão de Língua Portuguesa Imagem da Capa e da Abertura das Unidades Ana Cristina Andrade dos Santos http://www.sxc.hu/browse. Coordenação de phtml?f=download&id=1381517 Design Instrucional Flávia Busnardo Diagramação Paulo Miranda Equipe Cederj Design Instrucional Ilustração Aline Beatriz Alves Bianca Giacomelli Clara Gomes Fernado Romeiro Jefferson Caçador Sami Souza Verônica Paranhos Sumário Unidade 1 | O que é ciência, notação científica e unidades 5 Unidade 2 | A vida em movimento 35 Unidade 3 | Eu tenho a força! 77 Prezado(a) Aluno(a), Seja bem-vindo a uma nova etapa da sua formação. Estamos aqui para auxiliá-lo numa jornada rumo ao aprendizado e conhecimento. Você está recebendo o material didático impresso para acompanhamento de seus estudos, contendo as informações necessárias para seu aprendizado e avaliação, exercício de desenvolvimento e fixação dos conteúdos. Além dele, disponibilizamos também, na sala de disciplina do CEJA Virtual, outros materiais que podem auxiliar na sua aprendizagem. O CEJA Virtual é o Ambiente virtual de aprendizagem (AVA) do CEJA. É um espaço disponibilizado em um site da internet onde é possível encontrar diversos tipos de materiais como vídeos, animações, textos, listas de exercício, exercícios interativos, simuladores, etc. Além disso, também existem algumas ferramentas de comunica- ção como chats, fóruns. Você também pode postar as suas dúvidas nos fóruns de dúvida. Lembre-se que o fórum não é uma ferra- menta síncrona, ou seja, seu professor pode não estar online no momento em que você postar seu questionamen- to, mas assim que possível irá retornar com uma resposta para você. Para acessar o CEJA Virtual da sua unidade, basta digitar no seu navegador de internet o seguinte endereço: http://cejarj.cecierj.edu.br/ava Utilize o seu número de matrícula da carteirinha do sistema de controle acadêmico para entrar no ambiente. Basta digitá-lo nos campos “nome de usuário” e “senha”. Feito isso, clique no botão “Acesso”. Então, escolha a sala da disciplina que você está estudando. Atenção! Para algumas disciplinas, você precisará verificar o número do fascículo que tem em mãos e acessar a sala corres- pondente a ele. Bons estudos!  O que é ciência,notação científica e unidades Fascículo 1 Unidade 1 O que é ciência, notação científica e unidades Para início de conversa... Muito provavelmente você já se perguntou, à noite olhando para o céu, quantas estrelas existem. Você já imaginou a distância que elas estão? Sabemos que existem o sol, os planetas, as estrelas, as galáxias, todos bem distantes de nós. A contemplação do céu desperta muitas questões. Ficamos imaginando qual a fronteira do “infinitamente grande”. Até onde podemos imaginar? Até onde o mundo do “muito longe” vai? O mais interessante é que tem outra direção que nos leva a outro mundo igualmente fascinante: o do “muito pequeno”. Imagine que você pudesse mergulhar numa gota d’agua sobre uma folha e fosse diminuindo cada vez mais de tamanho... Você veria um mundo igualmente interessante, repleto de bactérias, vírus, moléculas, átomos, cada um deles menor do que o outro e numa sucessão que parece não ter fim. Embora os nossos olhos sejam ferramentas excelentes, não podemos obter detalhes dos dois mundos que discutimos apenas com os olhos. Precisamos de aparelhos que aumentem o poder da nossa visão. Os cientistas conseguem ver o “muito longe” com os telescópios e o “muito pequeno” com os microscópios. Veja as figuras 1 e 2 como exemplos desses dois mundos. Ciências da Natureza e suas Tecnologias · Física 7  Figura 1: Veja quantos detalhes podemos perceber, por exemplo, na imagem de uma formiga obtida com um microscópio eletrônico de varredura (esquerda). A direita você pode ver a foto da galáxia Andrômeda obtida pelo telescópio espacial Hubble (retirada de http://hubblesite.org). Ela é a galáxia espiral mais próxima da nossa e ainda assim a luz leva dois milhões e meio de anos para chegar à Terra. Ela contêm cerca de um trilhão de estrelas... Quanto é um milhão e um trilhão? Veremos em breve! Além desses dois extremos, temos tudo o que nos rodeia e o que nos é mais familiar: carros, computadores, luz elétrica, geladeira... Todo esse aparato tecnológico da nossa civilização funciona baseado nas mesmas leis que fazem a Terra girar em torno do Sol e que fazem as estrelas brilharem. A física é a mais básica das ciências. Ela lida com o comportamento e a estrutura da matéria. Aqui, matéria quer dizer tudo que nos cerca, incluindo luz, ar e tudo o que está contido no Universo. Nesta unidade discutiremos brevemente o que é ciência e como é possível conhecer as leis que regem a natureza. Aprenderemos a notação científica e apresentaremos o sistema internacional de unidades. Objetivos de aprendizagem ƒƒ Identificar ciência e o que se denomina o método científico; ƒƒ Empregar a notação científica e estimar ordens de grandeza; ƒƒ Utilizar as unidades do sistema internacional. 8 Seção 1 O que é ciência Podemos afirmar que o principal objetivo de todas as ciências, incluindo a física, consiste na procura de ordem, de padrões, de relações no interior de um dado sistema em estudo. Esse sistema pode ser o sistema solar, no qual existem regularidades nos movimentos dos planetas, pode ser um lago, no qual se estuda as interações entre as várias espécies de peixes e outros animais, pode ser o desempenho da economia de um dado país etc. Ciência é uma forma sistemática, organizada de obtenção de conhecimento sobre o Universo. Esse conhecimento é condensado e refinado na forma de leis e teorias que podem ser testadas e comparadas com os experimentos. Os resultados são refeitos, reexaminados de forma independente por outros cientistas e as leis e teorias são aperfeiçoadas. Observe que não se trata de simples coleta de dados (informações). É necessário imaginação e criatividade para selecionar o que realmente é importante. Os cientistas se vêem frequentemente forçados a abandonar ou modificar suas convicções sobre algum aspecto da realidade, embora nem sempre isso seja fácil. Tomemos um exemplo simples, o movimento de um bloco de madeira em cima de uma mesa, ao qual se dá um pequeno empurrão de leve de modo que ele se mova sobre a mesa. Ele vai escorregar um pouco sobre a mesa e parar. Aristóteles, um filósofo grego do século 3 antes de Cristo, concluiu a partir desse simples fato que o estado natural de um corpo (o bloco neste caso) é o estado de repouso. Galileu, um físico italiano do século 16 depois de Cristo, imaginou (e realmente fez vários experimentos) o que aconteceria se a superfície da mesa fosse muito lisa, como se tivesse coberta por um óleo muito escorregadio. O bloco iria escorregar muito mais na mesa. Isso, argumentava Galileu, deve-se à diminuição do atrito entre o bloco e a mesa quando o óleo é espalhado na superfície. Se a mesa for realmente muito lisa, de modo que não haja atrito, o bloco deslizaria para sempre (supondo uma mesa sem fim). Galileu concluiu que o movimento é um estado tão natural quanto o repouso. Observe que ele não conseguiu eliminar totalmente o atrito nos experimentos, mas foi uma conclusão lógica. O atrito está presente em qualquer sistema mecânico com partes móveis, mas muitas vezes podemos ignorá-lo em primeira aproximação. Com essa nova abordagem para o movimento, Galileu iniciou a moderna concepção de movimento que nós estudamos até hoje. Ciências da Natureza e suas Tecnologias · Física 9  Figura 2: Galileu Galilei. A ciência faz com que percebamos o mundo de forma mais interessante, mais rica e, de certa forma, mais próxima da realidade. Por exemplo, os antigos gregos acreditavam que o Sol era uma carroça puxada por um deus chamado Hélio. O primeiro a oferecer uma explicação mais próxima do que sabemos do Sol hoje foi Anaxágoras, um filósofo do quinto século antes de Cristo. Ele supôs que o Sol fosse uma bola de metal incandescente e por isso foi processado por ofender as crenças religiosas de sua época. Hoje ninguém acharia razoável pensar no Sol como uma carroça e a nossa concepção do Sol é bem mais próxima da de Anaxágoras. Figura 3: Anaxágoras foi processado por pensar de forma diferente das crenças de sua época, quando se achava que o sol po- dia ser representado por um deus. Com o avanço da ciência, algumas crenças foram caindo para dar lugar a explicações mais próximas da realidade. 10  Na realidade, existe muito debate hoje sobre o que é ciência. Sem dúvida há muitas formas de se conhecer a natureza. Todos os povos desenvolveram algum tipo de conhecimento técnico que os possibilitou construir habitações, caçar, construir calendários etc. Mas o que habitualmente é chamado ciência é um tipo de conhecimento mais específico. Uma fração considerável dos cientistas e professores diria que a ciência (no sentido usual do termo) se apoia fortemente nas seguintes ideias: 1. A ciência é uma tentativa de descrever o mundo real, ou seja, o mundo que existe independentemente do pensamento humano. Dentre as várias descrições possíveis desse mundo existe uma que é a melhor dentre elas. 2. Uma teoria científica se aplica universalmente, em todos os tempos e lugares. Assim, a mesma teoria que descreve o movimento do bloco numa mesa na Terra também descreveria o movimento de um bloco numa mesa em Marte. 3. A ciência em si mesma é neutra, do ponto de vista moral. Um exemplo seria a dinamite: ela pode ser uti- lizada por um terrorista e causar muito mal à humanidade, mas também pode ser utilizada para construir um túnel ou na prospecção de petróleo que vai melhorar uma determinada comunidade ou país. Nesse sentido, devemos distinguir entre a ciência, ela mesma, e a sua utilização pelas pessoas e pelos governos. 4. É possível que existam várias teorias distintas sobre o mesmo sistema ou objeto em estudo. Mas a tendên- cia é que essas diversas teorias caminhem juntas para uma única teoria. 5. O conhecimento científico é acumulativo. Há um crescimento constante na quantidade e na qualidade do nosso conhecimento. Essa acumulação leva ao progresso. Teoria Para as ciências, teoria seria uma síntese (conclusão) sobre um determinado assunto ou conjunto de fatos observacionais rela- cionados, baseado em hipóteses que sejam passíveis de experimentação ou que gerem previsões que possam ser submetidas a experimento. O que chamamos ciência se divide em vários ramos. Vamos citar alguns deles: Física: Consiste no estudo das leis que descrevem os aspectos mais fundamentais da Natureza, como espaço, tempo, matéria, luz, calor etc. Tudo que existe no universo é descrito pelas leis da física, incluindo planetas, carros, átomos, e outros sistemas físicos. Portanto, a física é o ponto de partida para muitas pesquisas sobre a natureza. Os conceitos que a Física utiliza - espaço, tempo, matéria, energia etc. -, fornecem os fundamentos para vários outros ramos da ciência. Ciências da Natureza e suas Tecnologias · Física 11  As cinco ideias que apoiam o pensamento científico listadas acima se aplicam especialmente bem à Física. Astronomia: É o estudo das estrelas, planetas e outros corpos celestes. Sempre foi (e hoje cada vez mais) articulada com a física. Química: Toda a matéria no universo é composta de átomos. O estudo das suas combinações é o objeto da Química. Esta ciência estuda também as reações químicas entre as substâncias, fenômenos que geram impactos em nossas vidas e atividades. Biologia: Estudo dos seres vivos. Os biólogos pesquisam a vida em todos os sistemas, desde os vírus e bactérias até os mamíferos, entre os quais estamos. Existem muitos outros ramos, tais como Geologia, Geografia, Economia etc. Figura 4: Cada ramo da ciência possui um objeto de estudo próprio. A Química estuda a matéria, a Física estuda as leis que regem a natureza e a Biologia estuda os seres vivos. 12 O céu de Ícaro e o céu de Galileu A banda brasileira Paralamas do Sucesso, em sua bela canção ‘Tendo a Lua’, argumenta que o céu de Ícaro tem mais poesia que o de Galileu. O céu de Ícaro é o céu dos mitos e do trágico. Ícaro é filho de Dédalo que, entre outras coisas, fez asas de penas e cera para voar. Ícaro foi testá-las. Desdenhou da re- comendação de seu pai e, em sua vontade de explorar o desconhecido, se aproximou demais do sol. O calor derreteu a cera, e ele se espatifou no mar, morrendo. O céu do físico e astrônomo italiano Galileu Galilei (1564-1642) é aquele no qual o cientista, com telescópios e satélites, observa o espetáculo das leis da física que regem o destino igualmente trágico do universo, cujo parto – junto com o nascimento do espaço e do tempo – se dá em uma explosão. O céu de Galileu é jovem: começou a se delinear cerca de 500 anos atrás. Já em 1572, o astrônomo dinamarquês Tycho Brahe (1546-1601), ao observar, na constelação de Cassiopeia, uma supernova (explosão de uma estrela massiva e moribunda), perturba- va, de forma irreversível, a visão clássica do céu como um lugar imutável. Galileu, apontando sua luneta para Júpiter e descobrindo o movimento elíptico de seus muitos satélites, abalou os fundamentos do cosmo como era conhecido na Idade Média. Aquele pequeno sistema, movendo-se com as leis desco- bertas pelo astrônomo alemão Johannes Kepler (1571-1630), tornava o céu mais complexo e interes- sante do que se conhecia à época: nem todas as órbitas se davam em torno da Terra. Adaptado da coluna Exatamente, Ciência Hoje, No. 276, Novembro de 2010. Ciências da Natureza e suas Tecnologias · Física 13  Seção 2 Ciência e Tecnologia Já mencionamos que os cientistas utilizam instrumentos (telescópios, microscópios etc.) para explorar a natureza. Chamamos tecnologia à atividade de aplicação das leis científicas para criar e aperfeiçoar instrumentos e objetos. Por exemplo, um liquidificador é um eletrodoméstico que utiliza as leis básicas da física (da eletricidade e do magnetismo, como veremos mais tarde) para simplificar as tarefas na cozinha. Dê uma olhada ao seu redor. É possível que haja uma televisão por perto, o local esteja iluminado por uma lâmpada elétrica, as paredes estejam pintadas, você tenha visto umas fotos no computador e que alguém da sua família tenha tomado vacina recentemente. Você já pensou quanta tecnologia tem por trás de tudo isso? É possível que a energia elétrica que você utiliza agora tenha sido produzida na represa de Sete Quedas, no Paraná, e que tenha sido conduzida por centenas de quilômetros até sua casa. A tinta que cobre as paredes foi desenvolvida em laboratórios químicos para ter propriedades adequadas ao uso doméstico. A televisão recebe sinais que viajam pelo ar (as chamadas ondas eletromagnéticas) que são transformados em imagens na tela por intermédio de circuitos eletrônicos, permitindo que você veja um filme em casa. Toda essa tecnologia é ainda muito jovem vista no contexto da história da humanidade. Tanto os princípios científicos quanto as tecnologias que os utilizam foram desenvolvidos nos últimos 150 anos. Poderíamos acrescentar a essa lista o automóvel, a penicilina, o avião, a internet, vacina contra o pólio etc. Pólio Também conhecida como poliomelite, é uma doença ocasionada por vírus que ataca principalmente crianças pequenas e causa paralisia e deformações no corpo Tudo isso é o resultado da aplicação dos princípios científicos básicos aos quais nos referimos anteriormente. A relação entre ciência e tecnologia é de ida e volta. Os instrumentos e aparelhos são construídos por meio da utilização das teorias científicas. Por outro lado, melhores aparelhos ajudam a fazer melhores experimentos e podem ter um grande impacto no aperfeiçoamento dessas mesmas teorias. A ciência no dia a dia Enumere três consequências positivas para a sua vida trazidas pela ciência. Enume- re três consequências negativas para a sua vida de atividades relacionadas com o progres- so tecnológico. 14 Seção 3 O Método Científico A ciência não é nada além de senso comum treinado e organizado. Thomas Huxley 1825-1895 Um dos grandes progressos da humanidade deu-se por meio do desenvolvimento de técnicas que pudessem ampliar os sentidos com os quais fazemos observações. A invenção do microscópico e da balança (entre outros aparelhos) possibilitaram melhores medidas e resultados experimentais de melhor qualidade. Surge então um conjunto de procedimentos que teriam como objetivo padronizar estas medidas e interpretá- las corretamente de forma a se construir uma teoria científica e até mesmo reformulá-la. Nasce então o Método Científico. Muitos autores afirmam que não existe um método exclusivo e único para se fazer ciência e que, muitas vezes, o verdadeiro trabalho científico é muito menos formal, não sendo feito sempre de modo lógico e organizado. Estes mesmos autores asseguram que uma investigação científica começa com a necessidade de resolver problemas, mas todos são unânimes em afirmar que é sempre possível, após uma descoberta, construir um caminho lógico que a confirme ou que a negue. Ou seja, se uma teoria não nasce inicialmente pela simples observação de um determinado fato, com certeza sua veracidade será testada através de diversos experimentos científicos. Ciências da Natureza e suas Tecnologias · Física 15  Quer conhecer um pouco mais sobre o método científico? Então, acesse o link: http://www.youtube.com/watch?v=zneQG1jzJ-I Nele você encontrará um excelente vídeo descrevendo um exemplo da aplicação do método científi- co, mostrando suas etapas de modo divertido e claro. O que você acha do pensamento que abre esta seção? Será que você, assim como o autor da frase, acredita que as descobertas científicas se deram apenas através de mentes organizadas e treinadas e que o caminho destas descobertas é uma reta uniforme e constante? Bom se você não concorda com Thomas Huxley não se chateie, uma vez que muitos outros pensadores pensam como você. Eles acreditam que não é necessário uma lógica de outro mundo, incrivelmente precisa e altamente sofisticada para que uma descoberta seja feita. Por exemplo, suponha que há alguns meses, você tenha comprado uma tartaruga chamada Ligeirinha e, com o tempo, você percebe que Ligeirinha tem uma estranha percepção das condições climáticas. Quando a chuva se aproxima, você percebe que Ligeirinha tenta entrar em casa, o que exige uma grande antecedência, uma vez que Ligeirinha, apesar do nome, demora um grande tempo para vencer a distância entre o quintal e a porta da sua casa. Com isso, você deduz que sempre que Ligeirinha tenta entrar em casa a chuva é iminente. Um dia você percebe Ligeirinha tentando entrar em casa e, imediatamente, se prepara para fechar todas as janelas. No entanto, você percebe que o céu está bem claro e que existe um gato enorme de olho em Ligeirinha. Daí em diante, você imagina que a ação pré-chuva de sua tartaruga é um sistema de alarme que, apenas geralmente, prevê uma chuva, mas que ocasionalmente pode representar a presença de um predador. A sua estratégia para decifrar o mundo de Ligeirinha é semelhante à estratégia empregada pelos cientistas. No início, você tomou a atitude de observação, sentindo (vendo, ouvindo, tateando ou provando), de alguma forma, um padrão nos acontecimentos. Assim que percebeu uma modificação no comportamento de sua tartaruga, você também modificou seu entendimento dos acontecimentos. 16  Figura 5: A observação das atitudes da tartaruga Ligeirinha é um exem- plo de aplicação do método científico, no qual se observam fatos para depois testá-los. As etapas do Método Científico O médico e fisiólogo francês Claude Bernard percebeu que coelhos comprados em mercado apresentavam a urina clara e ácida, característica de animais carnívoros. Como ele sabia que coelhos normais apresentavam urina turva e básica por serem herbívoros, supôs que os coelhos do mercado não se alimentavam há muito tempo, e por isso começaram a se alimentar de sua própria carne. Fez então uma testagem controlada com vários animais, variando seu regime alimentar, dando a alguns alimentação herbívora, e a outros, carnívora. No final de tudo, concluiu que “em jejum todos os animais se alimentam de carne”. Vamos identificar então cada etapa do método aplicado neste exemplo: Ciências da Natureza e suas Tecnologias · Física 17  Como você pôde observar, o Método Científico se apresenta como uma série de etapas: 1. Começa na observação de um fato; 2. Depois vem a criação de uma hipótese; 3. Passa para a experimentação (quando testamos essa hipótese), e 4. Termina com a generalização e criação de um modelo ou teoria para explicar o fato observado. Balões que flutuam... ou não? No nosso cotidiano acontecem, geralmente, coisas que servem para ilustrar determinados estudos teóricos. A contextualização é um meio muito utilizado para enriquecermos nosso conhecimento. As figuras a seguir mostram elementos que exemplificam essa idéia. Observe-as: De acordo com as figuras e o seu conhecimento em relação ao “método científico”, responda as se- guintes questões: Qual(is) quadrinho(s) representa(m) os passos correspondentes à experimentação (parte prática), evidenciada no desenvolvimento de uma pesquisa científica? O quadrinho I representa qual etapa de um método científico? 18  Perdido na floresta Certa vez um menino se perdeu na floresta. Como fazia frio, decidiu procurar material para atear fogo. À medida que ia trazendo objetos para sua fogueira, observava que alguns queimavam e outros não. Começou, então, a fazer a lista abaixo, relacionando os que queimavam e os que não queimavam. Depois de algumas viagens, sua classificação continha as seguintes informações: A partir dessa lista, ele tentou encontrar uma regularidade que o guiasse na procura de novos mate- riais combustíveis, chegando à seguinte conclusão: “Todos os objetos cilíndricos queimam” A frase descrita acima está associada diretamente a qual das etapas do método científico? Proponha um experimento que possa contrapor a frase elaborada pelo menino. Seção 4 Potências de dez e Notação Científica Como mencionamos na seção “Para início de conversa...”, muitas vezes temos que trabalhar com números muito grandes ou muito pequenos. Por exemplo, a massa do Sol, em quilogramas, é de cerca de 2 seguido por 30 zeros! Logo, escrever 2.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000 não é uma forma prática de se trabalhar. No trabalho científico, muitas vezes, se utiliza a potência de dez ou notação científica, para facilitar essa escrita. Por exemplo: 100 é igual a = 10 x 10 ou = 102 , ou seja, 10 elevado ao número de zeros que tem depois do 1, que são dois, neste caso. Ciências da Natureza e suas Tecnologias · Física 19  Assim, temos dez elevado ao expoente dois (ou dez ao quadrado), que é dez vezes dez, como já sabemos. Outro exemplo: 1.000 = 10 x 10 x 10 = 103, ou seja, 10 elevado a terceira potência, que de novo é o número de zeros (3) depois do 1. Veja esses numerais a seguir: 1 = 100 (aqui não tem nenhum zero depois do 1); 10 = 101 (aqui tem um zero depois do 1, nada muda!); 100.000 = 105 e assim vai. Também, como mencionado anteriormente, às vezes usamos os seguintes termos: milhar: 1.000 = 103; milhão: 1.000.000 = 106; bilhão: 1.000.000.000 = 109. Para números pequenos, o procedimento é semelhante. Assim, um décimo, ou seja, uma parte em dez, é dada por: 1 0,1 10-1, 10 de modo que aqui temos 10 elevado ao número de zeros na frente da vírgula, que é um somente. Dizemos que temos 10 elevado ao expoente -1. Logo, 1 0,01 10-2 e 100 1 0,00001 10-5. 100000 Vimos acima que a divisão de 1 por 10 equivale a colocar uma vírgula na frente do 1 e o resultado é 0,1. Mas se quisermos dividir 27 por 10, por exemplo, o resultado é 27 = 2,7. 10 Lembre que se um número for multiplicado e dividido ao mesmo tempo por outro, ele continua igual. Assim, sempre podemos fazer: 27 = 27 x 10 = 2,7 x 10 , 10 e agora 27 está escrito em termos de potências de 10. Da mesma forma 27.000 = 27 x 103 = 2,7 x 104. 20  Escrevendo com notação científica Notação Científica é uma notação utilizada para escrever números com muitos alga- rismos. Escrevemos esses números na forma: N é um número entre1 ≤ N < 10 N × 10p  p é um número inteiro Escreva em potências de dez os seguintes números: 300 = 0.03 = 0.0001/0.001 = Seção 5 Unidades Você já observou que nos mercados os ovos são vendidos em dúzias, a carne em quilos, um fio em metros e o leite em litros? É claro que todos têm que concordar com o que significa “um quilo”, senão haveria muita confusão no comércio. Um quilo ou um metro são exemplos de unidades. Na Física, utilizamos o Sistema Internacional de Unidades. Nele, o comprimento é medido em metros (m), o tempo em segundos (s) e a massa em quilogramas (kg). Figura 6: A padronização das medidas é essencial para que todos entendam o que está sendo dito. Por isso, no Sistema Internacional de Unidades, o comprimento é dado em metros, o tempo em segundos e a massa em quilogramas. Ciências da Natureza e suas Tecnologias · Física 21  O seu relógio mede o tempo em horas. Cada hora tem 60 minutos e cada minuto tem 60 segundos. Nas olimpíadas e nas corridas, muitas vezes os tempos são medidos em décimos ou em centésimos de segundo. Um décimo é uma parte em dez do segundo e um centésimo é uma parte em cem do segundo. Você já conhece alguns múltiplos do metro. Por exemplo, um quilômetro são mil metros. Um metro tem 100 centímetros. Ou seja, um centímetro é um centésimo do metro. Dizemos que centi é um prefixo que significa dividir por cem. De forma similar, um quilograma é composto por mil gramas. Daí você percebe que quilo é um prefixo que significa multiplicar por mil. Na tabela a seguir há uma lista de prefixos do Sistema Internacional: Tabela 1: Prefixos do Sistema Internacional. Prefixo Multiplique por Exemplo quilo (k) mil (10 )3 quilômetro (km) hecto (h) cem (10 )2 hectograma (hg) deca (d) dez (10) decâmetro (dm) Prefixo Divida por Exemplo deci (d) dez decigrama (dg) centi (c) cem centímetro (cm) mili mil milímetro (mm) Sempre que fizermos operações com grandezas físicas (que tem que ter uma unidade que as acompanha) temos que utilizar as mesmas unidades. Por exemplo, se você compra 80 cm de tecido e seu amigo compra mais dois metros, vocês juntos têm 80 cm + 200 cm = 280 cm de tecido. Lembre-se que cada metro possui 100 cm. Mas você também pode dizer 0,8 m + 2 m = 2,8 m de tecido. Na linguagem do dia a dia, dizemos dois metros e oitenta centímetros, e está correto! Mas para somar duas quantidades temos que utilizar as mesmas unidades em todos os elementos da soma. Não se pode somar centímetro com metro! E o mesmo vale para as outras unidades. Lembre-se sempre que para fazer operações aritméticas de soma, subtração, multiplicação e divisão, os valores devem apresentar a mesma unidade! Não pode somar metros com centímetros, nem quilo- gramas com gramas, muito menos subtrair segundos de horas. 22  Além de comprimento, temos também área e volume. Dizemos que uma sala tem 16 m2 quando o seu comprimento (em metros) multiplicado pela sua largura (também em metros) é igual a 16. Aqui a unidade é metros quadrados e quer dizer metro x metro. Por exemplo, se o comprimento da sala for 4 m e a largura também 4 m, a área da sala é (4 m) x (4 m) = 16 m2. Da mesma forma, temos a unidade de volume, que é dada em m3. Assim, você pode ouvir de um vizinho: tenho uma caixa d’água que tem 4 m de comprimento, 3 m de largura e 2 m de altura. Dito isso, você já sabe que o volume da caixa é de 24 m3 = (4 m) x (3 m) x (2 m). Você sabe também que a caixa d’água pode armazenar o volume de 24 caixas d’água menores, cada uma de 1 m3. Utilizando as unidades Transforme 10 km em cm Transforme 3 m2 em cm2 Transforme 3 minutos em segundos Transforme 5 kg em g (gramas) Transforme 8 litros em cl (centilitros) Transforme 500 cg (centigramas) em g (gramas) O conceito de ciência, como vimos no início do módulo, é o conceito central da unidade. A ciência trabalha com as ideias de evidência experimental e consistência lógica. Elas nos acompanharão durante todas as unidades seguintes. Resumo ƒƒ Vimos que o método científico, de certa forma, está no nosso cotidiano. Toda hora fazemos hipóteses e tomamos decisões baseadas nessas hipóteses que são naturalmente refinadas em consequência do que aprendemos no dia a dia. ƒƒ As potências de dez simplificam a comunicação em ciência. Um número enorme pode ser expresso com facilidade. Ciências da Natureza e suas Tecnologias · Física 23  ƒƒ E por fim, vimos que em física as unidades são fundamentais. Andar um metro é bem diferente de andar um quilômetro. Veja Ainda Você acha que a astrologia pode ser considerada ciência? Veja a esse respeito um vídeo (legendas em português) do astrônomo Carl Sagan sobre o assunto: http://www.youtube.com/watch?v=MxwwpmF_czI Neste vídeo o celebrado astrônomo e divulgador da ciência mostra como o ser humano projeta suas angústias e desejos no céu. As constelações são projeções das diversas culturas no céu, não tendo nenhum significado objetivo. Cada cultura vê algo totalmente diferente no mesmo conjunto de estrelas. 24 Atividade 1 São muitas as respostas possíveis. Positivas, podemos citar que atualmente se vive muito mais tempo, com muito mais conforto (pense na luz elétrica, água encanada...) e a compreensão do mundo tornou-se mais rica. Negativas, podemos citar os problemas de poluição, degradação do meio ambiente e a possibilidade de destruição da vida humana pelas armas nucleares. Atividade 2 Os quadrinhos II e III uma vez que eles representam, através de uma balança, um experimento de investigação do peso do ar. No quadrinho I, nosso personagem elabora uma hipótese na forma de uma pergunta. Atividade 3 A frase representa uma lei (ou teoria). No entanto, bastaria ele fazer um novo expe- rimento para refutar esta hipótese como, por exemplo, a queima de pedaço de madeira de formato cúbico. Atividade 4 300 = 3 x 102 0.03 = 3 x 10-2 0.0001/0.001 = 10-4/10-3 = 10-1 Atividade 5 10 km = 10 x 103 m = 104 m = 104 x 102 cm = 106 cm 3 m2 = 3 x (100 cm)2 = 3 x 104 cm2 3 min = 3 x 60 s = 180 s 5 kg = 5000 g = 5 x 103 g 8 l = 800 cl 500 cg = 5 g Ciências da Natureza e suas Tecnologias · Física 25  Imagens André Guimarães http://usgsprobe.cr.usgs.gov/ant.gif Creative commons license. http://hubblesite.org/newscenter/archive/releases/2012/04/image/c/format/xlarge_web/ Creative com- mons license. http://www.sxc.hu/photo/1056593. http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Galileo.arp.300pix.jpg http://www.sxc.hu/photo/1327692 http://www.sxc.hu/photo/574983 http://www.sxc.hu/photo/1178795 http://www.sxc.hu/photo/758308 http://commons.wikimedia.org/wiki/File:D%C3%A9dalo_e_%C3%8Dcaro_-_Pyotr_Ivanovich_Sokolov.jpg http://www.youtube.com/watch?v=zneQG1jzJ-I http://www.sxc.hu/photo/1150376 http://www.sxc.hu/photo/530409 http://www.sxc.hu/photo/1223568 http://www.sxc.hu/photo/481418 http://www.sxc.hu/photo/517386 David Hartman. http://www.sxc.hu/985516_96035528. 26  O que perguntam por aí? Questão 1 (ENEM 2009) Na linha de uma tradição antiga, o astrônomo grego Ptolomeu (100-170 d.C.) afirmou a tese do geocentrismo, segundo a qual a Terra seria o centro do universo, sendo que o Sol, a Lua e os planetas girariam em seu redor em órbitas circulares. A teoria de Ptolomeu resolvia de modo razoável os problemas astronômicos da sua época. Vários séculos mais tarde, o clérigo e astrônomo polonês Nicolau Copérnico (1473-1543), ao encontrar inexatidões na teoria de Ptolomeu, formulou a teoria do heliocentrismo, segundo a qual o Sol deveria ser considerado o centro do universo, com a Terra, a Lua e os planetas girando circularmente em torno dele. Por fim, o astrônomo e matemático alemão Johannes Kepler (1571-1630), depois de estudar o planeta Marte por cerca de trinta anos, verificou que a sua órbita é elíptica. Esse resultado generalizou-se para os demais planetas. A respeito dos estudiosos citados no texto, é correto afirmar que: a. Ptolomeu apresentou as ideias mais valiosas, por serem mais antigas e tradicionais. b. Copérnico desenvolveu a teoria do heliocentrismo inspirado no contexto político do Rei Sol. c. Copérnico viveu em uma época em que a pesquisa científica era livre e amplamente incentivada pelas autoridades. d. Kepler estudou o planeta Marte para atender às necessidades de expansão econômica e científica da Alemanha. e. Kepler apresentou uma teoria científica que, graças aos métodos aplicados, pôde ser testada e generalizada. Ciências da Natureza e suas Tecnologias · Física 27  Resposta: Letra E. Comentário: A primeira lei de Kepler afirma que todas as órbitas são elipses com o Sol em um dos focos. É uma lei que faz predições e pode ser testada. 28  Atividade extra Questão 1 O céu de Ícaro é diferente do céu de Galileu, como diz a música da banda Paralamas do Sucesso. Galileu Galilei (1564-1642) é o pai da Física Experimental, realizou vários experimentos e abalou os fundamentos do cosmo, como era conhecido na Idade Média. Entre as contribuições deste revolucionário cientista, nessa época, pode-se destacar a criação: a. da segunda lei da mecânica; b. do método científico; c. da lei da ação e reação; Galileu Galilei. Fonte: http://pt.wikipedia.org/wiki/Ficheiro d. da lei da gravitação universal. Galileo.arp.300pix.jpg Questão 2 Segundo o Site World Stadiums, apesar de o estádio do Maracanã já ter comportado 205 mil pessoas, durante a Copa do Mundo de 1950, atualmente cabem pouco mais de 120 mil pessoas, sendo que a capacidade divulgada é de 87.101 lugares (todos sentados), por motivo de segurança. O Maracanã é o 9º maior estádio do mundo e o 2º maior das Américas. Ciências da Natureza e suas Tecnologias · Física 29  Maracanã. Fonte: http://pt.wikipedia.org/wiki/Ficheiro:Maracana_internal_view_april_2013.jpg Foto: Érica Ramalho. Esse número atual de capacidade, divulgada em notação científica é expresso por: a. 8,7 x104; b. 1,2 x103; c. 2,0 x103; d. 9,0 x104. Questão 3 Ligeirinha é uma tartaruga que adora andar em uma mesma direção. Geralmente ela se desloca 0,01 km a cada hora, durante seu percurso. A distância percorrida pela Ligeirinha durante 3 horas, em metros, é de: a. 3; b. 30; c. 300;  d. 3000. Questão 4 O Sistema Internacional de Unidades, conhecido como SI, foi criado durante a Revolução Francesa para unifor- mizar os diversos padrões de medidas existentes na época. A obra, atualmente localizada no Museu de História da França, em Versailles, retrata a Queda da Bastilha e prisão do gover- nador M. de Launay, 14 de julho de 1789, eventos importantes na Revolução Francesa. Fonte: http://pt.wikipedia.org/wiki/Revolu%C3%A7%C3%A3o_Francesa. Neste sistema, a unidade padrão de velocidade é: a. m/s; b. km/s; c. km/h; d. milhas/h. Questão 5 Conforme comentamos na questão 4, o Sistema Internacional de Unidades, conhecido como SI, foi criado durante a Revolução Francesa para uniformizar os diversos padrões de medidas existentes na época. Ciências da Natureza e suas Tecnologias · Física 31 A Liberdade Guiando o Povo. Este é o título da tela de Delacroix, de 1830, que encontra-se, atualmente, em Paris, no Museu do Louvre. Fonte: http://pt.wikipedia.org/wiki/Ficheiro:Eug%C3%A8ne_Delacroix_-_La_libert%C3%A9_guidant_le_peuple.jpg Neste sistema, a unidade padrão de comprimento é: a. polegadas; b. km; c. cm; d. m. Gabarito Questão 1 A B    C     D Questão 2 A B    C     D Questão 3 A B    C     D Questão 4 A B    C     D Questão 5 A B    C     D Ciências da Natureza e suas Tecnologias · Física 33 A vida em movimento Fascículo 1 Unidade 2 A vida em movimento Para Início de conversa... De modo geral, sempre ouvimos falar que praticar atividades físicas ajuda na boa manutenção da saúde. Ao começar a prática de uma atividade física, devemos procurar um médico para que ele possa indicar a melhor maneira de se entrar nesse estilo de vida. Geralmente é recomendado para os sedentários que se comece com uma caminhada leve de 30 minutos a 1 hora e reeducação alimentar, se necessário. Ultrapassada essa fase, recomenda-se o aumento gradativo da intensidade da atividade. Agora o praticante já pode correr aumentando o esforço e a velocidade de sua prática esportiva. Nesse texto, você acabou de ler a palavra “velocidade” e, muito provavelmente, você não sentiu dificuldades para entender o que ela quer dizer. Conforme veremos, o conceito de velocidade é um dos principais objetos de estudo desta unidade. Objetivos de aprendizagem ƒƒ construir o conceito de velocidade média e instantânea; ƒƒ aplicar o conceito de velocidade em situações de seu cotidiano; ƒƒ traçar retas tangentes em um ponto de uma curva; ƒƒ relacionar a inclinação da reta tangente à curva no gráfico S x t à velocidade instantânea; ƒƒ associar o conceito de aceleração à variação da velocidade no tempo. Ciências da Natureza e suas Tecnologias · Física 37  Seção 1 “A 1000 por hora...” Quando dissemos, no início desta unidade, que se recomenda o aumento da intensidade e da velocidade, você percebeu que a corrida ou caminhada deve se dar de maneira mais rápida, e isso é o que está por trás do conceito de velocidade: a rapidez com que um corpo ou objeto se locomove. Por exemplo, suponha que você se desloque de sua casa para o trabalho de bicicleta. Como você faria para percorrer esse trajeto mais depressa? Uma possível solução, que depende do trânsito, seria usar um veículo motorizado. Todas as possíveis soluções para este problema têm em comum o fato de encurtar o intervalo de tempo gasto no trajeto. Isto é, quanto menos tempo se gasta em um determinado caminho, mais rápido o percorremos, ou seja, maior será a sua velocidade. Dizemos que grandezas que se comportam dessa forma são inversamente proporcionais: enquanto uma cresce, a outra diminui, na mesma proporção. Para medir distância, podemos usar o metro (m), o quilômetro (km), o centímetro (cm), entre outros. Já para medir o tempo podemos usar a hora (h), o segundo (s), o dia (um dia vale 24h = 24x60 min = 24x60x60 = 86400s). Entretanto, seguiremos o sistema internacional de unidades (S.I) que utiliza o metro e o segundo para esses casos. No fundo, a escolha de unidades dependerá, em um problema prático, da conveniência de se usar essa ou aquela unidade. Figura 1: No velocímetro do carro podemos observar duas medições: a velocidade, indicada pelo ponteiro, e a distância per- corrida, indicada na numeração da parte de baixo, que é chamada de odômetro. 38  Unidades de Medidas A unidade de medida é um valor padrão que utilizamos para mensurar as coisas. Por exemplo, o metro não tem uma razão específica para ter o comprimento que tem, foi apenas uma distância que se achou conveniente para se ter como padrão para medir objetos. Mas imagine que você tem que medir o comprimento de seu dedo com um bastão de 1 metro. Parece uma tarefa impossível. Para dar conta desse problema, dividimos o metro em 100 partes iguais chamadas centímetros que servem para medir distâncias pequenas. Ou então medir a distância entre duas cidades com o mesmo bastão, haja paciência e tempo! Por isso, multiplicamos o metro por 1000, chamado quilômetro (km), o que deixa essa tarefa menos tediosa. Não é à toa que o odômetro dos carros mede distâncias em km. Em verdade, podemos multiplicar e dividir qualquer unidade para adequá-la a uma tarefa que estejamos enfrentando. Entretanto, o sistema de unidades que se baseia no metro (km, dm, cm etc.) é chamado de sistema decimal, porque as unidades são separadas por potências de 10 (por exemplo, 1 m = 100 cm e 1 km = 1000 m). Imaginemos que um iniciante em atividades físicas esteja caminhando perto de sua casa (veja Figura 2). Digamos que ele dê 2 passos a cada segundo e que cada passo meça precisamente 1 m. Qual seria a sua velocidade em metros por segundo (m/s)? Metros por segundo é a unidade que devemos utilizar para essa velocidade, pois estamos falando da razão entre uma grandeza medida em metros e outra medida em segundos. Sem fazer nenhum tipo de conta no papel, somos capazes de responder a essa pergunta. Veja: se uma pessoa imprime uma velocidade de 2 passos por segundo, e cada passo mede 1 metro, essa pessoa caminha a 2 metros por segundo (v = 2 m/s). Entretanto, poderíamos fazer essa mesma pergunta de outra forma. Digamos que essa pessoa dê 12 passos a cada 6 segundos medidos no cronômetro. Quanto valeria a sua velocidade? Ciências da Natureza e suas Tecnologias · Física 39  Figura 2: Imagem estroboscópica do movimento de uma menina. Agora, é conveniente armarmos a expressão para velocidade: deslocamento v= tempo O deslocamento será de 12 passos x 1 metro, pois cada passo mede 1 metro: 12 x 1 = 12m Agora podemos fazer a conta: 12 v= = 2m / s 6 Note que a velocidade encontrada é a mesma da situação anterior. Nós apenas aumentamos o intervalo de tempo de 1 para 6 segundos, contando o número de passos decorridos, que aumentaram proporcionalmente. Podemos dizer também que essa mesma pessoa dava 10 passos a cada 5 segundos, ou 20 passos a cada 10 segundos. Inúmeros exemplos são possíveis para essa mesma velocidade, inclusive com unidades diferentes das usadas. Podemos dizer que o passo dessa pessoa mede 100 cm ou 0,001 km. Essa é uma primeira ideia do conceito de velocidade. Devemos entender que essa pessoa pode variar o ritmo da caminhada, fazendo com que a velocidade varie. Digamos que durante todo o trajeto esse indivíduo percorreu 5 km (ou 5000 m) e levou 1 hora (ou 3600 segundos). Com esses valores, podemos calcular a sua velocidade: 40  5000 V= = 1,39m / s 3600 Isso não significa que a pessoa percorreu todo esse trajeto com essa velocidade. Na verdade, muitas coisas podem ter ocorrido: ele pode ter diminuído o ritmo, imprimindo menos passos por segundo; ter diminuído a distância entre as passadas ou até mesmo parado para tomar uma água de coco no caminho. Enfim, a velocidade que obtivemos para esse exemplo é apenas um valor que caracteriza, na média, a velocidade num certo caminho. Vamos agora apresentar a expressão que nos fornece a velocidade média desenvolvida em determinado percurso: velocidade média = distância total intervalo de tempo total Lembre-se do exemplo que discutimos anteriormente. Aquele em que consideramos que uma pessoa caminhe a uma velocidade de 2 passos a cada segundo. Esta velocidade também representa uma velocidade média relativa ao movimento da pessoa. Entretanto, como o intervalo de tempo em questão é de apenas um segundo, podemos pensar que a velocidade desenvolvida pela pessoa corresponde à velocidade que ela, de fato, obtinha naquele instante. Imagem estroboscópica Na imagem a seguir, temos vários momentos distintos do movimento de uma bilha de aço que rola sobre um trilho de alumínio. Imagem estroboscópica do movimento de uma bilha sobre uma superfície horizontal. De que maneira podemos construir imagens como esta? Uma solução é tirar várias fotografias, espaçadas em intervalos iguais de tempo, assim como fizemos na Figura 2 (e na figura anterior). Nesta, temos uma sequência de quatro fotografias, tiradas uma a cada segundo e “coladas” em uma mesma imagem. Chamamos este tipo de figura de imagem estroboscópica. Repare que na figura da atividade 1 (mais à frente) as distâncias entre duas imagens sucessivas da boli- nha são sempre iguais. Isso indica que a velocidade da bolinha praticamente não se altera. Ainda mais, a velocidade média da bolinha para qualquer par de imagens escolhida será a mesma. Ciências da Natureza e suas Tecnologias · Física 41  Velocidade média Nessa figura, temos a imagem estroboscópica do movimento de uma bilha sobre um trilho de alumínio. Repare que a velocidade da bilha é constante. Sabendo que cada uma das fotos da imagem estroboscópica acima (da bilha) foi tirada em intervalos de tempo iguais a 0,1 s, calcule a velocidade média entre os pontos: a) A e B; b) C e D; c) B e E; d) A e F. Indo para a batalha Suponha que você more a uma distância de 20 km do trabalho. Se o tempo que você levou para percorrer esta distância foi de 30 min, calcule a velocidade média da sua viagem. 42 “Deixa Cair” Veja a imagem estroboscópica da figura. Uma menina solta uma pedra de sua mão. As fotos estão espaçadas por um interva- lo de tempo igual a 0,1 s. a. Calcule a velocidade média da pedra para as distâncias representadas na figura da menina, sabendo-se que cada uma das fotografias da pedra nesta figura está espaçada em 0,1 s. Para cada um dos quatro intervalos do item anterior, calcule quanto a velocida- de média aumentou (por exemplo, se num intervalo a velocidade média vale 1,0 cm/s e no intervalo seguinte ela passa a valer 5,0 cm/s, o aumento foi de 4,0 cm/s, porque 4,0 = 5,0 – 1,0). Ciências da Natureza e suas Tecnologias · Física 43  Na Atividade 3 você calculou a velocidade média da pedra em 4 intervalos de tempo distintos. Note que a velocidade calculada aumenta conforme a pedra cai, diferentemente do que vimos na figura da Atividade 1, em que a velocidade foi a mesma em todos os casos. Esses dois tipos de movimento são bastante diferentes. O primeiro deles, aquele em que a velocidade não se alterou (da Atividade 1), é o que chamamos de movimento uniforme. Já o segundo caso, em que a velocidade se modifica (da Atividade 3), é o que chamamos de movimento variado. Todo movimento em que o valor da velocidade do objeto se modifica é chamado de movimento variado. O segundo caso apresentado, no qual a velocidade aumenta regularmente (isto é, em intervalos de tempo iguais, a velocidade aumenta sempre da mesma quantia), é somente um caso particular de movimento variado, que chamamos de movimento uniformemente variado. Mais à frente, trataremos este tipo de movimento com mais detalhes. Vamos agora introduzir de maneira mais precisa os conceitos de posição e deslocamento, juntamente com os gráficos de posição por tempo (S x t) e velocidade por tempo (v x t). Seção 2 Posição, Deslocamento e Gráficos Para discutir os conceitos de posição e deslocamento, vamos começar distinguindo os diferentes tipos de movimento que podem ocorrer no espaço. Observe a figura a seguir: Figura 4: Exemplo de movimento em uma única dimensão (formiga na corda), em duas dimensões (formiga sobre o chão de cimento fresco) e em três dimensões (voo de um pássaro). Perceba que um movimento pode se dar de três formas diferentes: ƒƒ Em linha reta (ou unidimensional), como uma formiga andando sobre um corda; 44  ƒƒ em um plano (ou bidimensional), como o movimento de uma formiga sobre um piso com cimento fresco; ƒƒ ou pode ser tridimensional, como no caso do voo de um pássaro. Devido às dificuldades operacionais envolvidas na análise dos movimentos bidimensional e tridimensional, vamos nos restringir ao movimento em uma linha reta (unidimensional), como na Figura 5. Para começar a análise do movimento em uma linha reta (movimento retilíneo), é importante que a linha em questão possua marcações, para que possamos determinar em que posição se encontra um dado objeto. Entretanto, devemos escolher um ponto especial, que chamaremos de origem (ou marco zero), e a partir deste ponto marcaremos as posições restantes (veja a Figura 5). Figura 5: Movimento em uma linha reta (uma dimensão). Escolhendo origens distintas, as posições marcadas na reta se mo- dificam. Entretanto, o deslocamento (distância entre dois pontos) não se altera, conforme podemos constatar pela distância entre os pontos A e B. Em ambos os casos, a distância entre estes pontos vale 2. É importante ressaltar que quando fazemos isso todas as posições marcadas são relativas à origem que escolhemos. A escolha de outra origem altera o valor da posição de todos os pontos (veja a Figura 5). Outra grandeza importante, relacionada à posição, é o deslocamento. O deslocamento percorrido por um corpo em certo intervalo de tempo é a diferença entre a posição ocupada pelo corpo ao final deste intervalo de tempo e a posição ocupada pelo mesmo no início do intervalo. Por exemplo, se quisermos obter o deslocamento percorrido por um objeto que vai do ponto A ao ponto B da Figura 5, temos que subtrair sua posição final (em B) da sua posição inicial (em A). Repare que, considerando a origem indicada no item (a) desta figura, teremos: Δs = B - A = 3 - 1 = 2 Ciências da Natureza e suas Tecnologias · Física 45  Δ A letra grega Δ (delta) é utilizada em Ciências para representar intervalos ou variações. Se repetirmos o procedimento considerando a origem indicada no item (b) desta mesma figura, também obteremos: Δs= B - A = 5 - 3 = 2 Isso significa que o deslocamento percorrido por um corpo não depende do ponto que escolhemos para ser a origem, como podemos observar na Figura 5. Formalizando um pouco mais o que acabamos de ver, podemos escrever, então, para um caso mais geral que o deslocamento percorrido por determinado corpo é dado por Δs= Sf - S1 onde temos que o deslocamento (dado pela variação no espaço Δs) é igual à posição final (dado por Sf ) menos a posição inicial (dado por S1 ). Vamos agora iniciar uma nova discussão. Como podemos caracterizar o movimento de um certo corpo? Para ilustrar como fazer isso, considere o movimento estroboscópico representado na figura da atividade 1 (repetida a seguir). Figura 6: Imagem estroboscópica do movimento de uma bilha sobre um trilho de alumínio apresentada na Atividade 1. Podemos construir uma tabela que forneça a posição do objeto em diferentes instantes de tempo. Sabendo que cada par de fotos sucessivas nesta figura está separada por um intervalo de tempo igual a 0,1 segundo, a tabela desejada terá a seguinte forma (escolhemos o ponto A da figura como sendo a origem): Tabela 1: Posição e tempo relacionados a pontos indicados no gráfico. Ponto Posição (cm) Tempo (s) A 0 0 B 5 0,1 C 10 0,2 D 15 0,3 E 20 0,4 F 25 0,5 46  Lembre-se de que o espaçamento temporal entre fotos sucessivas é sempre igual. Entretanto, essas imagens estroboscópicas têm em comum mais uma propriedade. A distância entre duas fotos sucessivas também é igual. Podemos ver este fato através da tabela construída. É bastante comum o uso de tabelas para representar o movimento de certo corpo. Outra maneira muito comum de representar o movimento de um objeto é fazendo uso de gráficos. Utilizando a tabela, podemos construir um gráfico que dispõe a posição do objeto como função do tempo. A construção de um gráfico lembra um jogo bastante popular, que você provavelmente conhece: a batalha naval. Cada ponto do gráfico corresponde a dois números: o primeiro deles está relacionado à coordenada horizontal, e o segundo, à coordenada vertical (a mesma coisa acontece no caso da batalha naval. Neste caso, a letra escolhida corresponde à coordenada horizontal, e o número subsequente, à coordenada vertical). Repare que as curvas representadas no gráfico da Figura 7 correspondem ao movimento uniforme. Podemos ver isso de duas maneiras. A primeira delas vem do movimento estroboscópico associado a essas curvas. Em intervalos de tempo iguais, os objetos percorrem sempre a mesma distância. Figura 7: Dois gráficos S x t. Temos duas curvas distintas, correspondentes ao movimento de dois corpos distintos. No gráfico, isso se reflete da seguinte forma: a curva associada ao movimento do objeto será uma reta. Perceba, entretanto, que, embora ambos os movimentos sejam uniformes, as retas associadas ao movimento de cada um deles têm inclinações distintas. O movimento estroboscópico em que a distância entre duas fotos consecutivas é maior corresponde à reta mais inclinada. Não é mera coincidência. Objetos que possuem grandes velocidades percorrem uma distância maior num pequeno intervalo de tempo. Isso nos permite concluir que a velocidade de um objeto está diretamente relacionada à inclinação da curva do gráfico associado ao seu movimento. Quanto maior a inclinação, maior será o valor da velocidade de um corpo. O motivo disso é que uma reta mais inclinada indica que o corpo percorre um grande deslocamento num pequeno intervalo de tempo, enquanto uma reta menos inclinada corresponde a um movimento que percorre um deslocamento menor num intervalo de tempo maior. Podemos ver isso observando com detalhes a Figura 7. Ciências da Natureza e suas Tecnologias · Física 47  Quem é mais rápido? Considerando que os gráficos a seguir têm eixos com mesmos valores de tamanho, a qual das curvas corresponde o movimento do corpo mais rápido? Para o movimento estroboscópico da figura a seguir, construa: a. Uma tabela que disponha, para cada intervalo de tempo, a posição do objeto, sabendo que imagens consecutivas da bolinha estão separadas por um inter- valo temporal de 0,1 s, que as marcações estão separadas por 5 cm e que o “0” indicado na figura é a origem. b. Um gráfico de S x t. 48 Seção 3 Saindo pela tangente Na figura 8, temos um gráfico de posição contra tempo, de dois grandes recordistas numa corrida de 100 metros rasos, Usain Bolt e Richard Thompson. Figura 8: Gráfico do movimento de dois velocistas famosos, competidores dos 100 metros rasos. Perceba que um movimento não idealizado é consideravelmente mais complicado do que os casos que analisamos até o momento. As curvas no gráfico S x t acima não são linhas retas, o que nos permite caracterizar o movimento como sendo não uniforme. Mesmo assim, apenas com o gráfico de S x t podemos comparar as velocidades dos corredores em diferentes instantes de tempo. Para que possamos fazer tais comparações, vamos apresentar a ideia de velocidade instantânea, isto é, a velocidade que o objeto possui num momento exato. Por exemplo, imagine que você está acompanhando o velocímetro de um ônibus, conforme ele viaja. Se você quiser saber a velocidade do mesmo em determinado instante, basta ler a marcação no velocímetro. De maneira um pouco mais formal, dizemos que a velocidade instantânea corresponde à velocidade média de um certo corpo num intervalo de tempo muito pequeno, porque, sendo esse tempo muito pequeno, não há tempo para a velocidade variar consideravelmente. Primeiramente, lembre-se de que, em um gráfico S x t, associamos a velocidade do corpo à inclinação da reta. Podemos estender este conceito para o caso em que a curva relacionada ao movimento de um corpo não seja uma reta. Neste caso, temos que considerar a reta tangente a um ponto. Como podemos fazer isso? Ciências da Natureza e suas Tecnologias · Física 49  Daremos a você um pequeno conjunto de instruções, que permite que você mesmo seja capaz de traçar uma reta tangente a uma curva em um certo ponto qualquer da mesma. Conforme veremos, este procedimento é bastante simples. Considere a curva e o ponto A pertencente à mesma. Ambos estão representados na Figura 9. Figura 9: Uma curva e um ponto A pertencente à mesma. Desenhando um ponto muito próximo a A (indicado pela seta verme- lha), somos capazes de traçar a reta tangente à curva no ponto A (é a reta que passa por ambos os pontos). Se quisermos traçar a tangente à curva no ponto A da Figura 9, desenhamos um segundo ponto, que esteja bastante próximo do primeiro. Agora só precisamos traçar uma reta que passe pelo ponto A e pelo ponto próximo a ele, que acabamos de desenhar. Resumindo: 1. Escolha o ponto da curva onde você deseja traçar a tangente. 2. Desenhe um segundo ponto que esteja bastante próximo ao primeiro. 3. Trace uma reta que passa pelos dois pontos, e esta será a reta tangente. Observação: Repare que, na verdade, o que temos é uma aproximação de uma reta tangente. A reta verdadeiramente tangente precisa ser construída utilizando-se um ponto extremamente (infinitesimalmente) próximo ao ponto original. Entretanto, esses conceitos estão associados ao cálculo diferencial e integral, e portanto não nos aprofundaremos neles. Agora que sabemos como traçar uma reta tangente a um ponto qualquer de uma curva, introduzimos a ideia de velocidade instantânea como sendo uma medida da inclinação da reta tangente à curva no instante desejado. Isso significa que podemos comparar as velocidades instantâneas em dois pontos quaisquer de uma curva, mesmo que ela não seja uma reta. A curva que possuir uma inclinação maior (isto é, aquela onde o ângulo formado pela reta tangente e a horizontal é maior) corresponde a maior velocidade instantânea. 50  No gráfico posição x tempo, a velocidade média é dada pela inclinação da reta secante. A inclinação da reta pode ser positiva, nula ou negativa. A figura abaixo mostra que, em (a), a secante r1 tem inclinação positiva ⇒ Vm > 0; em (b), a secante r2, paralela ao eixo dos tempos, tem inclinação nula ⇒ Vm = 0; e, em (c), a secante r3 tem inclinação negativa ⇒ Vm < 0. Aprendemos na matemática que a inclinação - ou coeficiente angular - da reta é igual à tangente do ângulo que a reta faz com o eixo das abscissas. Isto só é verdade se a escala do gráfico for 1:1, ou seja, se a escala utilizada na abscissa for a mesma da ordenada. Na física quase sempre essas escalas são diferentes. Ciências da Natureza e suas Tecnologias · Física 51  No parque de diversões 6 O gráfico a seguir representa a velocidade de um carrinho bate-bate em um parque de diversões. Em qual dos instantes representados no gráfico a seguir a velocidade do móvel é maior? E menor? Coloque as velocidades em ordem crescente, da menor para a maior. 52  Pegando um ônibus Suponha que você esteja em pé em um ônibus em movimento, ao lado do moto- 7 rista. Suponha também que você esteja atrasado para um compromisso, e portanto está acompanhando ansiosamente o velocímetro do ônibus. A tabela a seguir mostra o que você observou no velocímetro. v (km/h) t(s) 0 0 2,5 1 10 2 22,5 3 40 4 a. Construa um gráfico que tenha no eixo vertical os valores da velocidade, e no eixo horizontal, os valores de tempo correspondentes. b. Em qual dos instantes de tempo a inclinação da curva, logo a aceleração, obtida é maior? Seção 4 Acelera, coração! Conforme discutimos anteriormente, os movimentos reais, não idealizados, são muito mais complicados do que os casos simples que estudamos até aqui. O movimento de um velocista ou mesmo de um ônibus, por exemplo, não se dá à velocidade constante. O que vemos, na verdade, é que a velocidade se altera conforme o tempo passa (veja a Figura 10 a seguir retirada da atividade 3). Ciências da Natureza e suas Tecnologias · Física 53  Figura 10: Queda livre de um corpo. Lembre-se do que discutimos quando introduzimos o conceito de velocidade. Interpretamos este conceito como sendo a rapidez com que a posição de um corpo se altera. Podemos associar à velocidade uma grandeza muito parecida. A rapidez com que a velocidade de um corpo se altera à medida que o tempo passa é o que chamamos de aceleração. Para ilustrar de maneira simples este conceito, vamos voltar a analisar um dos tipos de movimento mais comuns, cuja velocidade do corpo se altera: a queda livre. Lembre-se agora de como montamos a Tabela 1. Podemos construir uma tabela (Tabela 2) semelhante a esta, com base na Figura 10, e a partir desta tabela obter o gráfico S x t do movimento da pedra em queda (veja a Figura 11). Tabela 2: Posição e tempo relacionados a pontos indicados na figura Posição (cm) Tempo (s) 0 0 5,0 0,1 20,0 0,2 45,0 0,3 80,0 0,4 Agora podemos calcular a velocidade média para os intervalos de décimo de segundo representados no gráfico da Figura 11. Para os intervalos, temos (veja a Atividade 1, onde foi montada a tabela do movimento) as seguintes velocidades médias: 50 cm/s , 150 cm/s, 250 cm/s e 350 cm/s. 54 Figura 11: Gráfico da posição da pedra como função do tempo, para o movimento da pedra na imagem estroboscópica da Figura 10. De posse dessas velocidades, podemos dispor de um gráfico da velocidade média como função do tempo. Primeiramente, construímos uma tabela da velocidade média em função do tempo: Tabela 3: Velocidade média (em intervalos de 0,1s) em função do tempo. Velocidade média (cm/s) Tempo (s) 0 0 50 0,1 150 0,2 250 0,3 350 0,4 Perceba que a cada décimo de segundo (por exemplo, de 0,1 para 0,2 ou de 0,3 para 0,4) a velocidade é aumentada de 100 cm/s (excetuando-se o intervalo de 0 a 1 décimos de segundo). Quando o aumento na velocidade é igual para intervalos de tempo iguais, dizemos que o movimento é do tipo movimento uniformemente variado (MUV). Repare que a aceleração é a taxa com que a velocidade varia no tempo. Deste modo, podemos concluir que o MUV corresponde a uma aceleração constante, ou seja, que não varia no tempo. Uma vez com a Tabela 3 em mão, faça o gráfico v x t para o MUV. Repare que a curva correspondente ao MUV no gráfico v x t é uma linha reta. Novamente frisamos que até mesmo o MUV é uma espécie de movimento idealizado. Excetuando-se a queda livre nas proximidades da superfície da terra, a maioria dos movimentos que ocorrem na natureza não possui aceleração constante. Apresentamos como exemplo a velocidade dos corredores Usain Bolt e Richard Thompson como função do tempo, na corrida de 100 metros rasos. Ciências da Natureza e suas Tecnologias · Física 55  A área do gráfico pode nos dizer muita coisa. Vamos começar esta discussão construindo uma tabela referente a velocidade e tempo para o movi- mento da bilha da primeira figura da Atividade 1, como na Tabela 2. Velocidade (cm/s) Tempo (s) 50 cm/s 0 50 cm/s 0,1 50 cm/s 0,2 50 cm/s 0,3 50 cm/s 0,4 50 cm/s 0,5 Com a tabela em mãos, fica fácil construir um gráfico de v x t (veja na figura a seguir). Repare que a curva correspondente a este movimento é uma linha reta horizontal. E mais, veja que, se calcularmos a área do retângulo formado, obteremos o seguinte: 56  Área = base x altura = 0,5s x 50cm/s = 25cm que é exatamente a distância total percorrida pela bilha. Isso não é mera coincidência. Veja que a base deste retângulo é medida em segundos (já que o eixo horizontal é o eixo do tempo), e a altura é medida em m/s (porque o eixo vertical é a velocidade). Quando calculamos a área do retângulo, estamos multi- plicando o intervalo de tempo pela velocidade: cm/s x s = cm Mesmo nos casos em que a curva correspondente ao movimento do objeto no gráfico v x t não for uma reta, ainda podemos aplicar a mesma técnica. O fato é que, no gráfico v x t, a área sob a curva será o des- locamento percorrido pelo corpo, mesmo que não saibamos como calculá-la. Finalmente, pelo conceito apresentado de aceleração, podemos escrever a seguinte equação para a mesma: Isto é, a aceleração é a razão entre a variação da velocidade (Δv) em determinado intervalo de tempo (Δt). Devido ao fato de medirmos velocidade em m/s e tempo em s no SI, a unidade de aceleração do SI é (m/s)/s = m/s x 1/s = m/s². Seção 5 Queda Livre e o MUV Discutiremos o problema de queda livre como o exemplo maior do MUV. Lembre-se do que vimos na seção anterior. Sob certas condições, a queda de um corpo corresponde a um movimento de aceleração constante. Chamamos esta aceleração de aceleração da gravidade (g). O valor da aceleração da gravidade é de aproximadamente 9,8 m/s², mas para simplificar possíveis contas consideraremos g = 10 m/s². Ciências da Natureza e suas Tecnologias · Física 57  Desprezando a resistência do ar Uma condição indispensável para que o movimento de queda possua uma aceleração constante g = 10 m/s² é que a resistência do ar possa ser desprezada. Você já deve ter percebido que objetos tais como folhas de papel caem de maneira bastante peculiar. Entretanto, se não houvesse atmosfera aqui na Terra, esses objetos cairiam com a mesma aceleração g = 10 m/s². Na verdade, na ausência da re- sistência do ar, qualquer corpo, independente do valor da sua massa, cai com a mesma aceleração da gravidade. A resistência do ar faz com que detalhes, como o formato do corpo, passem a influenciar no movimento de queda do mesmo. Tanto é assim que uma folha de papel, uma vez amassada de modo a virar uma bolinha, cai da mesma forma que outro objeto de maior massa, conforme você pode cons- tatar largando ambos juntos de uma mesma altura. Antes de ser amassada, a folha teria uma queda bastante diferente. Um vídeo bem interessante que ilustra esse fato é o seguinte: http://www.youtube.com/watch?v=KDp1tiUsZw8 Ao final da última caminhada na superfície lunar feita pela equipe da Apolo XV, o comandante David Scott faz a seguinte experiência: diante das câmeras, ele larga ao mesmo tempo uma pluma e um martelo. Conforme podemos constatar, ambos os corpos atingem o solo ao mesmo tempo. Esse vídeo serve como justificativa para a afirmativa de que a Lua não possui uma atmosfera (o que não é de todo verdade; a diferença essencial, além das composições diferentes de gases, é que a atmosfera da Lua é consideravelmente menos densa que a da Terra). Vamos abordar outras informações acerca do MUV. Lembre-se de como construímos o gráfico de S x t para a queda da pedra na Figura 11. Perceba que a posição S como função do tempo obedece à seguinte equação: 1 S = gt 2 2 onde g é a aceleração da gravidade (g = 10 m/s²) e t indica tempo. É simples verificar isso. Utilizando uma calculadora, veja que, se substituirmos g = 10 m/s² na equação e os valores de tempo t = 0, 0,1, 0,2, 0,3 e 0,4 s, obteremos: S(0) = (½) 10 x 0² = 0 m S(0.1) = (½) 10 x 0.1² = 0,05 m = 5 cm S(0.2) = (½) 10 x 0.2² = 0,20 m = 20 cm S(0.3) = (½) 10 x 0.3² = 0,45 m = 45 cm S(0.4) = (½) 10 x 0.4² = 0,80 m = 80 cm Que são exatamente os valores das posições ocupadas pela pedra na Figura 10. 58  Sempre que um objeto executar um MUV, sua posição exibirá um comportamento quadrático no tempo. Já com respeito à velocidade, como vimos anteriormente, existe uma relação linear com o tempo. Como seria a forma da curva da aceleração em função do tempo? Bem, podemos construir uma tabela, como nos outros casos, dos valores da aceleração para intervalos iguais de tempo. Entretanto, conforme vimos, a aceleração no MUV é constante, o que facilita muito na hora de construir o gráfico a x t. Podemos perceber que a forma da curva, nesse gráfico, é a de uma linha reta horizontal (paralela ao eixo do tempo), pois à medida que o tempo passa o valor da aceleração não se altera. Por fim, podemos resumir o MUV da seguinte maneira: no MUV, a velocidade do corpo se altera. Entretanto, a variação de velocidade do corpo, em um mesmo intervalo de tempo, será sempre igual (basta se lembrar do que observamos no exemplo da Seção 4. Naquele caso, a velocidade média em intervalos de tempo iguais aumentou sempre do mesmo valor). Podemos dizer que este é um traço marcante do MUV. Testando seus reflexos! Como uma aplicação interessante do que vimos no MUV, sugerimos a você a seguinte atividade: pegue uma régua de 30 cm e peça auxí- lio de outra pessoa para que segure a régua. Em seguida, posicione uma de suas mãos em forma de garra, em torno da régua, na marca- ção “0” da mesma. Agora, peça que esta outra pessoa largue a régua, sem lhe avisar quando, e tente agarrar a mesma, antes de ela cair no chão (veja a figura a seguir para uma descrição visual do que está escrito nesta atividade). Lendo na régua qual foi a marcação onde você a agarrou, você será capaz de dizer o quanto a régua caiu (um exemplo típico seria algo em torno de 20 cm). Finalmente, utilizando a fórmula S = 5t² (onde já utilizamos g = 10 m/s² para o valor da aceleração), você saberá aproximadamente o quão rápido é o seu reflexo. Ciências da Natureza e suas Tecnologias · Física 59  O movimento de queda livre é muito rápido sendo impossível medir tempos de queda com um relógio de água - clepsidra. Atualmente, também, com um cronômetro comum de competição. Galileu percebeu que num plano inclinado o movi- mento de queda reproduz a mesma estrutura da que- da livre - diluindo a força da gravidade, sendo mais fácil medí-lo. E concluiu que se os resultados obtidos num plano inclinado raso se mantivessem válidos em pla- nos de maior inclinação, então, também, seriam válidos num plano inclinado de inclinação máxima ou seja a queda livre. Devido às limitações tecnológicas de medição da época, Galileu associou métodos hipotéticos-dedutivos ao processo de medição experimental. Levantou a hipótese de que a velocidade deveria ser proporcional ao tempo de queda e deduziu que o deslocamentos deveriam ser proporcionais ao quadrado do tempo. Em conse- qüência, os deslocamentos efetuados em intervalos de tempos iguais deveriam ser proporcionais à serie de números ímpares - 1:3:5:7:9:11... , tornando possível realizar medições com uma relógio de água. Após inúmeras experiências sua hipótese foi comprovada e Galileu pode estabelecer a lei da queda dos corpos (desprezando-se efeitos provocados pela resistencia do ar): A velocidade dos corpos em queda livre é proporcional ao tempo de queda. Em símbolos matemáticos: v = g.t, onde g é uma constante de proporcionalidade que caracteriza a aceleração da gravidade no local. 60  Movimento relativo! – Pense e responda 1. Suponha que uma pessoa M esteja sentada em um ônibus que se move em relação à 8 Terra. Duas cadeiras à frente, uma pessoa N também está sentada. a. A pessoa N está parada ou está em movimento em relação à Terra? b. E em relação à pessoa M? 2. Uma pessoa, em um carro, observa um poste na calçada de uma rua, ao passar por ele. O poste está em repouso ou em movimento? Explique. 3. De acordo com as ideias da física atual (nem tão atual assim, pois sabemos disso desde a época de Galileu), a diferença fundamental entre os modelos heliocêntrico (Copérni- co) e geocêntrico (Ptolomeu) era simplesmente uma escolha de referenciais diferentes. Qual o referencial que Copérnico estava adotando ao propor o sistema heliocêntrico? Resumo Nessa unidade adentramos o estudo da cinemática, onde aprendemos conceitos como velocidade e aceleração. Podemos definir a velocidade como sendo a rapidez com que um corpo se move. Matematicamente, traduzimos como a razão entre a distância percorrida por um corpo e o tempo gasto nesse trajeto. Mas bem sabemos que essa é a velocidade média. Existe outro conceito de velocidade, que é a velocidade instantânea. Essa exprime o quão rápido um corpo se move em um intervalo curto de tempo. Já a aceleração diríamos que é a velocidade da velocidade, ou seja, o quão rápido um corpo varia a sua velocidade. De certo, a grande maioria dos movimentos que presenciamos em nosso cotidiano não é constante ou uniformemente variado. A aceleração varia também, entretanto, todo estudo de física, ou até mesmo de ciências, é uma adaptação de simplificação da realidade. E isso nos permite prever e controlar fenômenos naturais. Ciências da Natureza e suas Tecnologias · Física 61  Veja Ainda Tudo não passa de um ponto de vista! Apesar de termos estudado os conceitos de velocidade, posição, deslocamento etc., há um conceito muito importante e fundamental que ainda não vimos: a ideia de velocidade relativa. Talvez você já tenha ouvido alguém dizer, em tom informal, que “tudo é relativo”. Esta frase estabelece a ideia de que não há valores fundamentais por si mesmos, e sim que os valores se estabelecem de uma certa perspectiva. Não entraremos nos pormenores do relativismo cultural, mas focaremos na relatividade de Galileu. Sugerimos que aprecie um vídeo que conta um pouco da história de Galileu Galilei, tido por muitos como o pai da física e de toda a ciência moderna: ƒƒ http://www.youtube.com/watch?v=m84brvmGgs0 Galileu foi um pesquisador bastante prolífico. Dentre os diversos assuntos estudados por ele, o movimento dos corpos tem um papel fundamental. Podemos, inclusive, atribuir a ele a criação da física recente. Dizemos isso por que ele foi o primeiro a associar a física a constantes práticas experimentais. Antes dele, os filósofos gregos já elaboravam uma série de modelos complexos. Entretanto, pouquíssimos deles confrontavam as proposições de seus modelos experimentalmente. A ideia é a seguinte: imagine que você está viajando no banco do carona de um carro. Olhando para o motorista, você deve ter a nítida impressão de que ele está em repouso, assim como você. Ao olhar pela janela e focar num poste, entretanto, o mesmo lhe dará a impressão de se mover. Quando questionado a respeito do estado de movimento real dos objetos, você provavelmente diria: “Eu, o carro e o motorista é que estamos em movimento. Os postes estão presos ao chão, então são eles que estão em repouso, assim como a estrada.” À luz da relatividade galileana, esta seria uma resposta equivocada. Sempre que dizemos que um objeto está em movimento, devemos dizer também em relação a qual outro corpo (que chamaremos de referencial) este movimento se dá. Dizemos então que a velocidade do corpo que estamos estudando é sempre relativa a um referencial. Quando você imagina que o poste está em repouso, lembre-se de que na verdade o poste, você e todas as pessoas que você conhece estão no planeta Terra. Este, por sua vez, movimenta-se em nosso sistema solar, com uma velocidade de cerca de 30 km/s em relação ao Sol. Deste modo, sempre que dissermos que um objeto possui certa velocidade, devemos ter em mente que esta velocidade é relativa a um determinado referencial, mesmo que não falemos isso explicitamente. Assim, o conceito de referencial é fundamental em física. Veremos no próximo módulo a relação que existe entre referenciais e as leis de Newton. 62 Atividade 1 c. Como estudamos nesse início de aula, a velocidade média é uma razão entre o espaço percorrido, pela esfera de aço, e o tempo que ela levou para percorrer essa distância. Logo, entre os pontos A e B temos d = 5,0 cm e t = 0,1 s. Note que o intervalo de tempo decorrido entre uma foto e outra é de 0,1, exatamente o tempo gasto para a esfera percorrer 5,0 m. Logo, temos: Vm = 5 / 0,1 = 50 cm/s. d. Entre os pontos C e D a distância também é de 5,0 cm e ocorreram apenas duas fotos, cujo intervalo de tempo entre elas é de 0,1s. Portanto, teremos a mesma conta da letra a) e a velocidade média vale 50,0 cm/s. c. Entre os pontos B e E temos três fotos, logo 3 x 1,0 = 0,3 s para o tempo e 15,0 cm para a distância. Dessa forma, a velocidade média = 15/0,3 = 50 cm/s. d. Entre os pontos A e F vemos que ocorreram 5 fotos, ou seja, toda a imagem es- troboscópica. Logo, temos: 5 x 0,1 para o tempo e 5 x 5 para a distância. Vemos que a velocidade média vale 50 cm/s. Atividade 2 Nesse caso, não poderemos dividir o espaço pelo tempo indiscriminadamente. Você já viu alguma velocidade cuja unidade era dada em km/min? Muito provavelmente não! Vamos dar essa resposta em km/h e para isso temos que passar 30 min para hora. Bem, 1 h tem 60 min, logo 30 min nada mais é que 0,5 h. Agora basta aplicarmos a definição: Vm = 20/0,5 = 40 km/h. Ciências da Natureza e suas Tecnologias · Física 63  Atividade 3 a. Aplicando o conceito de velocidade média, podemos resolver esse problema ra- pidamente. Podemos notar que a primeira distância vale 5 cm, e o tempo que a bolinha levou para percorrer essa distância é de 0,1 s (esse tempo é igual para todo percurso consecutivo de bolinhas). Logo, Vm1 = 5/0,1 = 50 cm/s. Para o se- gundo, Vm2 = 15/0,1 = 150 cm/s. Você já deve ter notado que, nesse caso, basta dividir a distância entre uma foto e outra pelo tempo, que é de 0,1! Daí teremos Vm3 = 250 cm/s, Vm4 = 350 cm/s. b. Note que há aumento de 100 cm/s na velocidade em cada passo que damos no tempo! Isso gera uma aceleração de 100 cm/s2, como veremos na próxima seção. Atividade 4 O gráfico da direita representa o movimento de maior, pois tem maior inclinação. Isso nos mostra que, para intervalos iguais de tempo, o móvel desse gráfico percorre uma distância maior que a do gráfico da esquerda. Atividade 5 a. Tempo (s) Distância (cm) 0,0 0 0,1 5 0,2 10 0,3 15 0,4 20 0,5 25 64  b. Atividade 6 Note que na imagem acima traçamos uma reta tangente em cada ponto. Com essa reta podemos comparar as velocidades em cada um desses instantes. O que tiver a maior inclinação tem a maior velocidade, que é o ponto c. No gráfico posição x tempo, a velocidade média é dada pela inclinação da reta secante. Atividade 7 a. b. No instante t = 3 s. Ciências da Natureza e suas Tecnologias · Física 65  Atividade 8 1. a. Em movimento. b. Parada. 2. Em movimento, pois a pergunta refere-se ao passageiro. Logo, do ponto de vista do passageiro, quem está em movimento é o poste. 3. O Sol, pois supunha que a Terra e os demais planetas do Sistema Solar estavam em mo- vimento em relação ao Astro Rei. Bibliografia ƒƒ HEWITT, Paul. Física Conceitual, 9ª. Edição. Porto Alegre: ARTMED Ed., 2002 ƒƒ LUZ, Antonio Máximo Ribeiro da e ÁLVARES, Beatriz Alvarenga. Curso de física. São Paulo: Scipione. 2007. ƒƒ Boa, M. F. & Guimarães, L. A. Física: Termologia e óptica Ensino Médio São Paulo: Harbra, 2007 Imagens André Guimarães http://www.sxc.hu/photo/1239807. http://www.sxc.hu/photo/956386. http://www.sxc.hu/photo/1056593. Leonardo Pereira Vieira e Vitor Lara. Leonardo Pereira Vieira e Vitor Lara. 66  Leonardo Pereira Vieira e Vitor Lara. Leonardo Pereira Vieira e Vitor Lara. Leonardo Pereira Vieira e Vitor Lara. Leonardo Pereira Vieira e Vitor Lara. Leonardo Pereira Vieira e Vitor Lara. http://www.sxc.hu/photo/517386 David Hartman. http://www.sxc.hu/985516_96035528. Ciências da Natureza e suas Tecnologias · Física 67  O que perguntam por aí? ENEM 2011 Para medir o tempo de reação de uma pessoa, pode-se realizar a seguinte experiência: I. Mantenha uma régua (com cerca de 30cm) suspensa verticalmente, segurando-a pela extremidade superior, de modo que o zero da régua esteja situado na extremidade inferior. II. A pessoa deve colocar os dedos de sua mão, em forma de pinça, próximos do zero da régua, sem tocá-la. III. Sem aviso prévio, a pessoa que estiver segurando a régua deve soltá-la. A outra pessoa deve procurar segurá-la o mais rapidamente possível e observar a posição onde conseguiu segurar a régua, isto é, a distância que ela percorre durante a queda. O quadro seguinte mostra a posição em que três pessoas conseguiram segurar a régua e os respectivos tempos de reação. Distância percorrida pela ré- Tempo de reação gua durante a queda (metro) (segundo) 0,30 0,04 0,15 0,17 0,10 0,14 A distância percorrida pela régua aumenta mais rapidamente que o tempo de reação porque a a) energia mecânica da régua aumenta, o que a faz cair mais rápido. b) resistência do ar aumenta, o que faz a régua cair com menor velocidade. c) aceleração de queda da régua varia, o que provoca um movimento acelerado. Ciências da Natureza e suas Tecnologias · Física 69  d) força peso da régua tem valor constante, o que gera um movimento acelerado. e) velocidade da régua é constante, o que provoca uma passagem linear de tempo. Resposta: Ao largar a régua, esta ganha velocidade devido ao movimento acelerado gerado a partir da ação da aceleração da gravidade, sentida por todos os corpos. Como o corpo em questão possui a mesma massa ao longo da trajetória e a aceleração da gravidade pode ser considerada constante, sua força peso, resultante do produto da massa pela gravidade, é constante. Letra D. 70  Atividade extra Questão 1 Ligeirinha é uma tartaruga que adora andar em uma mesma direção. Geralmente ela se desloca 0,01Km a cada hora, durante o seu percurso. Fonte: http://www.sxc.hu/photo/1150376 A distância percorrida por Ligeirinha durante 3h, em metros, é de: a. 3; b. 30; c. 300; d. 3000. Questão 2 Durante uma competição de foguetes, um dos foguetes lançados deslocava-se com velocidade escalar de 25 m/s e, em 5 segundos, aumentou sua velocidade para 90 m/s. Ciências da Natureza e suas Tecnologias · Física 71  Fonte: http://farm5.staticflickr. com/4024/4640891790_c0eb399be9_o.jpg Com base nestes dados, pode-se dizer que sua aceleração escalar média, em módulo, neste intervalo de tempo foi, em m/s2, de: a. 5; b. 25; c. 13; d. 90. Questão 3 O gráfico na figura ao lado representa as posições de dois foguetes, A e B, que se deslocam verticalmente, em função do tempo.  A partir deste gráfico, analisando a inclinação da reta, é possível concluir que no intervalo de 10,0 a 40,0 segundos, a. a velocidade do veículo A é maior que a do veículo B; b. a velocidade do veículo A é menor que a do veículo B; c. a velocidade do veículo A é a mesma do veículo B; d. a velocidade do veículo A e a velocidade do veículo B são nulas. Questão 4 O gráfico na figura ao lado representa as posições de dois foguetes, A e B, que se deslocam verticalmente, em função do tempo. A partir des