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Fórmulas, condições de aplicação, sinais e verificações de mecânica e oscilações.

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Usa SI. Fixa sistema, referencial, eixos e condições iniciais antes de substituir números. Os exemplos usam g=9,81 m/s2g=9{,}81\ \mathrm{m/s^2}.

Cinemática

Explicação e exemplos.

  • v⃗=dr⃗/dt\vec v=d\vec r/dt, a⃗=dv⃗/dt\vec a=d\vec v/dt. Rapidez v=∣v⃗∣≥0v=|\vec v|\ge0; em 1D usa vxv_x com sinal.
  • Aceleração constante: vx=v0+atv_x=v_0+at, x=x0+v0t+at2/2x=x_0+v_0t+at^2/2, vx2=v02+2aΔxv_x^2=v_0^2+2a\Delta x. A última perde o sentido; escolhe o sinal da raiz.
  • Se aa depende de vxv_x ou xx: separa com limites desde a condição inicial; verifica soluções excluídas pela divisão. Para ax(vx)≠0a_x(v_x)\ne0 no trecho, Δx=∫vx/ax(vx) dvx\Delta x=\int v_x/a_x(v_x)\,dv_x.
  • Curvatura (v≠0v\ne0): at=v⃗⋅a⃗/va_t=\vec v\cdot\vec a/v, an=∣a⃗∣2−at2a_n=\sqrt{|\vec a|^2-a_t^2}, ρ=v2/an\rho=v^2/a_n se an>0a_n>0.
  • Roda de raio RR: v=R∣ω∣v=R|\omega|, an=Rω2a_n=R\omega^2; uniforme com ∣ω∣=2π/T=2πf|\omega|=2\pi/T=2\pi f. RαR\alpha usa o sentido angular positivo; at=dv/dta_t=dv/dt usa o sentido da velocidade.
  • Projétil sem ar: x=x0+v0cos⁡θ tx=x_0+v_0\cos\theta\,t, y=y0+v0sin⁡θ t−gt2/2y=y_0+v_0\sin\theta\,t-gt^2/2. No topo, vy=0v_y=0 com vxv_x intacto. Alcance v02sin⁡2θ/gv_0^2\sin2\theta/g só para chegada à altura de partida.

Forças

Diagramas, contactos e limites.

  • Inercial, massa constante: ∑F⃗=ma⃗\sum\vec F=m\vec a, uma equação por direção. Terceira lei em corpos diferentes.
  • Peso mg⃗m\vec g; mola Fx=−kxF_x=-kx; resistência −bv⃗-b\vec v (modelos lineares, verifica o intervalo).
  • Normal perpendicular ao contacto, das equações; contacto simples exige N≥0N\ge0.
  • Atrito: ∣fs∣≤μsN|f_s|\le\mu_sN (igualdade só no limiar); ∣fk∣≈μkN|f_k|\approx\mu_kN contra o deslizamento relativo. Estático em repouso vale o necessário, não o máximo.
  • Rampa sem outras forças perpendiculares: N=mgcos⁡θN=mg\cos\theta; repouso se tan⁡θ≤μs\tan\theta\le\mu_s; a descer, a=g(sin⁡θ−μkcos⁡θ)a=g(\sin\theta-\mu_k\cos\theta); a subir, o atrito soma-se ao peso.
  • Circular: ∑Fpara o centro=mv2/R\sum F_\text{para o centro}=mv^2/R, positivo para o centro. Sem força centrípeta extra no diagrama inercial. Fundo de calote após descer rr sem atrito: N=3mgN=3mg.
  • Referencial em translação com a⃗ref\vec a_\mathrm{ref}: junta F⃗ineˊrcia=−ma⃗ref\vec F_\text{inércia}=-m\vec a_\mathrm{ref}.

Trabalho e energia

Balanços e estabilidade.

  • W=∫F⃗⋅dr⃗W=\int\vec F\cdot d\vec r; constante: W=Fdcos⁡ϕW=Fd\cos\phi. Em 1D, área com sinal sob Fx(x)F_x(x).
  • Sem trabalho: força perpendicular ao deslocamento do ponto de aplicação. Normal em pista fixa, tensão de fio com suporte fixo. Com suporte móvel (elevador), a normal faz trabalho.
  • K=mv2/2K=mv^2/2; Wtotal=ΔKW_\mathrm{total}=\Delta K. A velocidade constante dá o atrito sem a normal: fkf_k iguala a componente motora.
  • Conservativa: Wcons=−ΔUW_\mathrm{cons}=-\Delta U; Fx=−U′(x)F_x=-U'(x). Ug=mgyU_g=mgy, Ue=kx2/2U_e=kx^2/2, U=−GMm/rU=-GMm/r (zero no infinito).
  • Δ(K+U)=Wna˜o cons\Delta(K+U)=W_\text{não cons}. Mecânica constante só com esse trabalho nulo. Força não conservativa presente pode não fazer trabalho (atrito estático no rolamento ideal).
  • Equilíbrio U′=0U'=0: mínimo estrito estável, máximo estrito instável; U′′=0U''=0 não decide. Acessível exige E≥UE\ge U; E=UE=U com força não nula é inversão.
  • P=F⃗⋅v⃗P=\vec F\cdot\vec v; entrada =Puˊtil/η=P_\text{útil}/\eta.
  • Volta interior, ponto deslizante sem atrito, partida do repouso: vtopo2=gRv_\mathrm{topo}^2=gR e hmin=5R/2h_{\mathrm{min}}=5R/2.

Sistemas e colisões

Escolher sistema e intervalo.

  • R⃗CM=∑mir⃗i/M\vec R_\mathrm{CM}=\sum m_i\vec r_i/M ou M−1∫r⃗ dmM^{-1}\int\vec r\,dm (λ dx\lambda\,dx, σ dA\sigma\,dA, ρ dV\rho\,dV).
  • P⃗=MV⃗CM\vec P=M\vec V_\mathrm{CM}; MA⃗CM=∑F⃗extM\vec A_\mathrm{CM}=\sum\vec F_\mathrm{ext}. Internas cancelam.
  • J⃗ext=ΔP⃗\vec J_\mathrm{ext}=\Delta\vec P. Conservação exige impulso externo nulo na direção usada; verifica direção a direção.
  • Juntos: u=(m1v1+m2v2)/(m1+m2)u=(m_1v_1+m_2v_2)/(m_1+m_2).
  • Elástico 1D: PP e KK, ou u2−u1=v1−v2u_2-u_1=v_1-v_2 com o momento. Só massas iguais trocam velocidades.
  • Pêndulo balístico: momento no impacto, energia na subida. Nunca KK através do impacto inelástico.

Rotação

Eixos, equilíbrio e rolamento.

  • L⃗O=r⃗×p⃗\vec L_O=\vec r\times\vec p, τ⃗O=r⃗×F⃗\vec\tau_O=\vec r\times\vec F; ∣τ∣=Fd⊥|\tau|=Fd_\perp. Mesma referência nos dois lados de dL⃗/dt=∑τ⃗extd\vec L/dt=\sum\vec\tau_\mathrm{ext}.
  • I=∫r⊥2 dmI=\int r_\perp^2\,dm; paralelos com um pelo centro: I=ICM+Md2I=I_\mathrm{CM}+Md^2.
  • Eixo fixo ou rotação plana no centro: τz=Iα\tau_z=I\alpha, Lz=IωL_z=I\omega, Krot=Iω2/2K_\mathrm{rot}=I\omega^2/2, P=τzωP=\tau_z\omega.
  • Equilíbrio rígido: ∑F⃗=0\sum\vec F=0 e ∑τ⃗=0\sum\vec\tau=0; momentos na reação desconhecida.
  • Rolamento ideal: vCM=R∣ω∣v_\mathrm{CM}=R|\omega|, K=Mv2/2+ICMω2/2K=Mv^2/2+I_\mathrm{CM}\omega^2/2, a=gsin⁡θ/[1+ICM/(MR2)]a=g\sin\theta/[1+I_\mathrm{CM}/(MR^2)]. Confirma ∣fs∣≤μsN|f_s|\le\mu_sN; a direção do atrito sai das equações.
  • Atwood com inércia II (m1>m2m_1>m_2): a=(m1−m2)g/(m1+m2+I/R2)a=(m_1-m_2)g/(m_1+m_2+I/R^2); tensões diferentes.
  • Pêndulo físico, ângulos pequenos: T=2πIO/(Mgd)T=2\pi\sqrt{I_O/(Mgd)}.
Corpo uniforme e eixoII
Aro fino, simetriaMR2MR^2
Disco ou cilindro maciço, simetriaMR2/2MR^2/2
Esfera maciça, diâmetro2MR2/52MR^2/5
Haste, perpendicular pelo centroMℓ2/12M\ell^2/12
Haste, perpendicular pela extremidadeMℓ2/3M\ell^2/3
Aro, eixo na periferia2MR22MR^2

Oscilações

Condições iniciais e regimes.

PerguntaGrandezaRelação
Livre sem amortecimento nem forçaω0\omega_0k/m\sqrt{k/m}; T=2π/ω0T=2\pi/\omega_0
Livre com amortecimento subcríticoωd\omega_dω02−γ2\sqrt{\omega_0^2-\gamma^2}
Pico de amplitude com F0F_0 constanteΩres\Omega_\mathrm{res}ω02−2γ2\sqrt{\omega_0^2-2\gamma^2}, se 0<γ<ω0/20<\gamma<\omega_0/\sqrt2
  • Iniciais sem amortecimento: x=x0cos⁡ω0t+(v0/ω0)sin⁡ω0tx=x_0\cos\omega_0t+(v_0/\omega_0)\sin\omega_0t; A2=x02+(v0/ω0)2A^2=x_0^2+(v_0/\omega_0)^2. Os dois sinais dão o quadrante.
  • Pêndulo simples, radianos pequenos: T≈2πℓ/gT\approx2\pi\sqrt{\ell/g}, sem massa.
  • Amortecimento γ=b/(2m)\gamma=b/(2m): subcrítico 0<γ<ω00<\gamma<\omega_0, crítico igual, sobrecrítico maior.
  • Iniciais subcríticas: x=e−γt[x0cos⁡ωdt+(v0+γx0)sin⁡ωdt/ωd]x=e^{-\gamma t}[x_0\cos\omega_dt+(v_0+\gamma x_0)\sin\omega_dt/\omega_d].
  • Envolvente e−γte^{-\gamma t}; meia amplitude em ln⁡2/γ\ln2/\gamma. Energia média ∼e−2γt\sim e^{-2\gamma t} (fraco). τ=1/(2γ)\tau=1/(2\gamma), Q=ω0/(2γ)Q=\omega_0/(2\gamma); confirma se um tempo é da amplitude ou da energia. ωa\omega_a das transparências é aqui ωd\omega_d.
  • Picos do mesmo sinal: δ=ln⁡(An/An+1)=γTd\delta=\ln(A_n/A_{n+1})=\gamma T_d.
  • Forçada F0cos⁡ΩtF_0\cos\Omega t: resposta permanente a Ω\Omega com A=(F0/m)/(ω02−Ω2)2+(2γΩ)2A=(F_0/m)/\sqrt{(\omega_0^2-\Omega^2)^2+(2\gamma\Omega)^2}. Em Ω=ω0\Omega=\omega_0: atraso π/2\pi/2, A=F0/(bω0)A=F_0/(b\omega_0).

Análise de medições: amplitudes desde a base, vários ciclos, logaritmos de razões adimensionais. Período na posição dos picos, amortecimento na envolvente. Para gg fixo, Δℓ/ℓ≈2ΔT/T\Delta\ell/\ell\approx2\Delta T/T no pêndulo simples.

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