$\require{enclose}$ $\newcommand{\avsum}{\mathrel{\displaystyle\int \!\!\!\!\!\! \Delta\ }}$ $\newcommand{\bcancelto}[2]{{\enclose{southeastarrow}{#2}\,}_{\lower.75ex{#1}}}$ $\newcommand{\ordcirc}[1]{\mathrel{[\hspace{-4pt} \circ \hspace{2pt}#1 \hspace{3pt}]\hspace{-4pt}\circ}}$ $\newcommand{\avigual}{\{=\}}$ $\newcommand{\intsup}{{\LARGE \big\uparrow}\displaystyle\int}$ $\newcommand{\intinf}{{\LARGE \big\downarrow}\displaystyle\int}$
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segunda-feira, 10 de junho de 2013

Exercício: determinando intensidade luminosa recebida por uma lâmpada.

(ITA-SP) Uma lâmpada de filamento, ligada a uma fonte de tensão contínua de $100$ volts, tem uma resistência de $50$ ohms. Supondo que $2\%$ da potência elétrica dissipada se converta em radiação visível, qual será a intensidade luminosa a $10\ m$ da lâmpada?

Resolução:

De Eletricidade, sabemos que:

$P\ =\ \dfrac{U^2}{R}$

Donde a potência total gasta pela lâmpada será:

$P\ =\ \dfrac{100^2}{50}\ =\ 200\ W$

A potência convertida em radiação visível será:

$2\%\ \cdot\ P\ =\ 4\ W$

A intensidade luminosa recebida por um objeto localizado a $10\ m$ da lâmpada será:

$I\ =\ \dfrac{P}{4 \pi r^2}\ =\ \dfrac{4}{4 \pi\ \cdot\ 100}\ =\ \dfrac{1}{100 \pi}\ \dfrac{W}{m^2}$

domingo, 9 de junho de 2013

Exercício: variação de velocidade de uma onda em um fio com variação do raio de espessura.



Resolução:

Uma das relações que nos fornece a velocidade de uma onda linear é:

$v\ =\ \sqrt{\dfrac{T}{d\ \cdot\ S}}$.....[1]

Onde $T$ é a força tensora no fio, $d$ é a densidade do material constituinte do fio, e $S$ é a área da seção reta.

Sabemos que:

$S\ =\ \pi r^2$.....[2]

Onde $r$ é o raio da espessura do fio.

Substituindo [2] em [1]:

$v\ =\ \dfrac{1}{r} \sqrt{\dfrac{T}{\pi d}}$

Onde concluímos que a velocidade de propagação da onda é inversamente proporcional ao raio de espessura.

Assim, ao dividir o raio por $2$, a velocidade será duplicada. Assim, chamando de $v_{BC}$ a velocidade no trecho $BC$, teremos:

$v_{BC}\ =\ 2\ \cdot\ 200\ =\ 400\ \dfrac{m}{s}$

sábado, 8 de junho de 2013

Exercício: determinando o comprimento de onda por meio de um objeto em deslocamento.

(U Mackenzie-SP) As ondas de um lago chegam de $10$ em $10$ segundos a um ponto da margem. Uma boia desloca-se no sentido contrário ao da propagação das ondas com uma velocidade de $30\ \dfrac{cm}{s}$ em relação à margem, levando $5$ segundos para ir de uma depressão a outra, transpondo $8$ cristas. Qual o espaçamento entre as cristas?

Resolução:

A grandeza pedida é o comprimento de onda das oscilações da maré.

Chamando de $v$ a velocidade das ondas da maré e $\lambda$ seu comprimento de onda, teremos:

$v\ =\ \dfrac{\lambda}{10}$.....[1]

Para a bóia, teremos uma velocidade relativa, tendo uma oscilação própria diferente da do ponto da margem.

Como transpôs $8$ cristas em $5$ segundos, seu período de oscilação será $\dfrac{5}{8}$ segundos, tendo para sí a relação:

$v + 30\ =\ \dfrac{\lambda}{\dfrac{5}{8}}$.....[2]

Substituindo [1] em [2], teremos:

$\dfrac{\lambda}{10} + 30\ =\ \dfrac{8\lambda}{5}$

Donde:

$\lambda\ =\ 20\ cm$

Exercício: intensidades sonoras iguais.



Resolução:

De acordo com a relação:

$I\ =\ \dfrac{P}{4\pi r^2}$

Mantendo-se constante a intensidade sonora, sendo esta inversamente proporcional ao quadrado da distância do ponto à fonte e diretamente proporcional à potência, dobrando-se a distância, a potência deve ser multiplicada por $4$.

Chamando $P_B$ a potência da fonte B, teremos:

$P_B\ =\ 4\ \cdot\ 2,0\ =\ 8,0\ mW$

Exercício: frequência de oscilação de um barco em deslocamento.

(FEI-SP) Um barco A navega contra as ondas numa velocidade de $4,0\ \dfrac{m}{s}$. Uma embarcação B, ancorada, oscila com uma frequência de $0,03\ s^{-1}$. Sabendo que não ha correnteza, mas que as ondas se propagam com a velocidade de $2,4\ \dfrac{m}{s}$, determine a frequência de oscilação do barco A.

Resolução:

Observando o barco B, estático, podemos determinar o comprimento das ondas:

$2,4\ =\ 0,03\ \cdot\ \lambda\ \Rightarrow\ \lambda\ =\ 80\ m$

O barco A terá uma velocidade relativa de $4,0\ +\ 2,4\ =\ 6,4\ \dfrac{m}{s}$ com as ondas.

Aplicando a mesma lei e chamando de $f$ a frequência de oscilação do barco A, teremos:

$6,4\ =\ f\ \cdot\ 80\ \Rightarrow\ f\ =\ 0,08\ s^{-1}$

quinta-feira, 6 de junho de 2013

Exercício: período de um sistema pendular.



(FCM Santa Casa-SP) Na figura abaixo está representado um pêndulo simples, de período igual a $T$. Colocando-se um prego (P) na posição indicada, o pêndulo, na máxima elongação para a esquerda, fica com a configuração indicada pela linha pontilhada, voltando, depois, à sua configuração inicial.
Qual é o período de oscilação desse sistema?

a) 4T/3
b) 3T/2
c) 3T/4
d) 2T/3
e) 2T

Resolução:

Chamemos o período do sistema de $T_{eq}$, e o período do pêndulo ao lado esquerdo do prego de $T_p$.

Logicamente teremos $T_{eq}\ =\ \dfrac{T}{2}\ +\ \dfrac{T_p}{2}$......[1]

Como o período de um pêndulo, para oscilações de pequena amplitude, é diretamente proporcional à raiz quadrada do seu comprimento, e o comprimento do pêndulo à esquerda do prego fica multiplicado por $\dfrac{1}{4}$, teremos que:

$T_p\ =\ \dfrac{T}{2}$.....[2]

Substituindo [2] em [1], teremos:

$T_{eq}\ =\ \dfrac{T}{2}\ +\ \dfrac{T}{4}\ =\ \dfrac{3T}{4}$

Logo a alternativa correta é a C.

quarta-feira, 5 de junho de 2013

Exercício: MHS: elongação em uma fração da velocidade máxima.

(FO LINS-SP) Uma partícula executa movimento harmônico simples. Quando passa pelo ponto de elongação $x\ =\ +3,2\ cm$, sua velocidade é igual a $60\%$ da sua velocidade máxima. Qual é a amplitude do movimento?

Resolução:

Em um MHS sabemos que a equação que relaciona as variáveis velocidade e espaço é a equação de Torricelli para o MHS linear:

$v^2\ =\ \omega^2(a^2 - x^2)$.

Sabemos também que a velocidade é dada pela função horária:

$v\ =\ -\omega a\ \cdot\ \sin(\omega t + \varphi_0)$

Tendo seu máximo valor quando a fase for:

$\varphi\ =\ \dfrac{3\pi}{2} + 2k\pi\ ,\ k \in \mathbb{Z}$

Assim:

$v_{max}\ =\ \omega a$.

Substituindo na relação de Torriceli:

$(60\%)^2 \omega^2 a^2\ =\ \omega^2 (a^2 - x^2)$

Donde:

$x\ =\ \dfrac{8}{10} a$

Substituindo $x$ por $3,2$, teremos:

$a\ =\ 4\ cm$

Exercício: movimento oscilatório de um corpo flutuando em um fluido.

Uma rolha de densidade $d_r$ e altura $H$ flutua num líquido de densidade $d_{\ell}$. Afunda-se ligeiramente a rolha para baixo, deixando-se, a seguir, oscilar. Sendo $g$ a aceleração local da gravidade, determine o período de oscilação da rolha.

Resolução:

Antes de tudo, vamos determinar qual será o tipo de movimento da rolha.

Quando estática, o sistema estará em equilíbrio. Após afundar a rolha, surgirá uma resultante-empuxo trará a rolha de volta à sua posição inicial.

Chamando $A$ a área da secção reta da rolha, $E$ a força-empuxo, $h$ o comprimento submerso da rolha em equilíbrio, e $x$ o deslocamento imposto à rolha, teremos:

$E - P\ =\ d_{\ell}\ \cdot\ A\ \cdot\ (h - x)\ \cdot\ g\ -\ d_r\ \cdot\ A\ \cdot\ H\ \cdot\ g\ =$

$=\ gA[d_{\ell}(h - x) - d_r H]$

Considerando $d_r\ \approx\ 0$, $h\ \approx\ 0$, $P\ \approx\ 0$, e chamando de $R$ a resultante, teremos:

$R\ =\ E\ =\ -d_{\ell}gA\ \cdot\ x$

Logo podemos considerar $R$ aproximadamente uma força restauradora e diretamente proporcional ao deslocamento imposto $x$, caracterizando um MHS linear.

Assim podemos utilizar a fórmula geral do período:

$T\ =\ 2\pi\sqrt{\dfrac{m}{k}}$

Onde:

$m\ =\ d_r A H$

e

$k\ =\ d_{\ell}gA$

Logo:

$T\ =\ 2\pi\sqrt{\dfrac{d_r H}{d_{\ell} g}}$

terça-feira, 4 de junho de 2013

Exercício: período de oscilação de um pêndulo na Lua.

Na Terra, um pêndulo simples executa oscilações com período $T_T$. Se este pêndulo oscilasse na Lua, seu período seria $T_L$. Determine a razão $\dfrac{T_T}{T_L}$. Sabe-se que a aceleração da gravidade na Lua é seis vezes menor que na Terra.

Resolução:

Para pequenas oscilações, o movimento do pêndulo será aproximadamente harmônico simples linear, o que possibilitará-nos utilizar a fórmula $T = 2\pi\sqrt{\dfrac{\ell}{g}}$.

Como a aceleração da gravidade na Lua é seis vezes menor que na Terra, teremos: $g_L = \dfrac{g_T}{6}$.

Assim:

$T_L\ =\ 2\pi\sqrt{\dfrac{\ell}{\dfrac{g_T}{6}}}\ \Rightarrow\ T_L\ =\ (\sqrt{6})\ \cdot\ (2\pi\sqrt{\dfrac{\ell}{g_T}})\ =\ \sqrt{6}\ \cdot\ T_T$

Donde:

$\dfrac{T_T}{T_L}\ =\ \dfrac{T_T}{\sqrt{6}\ \cdot\ T_T}\ =\ \dfrac{1}{\sqrt{6}}$

domingo, 19 de maio de 2013

Exercício: lentes ópticas.

Usando uma lente delgada convergente de distância focal $f$ é possível projetar nitidamente a imagem de um objeto frontal sobre uma tela situada a uma distância $D$ do objeto. Verifica-se também que, dependendo da relação entre $f$ e $D$, há duas posições da lente que dão imagem nítida; às vezes uma só posição e, às vezes, nenhuma. Determine uma relação entre $f$ e $D$ para que haja formação de tal imagem nítida.

Resolução:

Como trata-se de uma lente delgada, podemos usar as relações de Gauss. Como projeta uma imagem em um anteparo, a imagem é real, e como temos uma lente convergente, o objeto será também real.

$D\ =\ p\ +\ p'\ \Rightarrow\ p'\ =\ D\ -\ p$

$\dfrac{1}{f}\ =\ \dfrac{1}{p}\ +\ \dfrac{1}{p'}\ =\ \dfrac{1}{p}\ +\ \dfrac{1}{D - p}$

$p^2\ -\ Dp\ +\ Df\ =\ 0$

Para determinar quantas imagens nítidas serão formadas, basta analisar quantas soluções terá a equação polinomial do segundo grau em $p$.

$\Delta\ =\ D^2 - 4Df$

Para termos duas imagens nítidas, teremos que $D\ >\ 4f$. Para termos uma única imagem nítida, teremos que $D\ =\ 4f$. Para não termos imagens nítidas, teremos que $D\ <\ 4f$.

quinta-feira, 4 de abril de 2013

Exercício: produto de matrizes #2.

Sendo A, B e C matrizes, tais que $C\ =\ A\ \cdot\ B$, com:

$A\ =\ (a_{i j})_{2 \times 3},\ a_{i j}\ =\ i^2 + j^2$;
$B\ =\ (b_{i j})_{3 \times 4},\ b_{i j}\ =\ 2i + j$;
$C\ =\ (c_{i j})$.

Determine os elementos $c_{2 3} $ e $ c_{3 4}$ da matriz $C$.

Resolução :

Por definição, o elemento $c_{2 3}$ será $P\ =\ \sum_{k = 1}^3 (a_{2 k}\ \cdot\ b_{k 3})$.

$P\ =\ \sum_{k = 1}^3 [(2^2 + k^2)\ \cdot\ (2k + 3)]\ =\ 5\ \cdot\ 5\ +\ 8\ \cdot\ 7\ +\ 13\ \cdot\ 9$

$P\ =\ 25\ +\ 56\ +\ 117\ =\ 198$

segunda-feira, 18 de fevereiro de 2013

Exercício: atraso na dilatação térmica de um relógio de pêndulo.

(Unisa-SP) Um relógio é controlado por um pêndulo que marca corretamente os segundos a $20 ^\circ C$. O pêndulo é feito de um material cujo coeficiente de dilatação linear é $16\ \cdot\ 10^{-6}\ ^\circ C^{-1}$. Quando a temperatura é mantida a $30\ ^\circ C$, qual o atraso do relógio em uma semana?

Resolução :

O período de um pêndulo que oscila em ângulos pequenos é dado aproximadamente por $T\ =\ 2\pi \sqrt{\dfrac{L}{g}}$, onde $L$ é seu comprimento e $g$ é a aceleração da gravidade local.

Sabemos também que, do teorema da dilatação térmica, $L\ =\ L_0 (1 + \alpha \Delta \theta)$.

Para os dados do enunciado, teremos $L\ =\ L (1 + 16\ \cdot\ 10^{-6}\ \cdot\ 10)\ =\ L\ \cdot\ 1,00016$.

Assim, se o comprimento será multiplicado por $1,00016$, o período do pêndulo será multiplicado por $\sqrt{1,00016}\ \approx\ 1,000080$.

Como em uma semana temos $7\ \cdot\ 24\ \cdot\ 3600\ =\ 604800$ segundos, o relógio com o pêndulo dilatado marcará $\dfrac{604800}{1,000080}\ \approx\ 604752$ segundos, dando uma diferença, considerando as aproximações, de $48$ segundos.

quinta-feira, 14 de fevereiro de 2013

Exercício: número de vasos capilares.

Em um ser humano adulto, a artéria aorta tem raio interno aproximadamente igual a $1,0\ cm$, e o sangue passa por ela com velocidade média igual a $30\ \dfrac{cm}{s}$. Em um vaso capilar o raio interno é aproximadamente igual a $4,0\ \cdot\ 10^{-4}\ cm$, e a velocidade do sangue é aproximadamente igual a $5,0\ \cdot\ 10^{-2}\ \dfrac{cm}{s}$. Calcule a ordem de grandeza do número de vasos capilares.

Resolução :

A vazão na aorta será :

$\Phi_a\ =\ A_a\ \cdot\ v_a\ =\ (1,0)^2\ \cdot\ \pi\ \cdot\ 30\ =\ 30 \pi\ \dfrac{cm^3}{s}$

A vazão em um capilar será :

$\Phi_c\ =\ A_c\ \cdot\ v_c\ =\ (4,0\ \cdot\ 10^{-4})^2\ \cdot\ \pi\ \cdot\ 5,0\ \cdot\ 10^{-2}\ =$

$=\ 8 \pi\ \cdot\ 10^{-9}\ \dfrac{cm^3}{s}$

Chamemos de $n$ o número de capilares. Como a vazão da aorta se distribui para todos os capilares, teremos :

$\Phi_a\ =\ n\ \cdot\ \Phi_c$

$30 \pi\ =\ n\ \cdot\ 8 \pi \cdot\ 10^{-9}$

$n\ =\ 3,75\ \cdot\ 10^9$

Logo a ordem é de bilhões de vasos capilares em um humano adulto.