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Física I
Energia de rotação
e o
momento de inércia
Profs.: Camilla Codeço e Marcello Barbosa
Coordenação: Malena Hor-Meyll e Thereza Paiva
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Cadeira giratória – momentos de inércia e angular
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Objetivos da aula
• Velocidade e aceleração angulares
• Funções horárias e Torricelli de rotação
• Energia de rotação e momento de inércia
• Momentos de inércia de vários corpos rígidos
• Momento angular e sua conservação
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Velocidade e aceleração angulares vetoriais
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Velocidade angular – MÓDULOPara um deslocamento tangencial
∆ 𝑠 = 𝑟 ∆ 𝜃 𝑟∆ 𝜃
a velocidade tangente média é
𝑣 = ∆ 𝑠∆ 𝑡
= 𝑟 ∆ 𝜃∆ 𝑡
𝜔 =2𝜋𝑇
= 2𝜋𝑓 =𝑟𝑎𝑑
𝑠
Definimos a velocidade ANGULAR instantânea
𝜔 = lim∆𝑡→0
∆ 𝜃∆ 𝑡
=𝑑 𝜃𝑑 𝑡
em unidades de
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→𝑣 (𝑡) = ( ± )𝑣(𝑡)�̂�(𝑡)→𝜔 (𝑡) = →𝑟 × →𝑣 (𝑡)
�̂� = �̂� × �̂�
→𝜔 (𝑡) = ± 𝜔(𝑡)�̂�→𝑟 = 𝑟 �̂�
�̂� = (cos𝜃, sin𝜃, 0)�̂� = (−sin𝜃, cos𝜃, 0)
�̂� = (0,0, 1)
Definindo os unitários
𝜔(𝑡) =𝑣𝑟
= 𝜔0
Com estas definições anti-horário (+) ou horário (-)
Velocidade angular – DIREÇÃO
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Velocidade angular – SENTIDO
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O movimento circular uniforme
→𝜔
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𝑡
𝜔(𝑡) = 𝜔0
𝜔(𝑡)
𝑡
𝜃(𝑡) = 𝜃0 + 𝜔0𝑡𝜃(𝑡)
𝛼(𝑡)
𝑡
MCU - Movimento Circular Uniformeme em 𝜃(𝑡)
aceleração angular é NULA no MCUvelocidade angular é CONSTANTE no MCU
T
2π
2T 3T
o ângulo cresce LINEARMENTE até 2π e PERIODICAMENTE a cada período T
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Aceleração angular
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Aceleração angular
a velocidade angular VARIA com o tempo e nos faz definir a ACELERAÇÃO ANGULAR
∆ 𝜔∆ 𝑡
≠ 0
Na presença de aceleração tangencial
𝛼 = lim∆𝑡→0
∆ 𝜔∆ 𝑡
=𝑑 𝜔𝑑 𝑡
=𝑑2 𝜃𝑑 𝑡2
𝛼 =𝑟𝑎𝑑𝑠2
em unidades de
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Aceleração angular – MÓDULO, DIREÇÃO e SENTIDO
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𝑡
𝛼(𝑡) = 𝛼0
𝑡
𝜃(𝑡) = 𝜃0 + 𝜔0𝑡 +12
𝛼0𝑡2
𝑡
MCUV - Movimento Circular Uniformeme Variado
aceleração angular é CONSTANTE no MCUV
velocidade angular AUMENTA LINEARMENTE no MCUV
o ângulo cresce QUADRATICAMENTE
no MCUV
𝜔(𝑡) = 𝜔0 + 𝛼0𝑡
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Torricelli Torricelli
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O momento de inércia e o momento angular
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Energia cinética de rotação de corpos rígidosPara o elemento de massa em P
𝐾𝑃 =12
𝑚𝑃𝑣2𝑃
Somando sobre todos os possíveis P’s
𝐾 = ∑𝑖
12
𝑚𝑖𝑣2𝑖
Como a velocidade angular é a MESMA
𝐾 = ∑𝑖
12
𝑚𝑖𝑟2𝑖 𝜔2 =
12 (∑
𝑖
𝑚𝑖𝑟2𝑖 )𝜔2
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Energia cinética de rotação e o momento de inérciaDefinimos o momento de inércia
De modo que a energia cinética fica
𝐾 =12
𝐼𝜔2
𝐼 = ∑𝑖
𝑚𝑖𝑟2𝑖
O momento de inércia faz, para rotações, o papel análogo da massa para translações
𝐼
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Exemplo – reduzindo o por rotações2𝑔hAntes
𝐾𝑎𝑛𝑡𝑒𝑠 = 0𝑈𝑎𝑛𝑡𝑒𝑠 = 𝑚𝑔h
Depois
𝐾𝑑𝑒𝑝𝑜𝑖𝑠 =12
𝑚𝑣2 +12
𝐼𝑑𝑖𝑠𝑐𝑜𝜔2
𝑈𝑑𝑒𝑝𝑜𝑖𝑠 = 0
𝐼𝑑𝑖𝑠𝑐𝑜 =12
𝑀𝑅2
Finalmente
𝜔 =𝑣𝑅e
𝑣 =2𝑔h
1 + 𝑀2𝑚
pois
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O momento angular
Na ausência de forças externas
→𝑝 = 𝑚 →𝑣 →𝐿 = 𝐼 →𝜔
→𝐿 = 𝐼 →𝜔
é conservado !!!𝑑→𝑝𝑑𝑡
= 0
Na ausência de TORQUES externos
é conservado !!!𝑑→𝐿
𝑑𝑡= 0
𝐾𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠 =𝑝2
2𝑚
→𝑝 →𝐿
𝐾𝑟𝑜𝑡 =𝐿2
2𝐼
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Volte ao slide “Objetivos da aula” e avalie se você compreendeu os conceitos. Por exemplo, pense se você é capaz de falar sobre eles ou explicá-los para uma outra pessoa.
Pense em perguntas sobre esses conceitos e as tragam para a aula
Não entendeu algo ou tudo? Calma! Assista o vídeo novamente, leia o livro texto e traga suas dúvidas para a aula.