Física · Concurso PRF

Movimento circular uniforme

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Movimento circular uniforme
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Resumo: Movimento circular uniforme

Essência. No MCU o módulo da velocidade é constante, mas a direção muda: há aceleração centrípeta, para o centro. Aplicações: roda de veículo e curva.

  • Período T (s por volta); frequência f = 1/T (Hz); rpm ÷ 60 = Hz.
  • Velocidade angular: ω = 2π/T = 2πf (rad/s).
  • Velocidade linear: v = ωr = 2πrf.
  • Aceleração centrípeta: a_c = v²/r = ω²r; dobrar v → a_c × 4.
  • Força centrípeta: m·v²/r; em curva plana, vem do atrito → v_máx = √(μgr).
  • Transmissões: correia ou engrenagens em contato → mesma v na borda (ω₁R₁ = ω₂R₂); mesmo eixo → mesma ω. Ex.: coroa e catraca da bicicleta (mesma v); catraca e roda traseira (mesma ω).
  • Roda sem deslizar: v do carro = ωR.

Exceções e distinções. Roda de 0,4 m a 10 Hz → v = 8π ≈ 25,1 m/s. Curva de 50 m a 10 m/s → a_c = 2 m/s² (não 5).

Pegadinha Cebraspe. "No MCU a velocidade é constante, logo a aceleração é nula" → errado: há centrípeta.

Lembre também: trocar v²/r por v/r ou r/v²; a aceleração aponta para o centro, não tangente.

Visão geral

No MCU o módulo da velocidade é constante, mas a direção muda: há aceleração centrípeta, apontada para o centro. Aplicações: roda de veículo, veículo em curva.

Regra

  • Período T (s por volta); frequência f = 1/T (Hz = voltas/s); 1 rpm = 1/60 Hz.
  • Velocidade angular: ω = Δθ/Δt = 2π/T = 2πf (rad/s). Ex.: 600 rpm = 10 Hz → ω = 20π rad/s.
  • Velocidade linear (tangencial): v = ω·r = 2πrf. Ex.: roda de 0,3 m a 10 Hz → v = 6π ≈ 18,8 m/s.
  • Aceleração centrípeta: a_c = v²/r = ω²·r. Ex.: 20 m/s em curva de 100 m → 4 m/s².
  • Força centrípeta (resultante na curva): F_c = m·v²/r. Em curva plana, quem a fornece é o atrito lateral: v_máx = √(μ·g·r). Ex.: μ = 0,5 e r = 80 m → v_máx = 20 m/s (72 km/h).
  • Polias/engrenagens ligadas por correia: mesma v na borda; mesmo eixo: mesma ω.

Método

  1. Converta frequência (rpm → Hz) e velocidade (km/h → m/s).
  2. ω = 2πf; v = ωr; a_c = v²/r.

Pontos-chave

Exemplos resolvidos

  • Roda r = 0,4 m, f = 10 Hz: ω = 20π rad/s; v = 8π ≈ 25,1 m/s (> 24 ✔).
  • Curva r = 50 m, v = 10 m/s: a_c = 100/50 = 2 m/s² (não 5).
  • Dobrar v na mesma curva → a_c × 4.

Aprofundamento

  • Período T (tempo de uma volta) e frequência f = 1/T (Hz = voltas por segundo; rpm ÷ 60 = Hz).
  • Velocidade angular ω = 2π/T = 2πf (rad/s); velocidade linear v = ω·R.
  • Aceleração centrípeta a_c = v²/R = ω²R, apontando para o centro; no MCU a velocidade tem módulo constante, mas muda de direção — há aceleração.
  • Transmissões: polias ligadas por correia/engrenagens em contato têm a mesma velocidade linear (ω₁R₁ = ω₂R₂); polias no mesmo eixo têm a mesma velocidade angular.
  • Roda que rola sem deslizar: v do carro = ω·R da roda; o ponto de contato com o chão tem velocidade instantânea nula e o topo, 2v.

Exemplo: roda de raio 0,3 m a 600 rpm: f = 10 Hz; ω = 20π ≈ 62,8 rad/s; v = 62,8 × 0,3 ≈ 18,8 m/s (≈ 68 km/h).

Exemplo: carro a 20 m/s numa curva de raio 100 m: a_c = 400/100 = 4 m/s².

Como o Cebraspe cobra

  • "Velocidade constante no MCU, logo aceleração nula": errado (há centrípeta).
  • Troca v²/r por v/r ou r/v².
  • Detalhe que torna o item errado: o quadrado da velocidade e a direção da aceleração (para o centro, não tangente).

Revisão rápida

  • ω = 2πf; v = ωr.
  • a_c = v²/r = ω²r, para o centro.
  • MCU tem aceleração (centrípeta).
  • a_c ∝ v²: dobrar v quadruplica a_c.
  • Curva plana: atrito é a força centrípeta.

Mapa mental: Movimento circular uniforme

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Flashcards de Movimento circular uniforme

Tente lembrar antes de virar o card.

  • Qual é a fórmula da aceleração centrípeta?

    Revelar resposta

    ac = v²/r = ω²·r — sempre direcionada para o centro da trajetória.

  • Como calcular a velocidade tangencial de um ponto na borda de uma roda a partir da frequência?

    Revelar resposta

    ω = 2πf (rad/s) e v = ω·r = 2πrf. Frequência em Hz (rpm ÷ 60). Pegadinha: esquecer o 2π (v = f·r) ou não converter rpm para Hz.

  • Curva plana com atrito: qual a condição para o veículo não derrapar?

    Revelar resposta

    O atrito estático fornece a força centrípeta: m·v²/R ≤ μ·m·g ⟹ aca_c ≤ μ·g ⟹ vmaˊxv_{\text{máx}} = √(μ·g·R). Ex.: μ = 0,6, g = 9,8 → aca_c máx = 5,88 m/s²; aca_c = 4,8 m/s² → não derrapa.

  • MHS x(t) = A·cos(ωt + φ): como obter o período?

    Revelar resposta

    ω é o coeficiente de t no argumento; T = 2π/ω (e f = 1/T). Ex.: ω = 3π rad/s → T = 2π/3π = 2/3 s ≈ 0,67 s. Pegadinha: usar a fase φ ou a amplitude A no cálculo do período.

  • Posição r(t) = (R·cos ωt, R·sen ωt): quando é MCU, onde aponta a velocidade e há aceleração?

    Revelar resposta

    Com R constante e ω constante → MCU (círculo de raio R). A velocidade é tangente à trajetória (perpendicular ao raio): onde X = 0 (corpo sobre o eixo y), v aponta na direção x. Há aceleração centrípeta a = ω²R. Se R(t) = sec(ωt): x = 1 (reta vertical) e y = tg(ωt) → a velocidade diverge quando ωt → π/2.

  • Satélite geoestacionário: como se compara sua velocidade angular com a da Terra?

    Revelar resposta

    Geoestacionário = parado em relação à superfície → período = 24 h → ω igual à da Terra (ω = 2π/T). A velocidade linear é que é maior (v = ω·r, r maior).

Questões de Movimento circular uniforme

  1. Questão 1 · Certo ou Errado

    A roda de um veículo tem raio de 0,4 m e gira com frequência constante de 10 Hz enquanto o veículo trafega em linha reta. Nessa situação, a velocidade escalar de um ponto na borda da roda (velocidade tangencial) é superior a 24 m/s.

    Revelar gabarito

    Gabarito: Certo

    Certo. A velocidade angular é ω=2πf=2π×10=20π rad/s. A velocidade tangencial na borda é v=ωr=20π×0,4=8π≈25,13 m/s, valor superior a 24 m/s.

  2. Questão 2 · Certo ou Errado

    Uma viatura da PRF realiza uma curva circular de raio 50 m com velocidade constante de 10 m/s. Nessa situação, a aceleração centrípeta do veículo durante a curva é igual a 5 m/s².

    Revelar gabarito

    Gabarito: Errado

    Errado. ac = v²/r = 10²/50 = 100/50 = 2 m/s², e não 5 m/s² como afirma o item.

Fontes

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