Transcript
Versão preliminar 6 de setembro de 2002
Notas de Aula de Física 02. VETORES E ESCALARES........................................................................................... 2 UM POUCO DE TRIGONOMETRIA............................................................................................ 2 MÉTODO GEOMÉTRICO ........................................................................................................ 2 MÉTODO ANALÍTICO ............................................................................................................ 3 MULTIPLICAÇÃO DE VETORES............................................................................................... 3 Multiplicação de um vetor por um escalar..................................................................... 4 Produto escalar ............................................................................................................. 4 Produto vetorial ............................................................................................................. 5 SOLUÇÃO DE ALGUNS PROBLEMAS ....................................................................................... 7 02 .................................................................................................................................. 7 06 .................................................................................................................................. 7 32 .................................................................................................................................. 8 39 .................................................................................................................................. 8 45 .................................................................................................................................. 9 46 .................................................................................................................................. 9 47 ................................................................................................................................ 10 51 ................................................................................................................................ 10
Prof. Romero Tavares da Silva
02. Vetores e escalares Algumas grandezas físicas ficam completamente definidas quando informamos um número e uma unidade. Quando dizemos que a temperatura de uma pessoa é 370C a informação está completa. A temperatura é uma grandeza escalar. Se dissermos que a velocidade de um automóvel é de 50km/h não definimos completamente a informação. Não foi dito em que direção e sentido esse corpo se movimentava. A necessidade dessa informação complementar - direção e sentido - caracteriza a velocidade como um vetor. Os vetores são representados por setas, e costuma-se representar um vetor com módulo maior que outro por uma seta de tamanho maior. Usamos basicamente de dois modos de representar os vetores, o método geométrico e o método analítico. Um pouco de trigonometria Vamos considerar um triângulo retângulo com hipotenusa a e catetos b e c respectivamente. O teorema de Pitágoras diz que: a2 = b2 + c2
α
As funções seno e cosseno são definidas como: c c = cos α a b cos θ = = sen α a E do Teorema de Pitágoras, encontramos que:
a
senθ =
θ b
sen 2 θ + cos 2 = 1 senθ c cos α = tan θ = = cot α = cos θ a sen α Método geométrico No método geométrico, a visualização dos vetores fica mais óbvia, mas não é adequado para a operações com diversos vetores. Método geométrico A força é uma grandeza vetorial. Quando consideramos duas forças atuando sobre um dado corpo, o efeito resultante será ! igual à atuação de uma única força que seja a ! ! a soma vetorial das duas forças mencionab c das. ! ! A soma desses dois vetores pode ser a b efetuada usando-se a regra do paralelogramo. ! ! ! c =a+b Cap 02
[email protected]
2
Prof. Romero Tavares da Silva Método analítico O método analítico consiste basicamente em definir um sistema de coordenadas cartesianas e decompor os vetores segundo as suas componentes nestes eixos. Vamos considerar um sistema de coordenadas bidimensional, definido pelos eixos x ! e y , como mostrados na figura ao lado. O vetor a tem componentes cartesianas ax e ay que tem a forma: y ax = a . cosθ ay = a . senθ
! a ay
Ou de maneira inversa: a = a +a 2 x
tan θ =
θ ax
2 y
x
ay ax
Uma maneira de representar vetores é através de suas componentes num dado sistema de coordenadas, como foi antecipado na figura anterior. Desse modo: ! a = iˆa x + ˆja y onde iˆ e ˆj são vetores unitários (ou versores) que apontam nas direções dos eixos x e y respectivamente e têm módulos iguais a um. A soma de dois vetores será então definida como: " ! ! c =a+b
onde
! a = iˆa x + e ! b = iˆb + x
ˆja y
! c = iˆ (a x + b x ) + ˆj (a y + b y )
⇒ ˆjb y
ou seja: ! c = iˆc x + ˆjc y
onde
c x = a x + b x e c = a + b y y y
Multiplicação de vetores As operações com vetores são utilizadas de maneira muito ampla na Física, para expressar as relações que existem entre as diversas grandezas.
Cap 02
[email protected]
3
Prof. Romero Tavares da Silva Multiplicação de um vetor por um escalar ! ! Sejam dois vetores a e b e um escalar k. Definimos a multiplicação mencionada como: ! ! b = ka ! ! O vetor k a tem a mesma direção do vetor a . Terá mesmo sentido se k for positivo e sentido contrário se k for negativo.
! ka
! a
Produto escalar ! Define-se o produto escalar de dois vetores a e ! b como a operação: ! ! a ⋅ b = ab cos ϕ
! a ϕ ! b
onde ϕ é o ângulo formado pelos dois vetores.
Podemos dizer que o produto escalar de dois vetores é igual ao módulo do primeiro vezes a componente do segundo no eixo determinado pelo primeiro, ou vice-versa. Isso pode-se resumir na propriedade : ! ! ! ! a ⋅b = b ⋅a Uma aplicação do produto escalar é a definição de trabalho W executado por uma força constante que atua ao longo de um percurso d: ! ! W = F .d = Fd cos θ Usando o conceito de vetor unitário encontramos que: iˆ ⋅ iˆ = iˆ iˆ cos 0 0 = 1
z
jˆ ⋅ ˆj = 1 kˆ ⋅ kˆ = 1 e de modo equivalente: iˆ ⋅ ˆj = iˆ ˆj cos 90 0 = 0
kˆ iˆ
ˆj
y
iˆ ⋅ kˆ = 0 x jˆ ⋅ kˆ = 0 Podemos utilizar a decomposição de um vetor segundo as suas componentes cartesianas e definir o produto escalar:
Cap 02
[email protected]
4
Prof. Romero Tavares da Silva ! a = iˆa x + ˆja y + kˆa z ! b = iˆb x + ˆjb y + kˆb z
(
)(
! ! a ⋅ b = iˆa x + ˆja y + kˆa z ⋅ iˆb x + ˆjb y + kˆbz e portanto:
)
! ! a ⋅ b = a x b x + a y by + a z bz
Fica fácil perceber que: ! ! a ⋅ a = a 2 = a x2 + a y2 + a z2 !! ! ! a.b Como a ⋅ b = ab cos ϕ , temos que cos ϕ = , e assim poderemos calcular o ab ângulo entre os dois vetores, em função de suas componentes cartesianas: cos ϕ =
a x b x + a y by + az bz a x2 + a y2 + a z2 b x2 + b y2 + b z2
Produto vetorial ! Define-se o produto vetorial de dois vetores a e ! b como a operação: ! ! ! c = a×b e módulo c é definido como: c = ab sen ϕ ! onde c é um vetor ! perpendicular ao plano defino pe! los vetores a e b e ϕ é o ângulo formado por esses dois últimos dois vetores.
! c
! b ϕ ! a
! Uma aplicação do produto vetorial é a definição da força F que atua em uma car! ga elétrica q que penetra com velocidade v numa região que existe um campo magnéti! co B : ! ! ! F = qv ×B ou ainda: F = q v B senϕ
Cap 02
[email protected]
5
Prof. Romero Tavares da Silva Usando a definição de produto vetorial, encontramos que: iˆ × ˆj = kˆ = − ˆj × iˆ jˆ × kˆ = iˆ = −kˆ × ˆj
z
kˆ
kˆ × iˆ = jˆ = −iˆ × kˆ
iˆ
iˆ × iˆ = jˆ × jˆ = kˆ × kˆ = 0
ˆj
y
x
De modo genérico, podemos definir o produto vetorial como:
(
)(
! ! ! c = a × b = iˆa x + ˆja y + kˆa z × iˆb x + ˆjb y + kˆb z
)
e usando os resultados dos produtos vetoriais entre os vetores unitários, encontramos que: ! c = iˆ(a y b z − a z b y ) + ˆj (a z b x − a x bz ) + kˆ (a x b y − a y b x ) Usando as propriedades de matrizes, encontramos que o produto vetorial pode ser expresso como o determinante da matriz definida a seguir: iˆ ! ! ! c = a × b = ax bx
Cap 02
ˆj ay by
[email protected]
kˆ az bz
6
Prof. Romero Tavares da Silva Solução de alguns problemas Capítulo 3 - Halliday, Resnick e Walker - 4a. edição ! 02 Quais são as propriedades dos vetores a! e b tais que: ! ! ! a) a+b =c e a+b=c Temos que: ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! c ⋅ c = a + b ⋅ a + b = a ⋅ a + b ⋅ b + 2a ⋅ b ou seja: c 2 = a 2 + b 2 + 2ab cos θ
(
)(
)
! b
! c θ
! a
Para que c = a + b é necessário que θ = 0 pois ! b
! a
c2 = a2 + b2 + 2ab = (a + b)2 ! ! Portanto a b ! ! ! ! a+b =a−b
b)
Da equação acima, temos que: ! ! ! ! ! ! a − a = b + b ∴ 2b = 0 ∴ b = 0 ! ! ! a+b =c
c)
e
a2 + b2 = c 2
Como c 2 = a 2 + b 2 + 2ab cos θ , para que
2
2
2
! b
2
c = a + b + 2ab = (a + b) devemos ter
θ =
θ
! ! π portanto a ⊥ b 2
! a
Capítulo 3 - Halliday, Resnick e Walker - 4a. edição ! ! O vetor a tem módulo de 3 unidades e está dirigido para Leste. O vetor b está diri06 gido para 350 a Oeste do Norte e tem módulo 4 unidades. Construa os diagramas ! ! ! ! vetoriais para a + b e b - a . Estime o módulo e a orientação dos vetores ! ! ! ! a + b e a - b a partir desse diagramas. ! a = iˆa x ! ˆ b = i b x + ˆjb y a x = a = 3 0 b x = −b senθ = −4 sen 35 = −2,29 b = b cos θ == 4 cos 35 0 = 3,27 y Cap 02
[email protected]
y ! b θ Oeste
Leste ! a
x 7
Prof. Romero Tavares da Silva a)
! ! ! c =a+b
c x = a x + b x c y = a y + b y
cx = 3 - 2,29 = 0,71 cy = 3,27 c = c x2 + c y2 = 3,34 b)
! ! ! d = b −a
d x = b x − a x d y = b y − a y
dx = -2,29 - 3 = -5,29 dy = 3,27 d = d x2 + d y2 = 6,21
Capítulo 3 - Halliday, Resnick e Walker - 4a. edição Prove que dois vetores devem ter o mesmo módulo para que sua soma seja perpen32 dicular á sua diferença.
(a! + b! )⋅ (a! − b! ) = a
2
− b2 = 0
⇒
a=b
Capítulo 3 - Halliday, Resnick e Walker - 4a. edição 39 Mostre que num sistema de coordenadas destrógiro: iˆ ⋅ iˆ = ˆj ⋅ ˆj = kˆ ⋅ kˆ = 1 e iˆ ⋅ ˆj = ˆj ⋅ kˆ = kˆ ⋅ iˆ = 0 ! ! A definição de produto escalar é tal que: a ⋅ b = a b cos θ , onde θ é o ângulo formado pelos vetores. Logo: iˆ ⋅ iˆ = iˆ iˆ cos 0 0 = 1.1.1 = 1 e iˆ ⋅ ˆj = iˆ ˆj cos 90 0 = 1.1.0 = 0 Os outros itens seguem-se como extensão desses anteriores.
Cap 02
[email protected]
8
Prof. Romero Tavares da Silva Capítulo 3 - Halliday, Resnick e Walker - 4a. edição 45 A soma de três vetores é igual a zero, como mostra a figura. Calcule:
α
! c θ
! a) a! ⋅ b = ? ! ! π a ⋅ b = a b cos = 0 2 ! ! b) a ⋅ c = - a c cosθ = -a c (a/c) = - a2 c)
! b
! a
! ! b ⋅ c = - b c cosα = - b c (b/c) = - b2 Podemos concluir que: ! ! ! c +a+b =0 ! ! ! ! ! ! c ⋅c + c ⋅b + c ⋅a = 0 logo: c2 = a2 + b2
Capítulo 3 - Halliday, Resnick e Walker - 4a. edição 46 Para o problema anterior, calcule: ! ! a) a × b = ?
! b
Suponhamos que o eixo z seja! perpendicular ao pla! no definido pelos vetores a e b . ! ! a × b = zˆ a b sen(π/2) = zˆ a b
β ! a
! ! b) a × c = ?
c)
θ
! ! a × c = a c senθ ! ! a × c = (- zˆ ) a c senθ = - zˆ a c (b/c) = - zˆ a b ! ! b×c =? ! ! b × c = b c senα ! ! b × c = zˆ b c senα = zˆ b c (a/c) ! ! b × c = zˆ a b
Cap 02
[email protected]
! c
! a
! b
! c
α
9
Prof. Romero Tavares da Silva Capítulo 3 - Halliday, Resnick e Walker - 4a. edição 47 Produto escalar em função das coordenadas: Suponha que dois vetores sejam representados em termos das coordenadas como: ! ! a = iˆa x + ˆja y + kˆa z e b = iˆb x + ˆjb y + kˆb z mostre que:
! ! a ⋅ b = a x b x + a y by + a z bz
Por definição temos que:
(
)(
! ! a ⋅ b = iˆa x + ˆja y + kˆa z ⋅ iˆb x + ˆjb y + kˆb z
)
Usando os resultados do problema 39, resolvido anteriormente, temos a resposta pedida. ! ! a ⋅ b = a x b x + a y by + a z bz
Capítulo 3 - Halliday, Resnick e Walker - 4a. edição ! ! Dois vetores são dados por a = 3iˆ + 5 ˆj e b = 2iˆ + 4 ˆj . Calcule:
51
! a) a! × b =? iˆ ˆj kˆ ! ! a × b = 3 5 0 = kˆ (3.4 − 5.2) = 2kˆ 2 4 0 ! ! b) a ⋅ b =? ! ! a ⋅ b = 3.2 + 5.4 = 26 c)
(a! + b! )⋅ b! =? (a! + b )⋅ b = (5iˆ + 9 ˆj )⋅ (2iˆ + 4 ˆj )= 5.2 + 9.4 = 46 !
Cap 02
!
[email protected]
10
