Fundamentos de Fi?sica 9ª Edic?a?o Vol 1 - Halliday 1 ED 9

Fundamentos de Fi?sica 9ª Edic?a?o Vol 1 - Halliday 1 ED 9

(Parte 1 de 11)

Mecânica

Grupo

Editorial ------------- Nacional

O GEN I Grupo Editorial Nacional reúne as editoras Guanabara Koogan, Santos, Roca, AC Farmacêutica, Forense, Método, LTC, E.P.U. e Forense Universitária, que publicam nas áreas científica, técnica e profissional.

Essas empresas, respeitadas no mercado editorial, construíram catálogos inigualáveis, com obras que têm sido decisivas na formação acadêmica e no aperfeiçoamento de várias gerações de profissionais e de estudantes de Administração, Direito, Enferma gem, Engenharia, Fisioterapia, Medicina, Odontologia, Educação Física e muitas outras ciências, tendo se tornado sinônimo de seriedade e respeito.

Nossa missão é prover o melhor conteúdo científico e distribuí-lo de maneira flexível e conveniente, a preços justos, gerando benefícios e servindo a autores, docentes, livrei ros, funcionários, colaboradores e acionistas.

Nosso comportamento ético incondicional e nossa responsabilidade social e ambiental são reforçados pela natureza educacional de nossa atividade, sem comprometer o cres cimento contínuo e a rentabilidade do grupo.

Mecânica

Jearl Walker Cleveland State University

Tradução e Revisão Técnica Ronaldo Sérgio de Biasi, Ph.D.

Professor Titular do Instituto Militar de Engenharia -IME

Os autores e a editora empenharam-se para citar adequadamente e dar o devido crédito a todos os detentores dos direitos autorais de qualquer material utilizado neste livro, dispondo-se a possíveis acertos caso, inadvertidamente, a identificação de algum deles tenha sido omitida.

Não é responsabilidade da editora nem dos autores a ocorrência de eventuais perdas ou danos a pessoas ou bens que tenham origem no uso desta publicação.

Apesar dos melhores esforços dos autores, do tradutor, do editor e dos revisores, é inevitável que surjam erros no texto. Assim, são bem-vindas as comunicações de usuários sobre correções ou sugestões referentes ao conteúdo ou ao nível pedagógico que auxiliem o aprimoramento de edições futuras. Os comentários dos leitores podem ser encaminhados à LTC-Livros Técnicos e Científicos Editora pelo e-mail ltc@grupogen.com.br

HALLIDA Y & RESNICK: FUNDAMENTALS OF PHYSICS, VOLUME ONE, NINTH EDITION Copyright© 2011, 2008, 2005, 2003 John Wiley & Sons, Inc. All Rights Reserved. This translation published under license.

Direitos exclusivos para a língua portuguesa Copyright© 2012 by

LTC-Livros Técnicos e Científicos Editora Ltda. Uma editora integrante do GEN I Grupo Editorial Nacional

Reservados todos os direitos. É proibida a duplicação ou reprodução deste volume, no todo ou em parte, sob quaisquer formas ou por quaisquer meios ( eletrônico, mecânico, gravação, fotocópia, distribuição na internet ou outros), sem permissão expressa da editora.

Travessa do Ouvidor, 1

Rio de Janeiro, RJ -CEP 20040-040 Tels.: 21-3543-0770 / 1-5080-0770

Fax: 21-3543-0896 ltc@grupogen.com br w .ltceditora.com. br

Projeto de Capa: M77 Design Imagem de Capa: ©Eric Heller/Photo Researchers, Inc. Used with permission of John Wiley & Sons, Inc. Reproduzida com permissão da John Wiley & Sons, Inc.

Editoração Eletrônica: p,.,..,_,..

H69If v. l

Halliday, David, 1916-2010 Fundamentos de física, volume l : mecânica I David Halliday, Robert Resnick, Jearl Walker ; tradução e revisão técnica Ronaldo Sérgio de Biasi. -Rio de Janeiro: LTC,

2012. il. ; 28 cm

Tradução de: Fundamentais of physics, 9th ed. Apêndice

Inclui índice ISBN 978-85-216-1903-l l. Mecânica. 2. Física. I. Resnick, Robert, 1923-. I. Walker, Jearl, 1945-. m. Título.

12-2452. CDD: 530 CDU: 53

Volume 1

1 Medição

2 Movimento Retilíneo 3 Vetores

4 Movimento em Duas e Três Dimensões

5 Força e Movimento -1 6 Força e Movimento -li

7 Energia Cinética e Trabalho

8 Energia Potencial e Conservação da Energia

9 Centro de Massa e Momento Linear 10 Rotação

1 Rolamento, T arque e Momento Angular

Volume 2

12 Equilíbrio e Elasticidade 13 Gravitação

14 Fluidos

15 Oscilações 16 Ondas-1

17 Ondas-li

18 Temperatura, Calor e a Primeira Lei da Termodinâmica

19 A Teoria Cinética dos Gases 20 Entropia e a Segunda Lei da Termodinâmica

Volume 3

21 Cargas Elétricas

2 Campos Elétricos 23 Lei de Gauss

24 Potencial Elétrico

25 Capacitância 26 Corrente e Resistência

27 Circuitos

28 Campos Magnéticos

29 Campos Magnéticos Produzidos por Correntes

30 Indução e Indutância

31 Oscilações Eletromagnéticas e Corrente Alternada

32 Equações de Maxwell; Magnetismo da Matéria

Volume 4

3 Ondas Eletromagnéticas

34 lmagens 35 Interferência

36 Difração

37 Relatividade 38 Fótons e Ondas de Matéria

39 Mais Ondas de Matéria

40 Tudo sobre os Átomos 41 Condução de Eletricidade nos Sólidos

42 Física Nuclear

43 Energia Nuclear 4 Ouarks, Léptons e o Big Bang

Apêndices Respostas dos Testes e das Perguntas e Problemas Ímpares Índice

Volume 1

1 MEDIÇAO 1

1-1 O que É Física? 1

1-2 Medindo Grandezas 1 1-3 O Sistema Internacional de Unidades 2

1-4 Mudança de Unidades 3

1-5 Comprimento 3 1-6 Tempo 5

1-7 Massa 6

REVISÃO E RESUMO 8 PROBLEMAS 8

2 MOVIMENTO RETILÍNEO 1a

2-1 O que É Física? 13

2-2 Movimento 13

2-3 Posição e Deslocamento 13 2-4 Velocidade Média e Velocidade Escalar Média 14

2-5 Velocidade Instantânea e Velocidade Escalar Instantânea 17 2-6 Aceleração 19

2-7 Aceleração Constante: Um Caso Especial 2 2-8 Mais sobre Aceleração Constante 25

2-9 Aceleração em Queda Livre 26 2-1 O Integração de Gráficos em Análise de Movimento 27

REVISÃO E RESUMO 29 PERGUNTAS 30 PROBLEMAS 31

3 VETORES 40

3-1 O que É Física? 40

3-2 Vetores e Escalares 40

3-3 Soma Geométrica de Vetores 41 3-4 Componentes de Vetores 43

3-5 Vetores Unitários 45 3-6 Soma de Vetores a partir das Componentes 46

3-7 Vetores e as Leis da Física 49 3-8 Multiplicação de Vetores 49

REVISÃO E RESUMO 54 PERGUNTAS 5 PROBLEMAS 56

4 MOVIMENTO EM DUAS E TRÊS

DIMENSOES s1 4-1 O que É Física? 61

4-2 Posição e Deslocamento 61 4-3 Velocidade Média e Velocidade Instantânea 63

4-4 Aceleração Média e Aceleração Instantânea 65 4-5 Movimento Balístico 67

4-6 Análise do Movimento Balístico 69

4-7 Movimento Circular Uniforme 73 4-8 Movimento Relativo em Uma Dimensão 75

4-9 Movimento Relativo em Duas Dimensões 7

REVISÃO E RESUMO 78 PERGUNTAS 79 PROBLEMAS 80

5 FORÇA E MOVIMENTO -1 91

5-1 O que É Física? 91 5-2 Mecânica Newtoniana 91

5-3 A Primeira Lei de Newton 91 5-4 Força 92

5-5 Massa 94 5-6 A Segunda Lei de Newton 95

5-7 Algumas Forças Especiais 9 5-8 A Terceira Lei de Newton 102

5-9 Aplicando as Leis de Newton 103

REVISÃO E RESUMO 109 PERGUNTAS 110 PROBLEMAS 112

6 FORÇA E MOVIMENTO -li 121

6-1 O que É Física? 121 6-2 Atrito 121

6-3 Propriedades do Atrito 124 6-4 Força de Arrasto e Velocidade Terminal 126

6-5 Movimento Circular Uniforme 129

REVISÃO E RESUMO 133 PERGUNTAS 134 PROBLEMAS 135

7 ENERGIA CINÉTICA E TRABALHO 14s

7-1 O que É Física? 145

7-2 O que É Energia? 145 7-3 Energia Cinética 146

7-4 Trabalho 147 7-5 Trabalho e Energia Cinética 147

7-6 Trabalho Realizado pela Força Gravitacional 151

7-7 Trabalho Realizado por uma Força Elástica 154

7-8 Trabalho Realizado por uma Força Variável Genérica 157 7-9 Potência 160

REVISÃO E RESUMO 162 PERGUNTAS 163 PROBLEMAS 165

8 ENERGIA POTENCIAL E

CONSERVAÇÃO DA ENERGIA 112

8-1 O que É Física? 172 8-2 Trabalho e Energia Potencial 173

8-3 Independência da Trajetória para o Trabalho de Forças Conservativas 174

8-4 Cálculo da Energia Potencial 176

8-5 Conservação da Energia Mecânica 179

8-6 Interpretação de uma Curva de Energia Potencial 182 8-7 Trabalho Realizado por uma Força Externa sobre um Sistema 186

8-8 Conservação da Energia 189

REVISÃO E RESUMO 192 PERGUNTAS 193 PROBLEMAS 195

9 CENTRO DE MASSA E MOMENTO LINEAR 201

9-1 O que É Física? 201 9-2 O Centro de Massa 201

9-3 A Segunda Lei de Newton para um Sistema de Partículas 212 9-4 Momento Linear 216

9-5 O Momento Linear de um Sistema de Partículas 217 9-6 Colisão e Impulso 211

9-7 Conservação do Momento Linear 221 9-8 Momento e Energia Cinética em Colisões 224

9-9 Colisões lnelásticas em Uma Dimensão 224

9-1 O Colisões Elásticas em Uma Dimensão 221 9-1 Colisões em Duas Dimensões 230

9-12 Sistemas de Massa Variável: Um Foguete 231

REVISÃO E RESUMO 233 PERGUNTAS 235 PROBLEMAS 236

10 ROTAÇAO 249

10-1 O que É Física? 249

10-2 As Variáveis da Rotação 249 10-3 As Grandezas Angulares São Vetores? 254

10-4 Rotação com Aceleração Angular Constante 255

10-5 Relações entre as Variáveis Lineares e Angulares 258 10-6 Energia Cinética de Rotação 261

10-7 Cálculo do Momento de Inércia 262 10-8 Torque 267

10-9 A Segunda Lei de Newton para Rotações 268 10-1 O Trabalho e Energia Cinética de Rotação 210

REVISÃO E RESUMO 273 PERGUNTAS 275 PROBLEMAS 276

1 ROLAMENTO, TORQUE E MOMENTO ANGULAR 28&

1-1 O que É Física? 286 1-2 O Rolamento como uma Combinação de Translação e Rotação 286

1-3 A Energia Cinética de Rolamento 288 1-4 As Forças do Rolamento 289

1-5 O Ioiô 292 1-6 Revisão do Torque 292

1-7 Momento Angular 294 1-8 Segunda Lei de Newton para Rotações 297

1-9 O Momento Angular de um Sistema de Partículas 299

1-1 O Momento Angular de um Corpo Rígido Girando em Torno de um Eixo Fixo 300

1-1 Conservação do Momento Angular 302

1-12 Precessão de um Giroscópio 306

REVISÃO E RESUMO 307 PERGUNTAS 308 PROBLEMAS 309

A O Sistema Internacional de Unidades (SI) 319

B Algumas Constantes Fundamentais da Física 321 e Alguns Dados Astronômicos 322

D Fatores de Conversão 323 E Fórmulas Matemáticas 327

F Propriedades dos Elementos 330 G Tabela Periódica dos Elementos 3

RESPOSTAS dos Testes e das Perguntas e Problemas lmpares 334

ÍNDICE 338

Diversão com um grande desafio. É assim que venho encarando a física desde o dia em que Sharon, uma das alunas do curso que eu ministrava enquanto doutorando, me perguntou de repente:

-O que isto tem a ver com a minha vida? Respondi prontamente:

-Sharon, isto é física! Tem tudo a ver com a sua vida! A moça me pediu um exemplo. Dei tratos à bola, mas não consegui encontrar ne nhum. Nessa noite criei O Circo Voador da Física (LTC, 2008) para Sharon, mas também para mim, porque percebi que compartilhava com ela a mesma angústia. Tinha passado seis anos estudando em dezenas de livros de física escritos segundo elaboradas estratégias pedagógicas e com a melhor das intenções, mas faltava algu ma coisa. A física é o assunto mais interessante que existe porque descreve o modo como o mundo funciona, mas não havia nos livros qualquer ligação com a realidade cotidiana Faltava diversão.

Procurei incluir muita física do mundo real neste livro, ligando-o à nova edição de O Circo Voador da Física. Boa parte dos assuntos vem das minhas aulas, nas quais posso julgar, pelas expressões e comentários dos alunos, os assuntos e apre sentações que funcionam. As observações que registrei a respeito de meus sucessos e fracassos ajudaram a estabelecer as bases para este livro. Minha mensagem aqui é a mesma que passei a todos os estudantes que encontrei desde o dia em que a Sha ron fez aquele comentário:

-Sim, você pode usar os conceitos básicos da física para chegar a conclusões válidas a respeito do mundo real, e é nesse entendimento que está a diversão.

Estabeleci muitos objetivos ao escrever este livro, mas o principal foi propor cionar aos professores um instrumento através do qual possam ensinar aos alunos como estudar assuntos científicos, identificar conceitos fundamentais, pensar a res peito de questões científicas e resolver problemas quantitativos. Este processo não é fácil, nem para estudantes, nem para professores. Na verdade, o curso associado a este livro pode ser um dos mais difíceis do currículo acadêmico. Entretanto, pode ser também um dos mais recompensadores, pois revela os mecanismos fundamentais do mundo, responsáveis por todas as aplicações científicas e de engenharia. e, c.\l'lmw,

0 1'1:1,>.tn(W"IO Nll::l«I o! ��ÓO-IÓ)

-..1:1flçtjfwm o nw,,mo,w ,,,,_,.

Agar:, 4-<9 O .,wiw,,<> l.il&n'ó? d: 1,il l'ft'Flil ltn�

J1 r..p::n li< 1,1 _.,,, do: .:1;(\knM.lu wm •�l;i,,:i;i,,k �I i'", ( .1),!k! 0.., (lroio, --n WIP,'O(l(!IIQ \I�

.. �. o,1 "'\!'� t tolN wmffl:i•,:-"' ô: wovim(nU.1 vt:ttk'..,1 (tvm ..:(JtrK11o> Ç((l�l1t11eJ � u�u bocfo,m.il ÍWl!l"\'�I,;:(��)

�,-.�-·-· "" .... .........,.... . •
i..r

Muitos usuários da oitava edição (professores e estu dantes) enviaram comentários e sugestões para aperfeiçoar o livro. Esses melhoramentos foram incorporados à exposi ção e aos problemas desta edição. A Editora John Wiley & Sons e eu encaramos este livro como um projeto permanente e gostaríamos de contar com uma participação crescente dos leitores. Sinta-se à vontade para enviar sugestões, correções e comentários positivos ou negativos para John Wiley & Sons (http:wiley.com/college/halliday) ou Jearl Walker (endereço postal: Physics Department, Cleveland State University, Cle veland, OH 44115 USA; endereço de e-mail: physics@wiley

com; blog: http://www.flyingcircusofphysics.com/Blog.aspx Talvez não seja possível responder a todas as sugestões, mas lemos e consideramos cada uma delas.

�-+,:------, 7,""

• Muitas ilustrações deste livro foram modificadas de modo a ressaltar as ideias principais relacionadas à física.

• Pelo menos uma figura em cada capítulo foi ampliada para que sua mensagem fosse apresentada em etapas.

-61,,lo
a, .. , ....... ,

x PREFÁCIO

• Tópicos de O Circo Voador da Física foram introduzidos de várias formas: em textos de abertura dos capítulos, em exemplos e em problemas. Isso foi feito com dois objetivos: (1) tomar o assunto mais interessante e divertido; (2) mostrar ao estudante que o mundo que nos cerca pode ser examinado e compreendido usando os princípios fundamentais da física.

• Os assuntos que também são discutidos em O Circuito Voador da Física estão in dicados pelo desenho de um biplano. A bibliografia do Circo Voador (mais de 1.0 referências a revistas científicas e de engenharia) pode ser encontrada no site http://www.flyingcircusofphysics.com

Os EXEMPLOS foram escolhidos para mostrar que os problemas de física devem ser resolvidos usando o raciocínio, em vez de simplesmente introduzir números em uma equação sem nenhuma preocupação com o significado.

As IDEIAS-CHAVE dos exemplos mostram ao estudante quais são os conceitos básicos necessários para resolver um problema. O que queremos dizer com essas ideias-chave é o seguinte: "Vamos começar a solução usando este conceito básico, um método que nos prepara para resolver muitos outros problemas. Não começa mos sacando do bolso uma equação para uma simples substituição de números, um método que não nos prepara para nada."

O QUE É FÍSICA? O corpo de cada capítulo agora começa com esta pergunta e com a resposta relacionada ao assunto examinado. (Um bombeiro hidráulico uma vez me perguntou: "Em que você trabalha?" Respondi: "Sou professor de física." O bom beiro pensou por alguns instantes e depois me perguntou: "O que é física?" Embora a profissão dele dependesse inteiramente dessa ciência, ele não sabia nem mesmo o que ela significava. Muitos estudantes de física básica não sabem definir essa ciência, mas supõem que isso é irrelevante para a carreira que escolheram.)

SÍMBOLOS O quadro representado abaixo é repetido no início de cada lista de pro blemas e mostra os símbolos usados neste livro.

(Parte 1 de 11)

Comentários