Tempo, posição e velocidade

11.º ano · Física · Domínio: Mecânica

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Formulário e notas deste tema
Aceleração gravítica. Nos exames de 2017 a 2022, \(g=10 {\text{m s}}^{-2}\); a partir de 2023, \(g=9,80 {\text{m s}}^{-2}\). Use o valor do ano do exame indicado.
Formulário — Tempo, posição e velocidade
Movimento retilíneo (referencial \(Ox\) ou \(Oy\)): \(x\left( t \right)={x}_{0}+{v}_{0}\,t+\frac{1}{2}\,a\,{t}^{2}  v\left( t \right)={v}_{0}+a\,t  {v}^{2}={v}_{0}^{2}+2\,a\,\Delta x\) (aceleração constante).
Componente escalar da velocidade e da aceleração: \({v}_{x}=\frac{dx}{dt}\) (declive da tangente ao gráfico \(x\left( t \right)\)), \( {a}_{x}=\frac{d{v}_{x}}{dt}\) (declive da tangente ao gráfico \({v}_{x}\left( t \right)\)). Deslocamento = área (com sinal) sob o gráfico \({v}_{x}\left( t \right)\); distância percorrida = área em módulo (somando os troços).
Velocidade média e rapidez média: \({\overrightarrow{v}}_{m}=\frac{\Delta \overrightarrow{r}}{\Delta t}\) ; \( {r}_{m}=\frac{\text{distância percorrida}}{\Delta t}\).
Movimento uniforme: \(a=0\), \(x={x}_{0}+v\,t\). Movimento circular uniforme: \(v\) constante em módulo, mas o vetor velocidade (tangente à trajetória) muda de direção: \(\overrightarrow{a}\ne \overrightarrow{0}\) (aponta para o centro).
Sentido do movimento: \({v}_{x}>0\) move-se no sentido positivo; \({v}_{x}<0\) no negativo. A aceleração tem o sentido do movimento se \({a}_{x}\) e \({v}_{x}\) têm o mesmo sinal (\(\left| v \right|\) aumenta).
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Exercício 1

★Exame nacional

Exame Nacional 2017, 2.ª fase — Grupo I, item 3.1

Considere dois conjuntos, A e B, ambos constituídos por um ciclista e pela respetiva bicicleta. Estes conjuntos movem-se numa pista horizontal.

Admita que cada conjunto pode ser representado pelo seu centro de massa (modelo da partícula material).

Admita que, num determinado intervalo de tempo, os conjuntos A e B se movem paralelamente um ao outro, num troço retilíneo da pista horizontal. Considere um referencial unidimensional, \(Ox\), paralelo à trajetória dos conjuntos nesse troço.

Na Figura 1, encontram-se representados os esboços dos gráficos das componentes escalares da velocidade, \({v}_{x}\), dos conjuntos A e B, segundo o referencial \(Ox\), em função do tempo, \(t\), no intervalo de tempo considerado.

Figura do exercício 1: Tempo, posição e velocidade

De acordo com o gráfico, no intervalo de tempo \(\left[ 0,\,{t}_{2} \right]\), os conjuntos A e B

(A) cruzam-se no instante \({t}_{1}\).

(B) movem-se no mesmo sentido.

(C) percorrem distâncias diferentes.

(D) têm módulos da aceleração diferentes.

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Resposta: (B) (Versão 1)

Em \(\left[ 0,{t}_{2} \right]\) ambas as componentes \({v}_{x}\) são positivas: os dois conjuntos movem-se no sentido positivo de \(Ox\) (mesmo sentido). Em \({t}_{1}\) as velocidades são iguais, mas isso não implica que as posições coincidam; as áreas sob as retas são iguais (mesma distância percorrida); e os declives têm o mesmo módulo.

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Exercício 2

★Exame nacional

Exame Nacional 2022, 1.ª fase — item 1.1.1

Em 2020, foi enviada mais uma sonda espacial ao planeta Marte, integrada na missão Mars 2020. Essa sonda transportou, pela primeira vez na história da exploração espacial, um pequeno helicóptero.

Com os dados do altímetro, os engenheiros confirmaram o sucesso do primeiro voo de teste, em que o helicóptero apenas efetuou uma trajetória vertical. Na Figura 1, encontra-se representado o gráfico da altitude do helicóptero, \(y\), em função do tempo, \(t\).

Considere que o helicóptero pode ser representado pelo seu centro de massa (modelo da partícula material).

Figura do exercício 2: Tempo, posição e velocidade

O gráfico da Figura 1 permite concluir que,

(A) entre \(0\) e \({t}_{1}\), o helicóptero se afastou do ponto de partida.

(B) entre \({t}_{1}\) e \({t}_{2}\), o movimento do helicóptero foi uniformemente acelerado.

(C) entre \({t}_{2}\) e \({t}_{3}\), o helicóptero descreveu uma trajetória retilínea.

(D) entre \(0\) e \({t}_{4}\), ocorreu uma inversão no sentido do movimento do helicóptero.

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Resposta: (D) (Versão 1)

Entre \({t}_{1}\) e \({t}_{2}\) o helicóptero sobe (declive positivo e aproximadamente constante: movimento uniforme, não uniformemente acelerado); entre \({t}_{2}\) e \({t}_{3}\) está parado à altitude constante; entre \({t}_{3}\) e \({t}_{4}\) desce. A subida seguida da descida corresponde a uma inversão do sentido do movimento.

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Exercício 3

★★Exame nacional

Exame Nacional 2017, 2.ª fase — Grupo I, item 5

Considere dois conjuntos, A e B, ambos constituídos por um ciclista e pela respetiva bicicleta. Estes conjuntos movem-se numa pista horizontal.

Admita que cada conjunto pode ser representado pelo seu centro de massa (modelo da partícula material).

Um dos conjuntos descreve, num outro intervalo de tempo, um arco de circunferência, com velocidade de módulo constante.

Conclua, com base na caracterização do vetor velocidade, relativamente à trajetória descrita, se a aceleração do conjunto é, ou não, nula, no intervalo de tempo considerado.

Apresente num texto a fundamentação da conclusão solicitada.

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Resposta (tópicos):

O vetor velocidade é, em cada ponto, tangente à trajetória.

Sendo a trajetória circular, a direção da tangente varia continuamente: o vetor velocidade muda de direção (embora o seu módulo seja constante).

Como há variação do vetor velocidade, a aceleração não é nula (\(\overrightarrow{a}=\Delta \overrightarrow{v}/\Delta t\ne \overrightarrow{0}\)).

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Exercício 4

★★Exame nacional

Exame Nacional 2017, época especial — Grupo V, item 1.4

Considere um sistema paraquedista + paraquedas em queda vertical.

Na Figura 4, está representado o gráfico do módulo da velocidade, \(v\), desse sistema, de massa \(100 \text{kg}\), em função do tempo, \(t\), de queda, nos primeiros \(60 s\) do movimento.

Considere que o sistema paraquedista + paraquedas pode ser representado pelo seu centro de massa (modelo da partícula material).

Figura do exercício 4: Tempo, posição e velocidade

No intervalo de tempo \(\left[ 45;\,60 \right] s\), o sistema paraquedista + paraquedas

(A) esteve parado.

(B) moveu-se com uma aceleração de módulo \(10 {\text{m s}}^{-2}\).

(C) percorreu \(150 m\).

(D) não esteve sujeito à ação de forças.

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Resposta: (C) (Versão 1)

Em \(\left[ 45;60 \right] s\), \(v=10 {\text{m s}}^{-1}\) (constante): movimento retilíneo e uniforme, com resultante das forças nula. \(d=v\,\Delta t=10\times 15=150 m\) (área sob o gráfico).

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Exercício 5

★★Exame nacional

Exame Nacional 2018, 2.ª fase — Grupo I, item 1.2

Uma bola é lançada verticalmente para cima, numa situação em que a resistência do ar é desprezável. Considere que a bola pode ser representada pelo seu centro de massa (modelo da partícula material).

Em relação a um referencial unidimensional, \(Oy\), com origem no solo e sentido positivo de baixo para cima, a componente escalar da posição, \(y\), da bola é descrita pela equação

\[y=1,20+6,0\,t-5,0\,{t}^{2} \left( \text{SI} \right)\]

Calcule a distância percorrida pela bola desde que é lançada até atingir a posição de altura máxima.

Recorra exclusivamente às equações do movimento, \(y\left( t \right)\) e \(v\left( t \right)\).

Apresente todas as etapas de resolução.

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Resposta: \(d=1,8 m\)

\(v\left( t \right)=\frac{dy}{dt}=6,0-10\,t\). Na altura máxima, \(v=0\Rightarrow t=0,600 s\).

\(y\left( 0,600 \right)=1,20+6,0\times 0,600-5,0\times 0,{600}^{2}=3,0 m\).

\(d=y\left( 0,600 \right)-y\left( 0 \right)=3,0-1,20=1,8 m\) (a bola não inverte o sentido antes).

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Exercício 6

★★Exame nacional

Exame Nacional 2018, época especial — Grupo I, itens 1.1, 1.2, 1.3

Um carrinho telecomandado, de massa \(400 g\), move-se numa pista retilínea, coincidente com um referencial unidimensional, \(Ox\). Admita que o carrinho pode ser representado pelo seu centro de massa (modelo da partícula material).

Na Figura 1, encontra-se representado o gráfico da componente escalar da velocidade, \({v}_{x}\), desse carrinho, segundo o referencial \(Ox\) considerado, em função do tempo, \(t\).

Figura do exercício 6: Tempo, posição e velocidade

a) [★] Em que intervalo de tempo esteve o carrinho parado?

b) [★] Durante __________, no total, o carrinho moveu-se no sentido __________ do referencial \(Ox\) considerado.

(A) \(9,0 s\) … positivo

(B) \(11,0 s\) … negativo

(C) \(6,0 s\) … negativo

(D) \(13,0 s\) … positivo

c) [★★] Qual dos esboços de gráfico seguintes pode representar a componente escalar da aceleração, \({a}_{x}\), do carrinho, segundo o referencial \(Ox\), em função do tempo, \(t\), no intervalo de tempo \(\left[ 0,0; 8,0 \right] s\)?

Figura do exercício 6: Tempo, posição e velocidade

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a) ★

Resposta: \(\left[ 13,0; 15,0 \right] s\)

O carrinho está parado quando \({v}_{x}=0\) de forma sustentada: o gráfico coincide com o eixo dos tempos entre \(13,0 s\) e \(15,0 s\).

b) ★

Resposta: (D)

O carrinho move-se no sentido positivo quando \({v}_{x}>0\), isto é, de \(0\) a \(13,0 s\) (total de \(13,0 s\)); entre \(15,0 s\) e \(25,0 s\) tem \({v}_{x}<0\) (sentido negativo, \(10,0 s\)).

c) ★★

Resposta: (A)

\({a}_{x}\) é o declive da reta tangente ao gráfico \({v}_{x}\left( t \right)\). Até \(\approx 5,0 s\) a curva é cada vez mais inclinada: \({a}_{x}\) aumenta (de zero) de forma aproximadamente linear. Depois, \({v}_{x}\) é constante e \({a}_{x}=0\).

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Exercício 7

★★Exame nacional

Exame Nacional 2019, 1.ª fase — Grupo VI, itens 3.2, 3.5

No salto que realizou desde a estratosfera até à Terra, Felix Baumgartner (FB) foi o primeiro homem a quebrar a barreira do som sem qualquer veículo propulsor. Considere que a queda de FB em direção à Terra foi aproximadamente vertical.

Na Figura 5, apresentam-se, para os primeiros \(100 s\) de queda, os gráficos do módulo da velocidade, \({v}_{\text{FB}}\), e da altitude, \(h\), de FB, em função do tempo, \(t\). Na figura, está também representada uma linha a tracejado, que traduz o modo como variou o módulo da velocidade do som, \({v}_{\text{som}}\), ao longo da trajetória percorrida, durante aquele intervalo de tempo.

Considere que o conjunto FB + equipamento pode ser representado pelo seu centro de massa (modelo da partícula material) e que a variação da aceleração gravítica com a altitude é desprezável.

Figura do exercício 7: Tempo, posição e velocidade

a) Qual foi, aproximadamente, a distância percorrida pelo conjunto FB + equipamento, no intervalo de tempo em que o módulo da sua velocidade aumentou?

(A) \(19 \text{km}\)

(B) \(11 \text{km}\)

(C) \(23 \text{km}\)

(D) \(28 \text{km}\)

b) Considere um referencial unidimensional \(Oy\) vertical, com sentido de cima para baixo.

Qual dos esboços de gráfico seguintes poderá representar a componente escalar da posição, \(y\), do conjunto FB + equipamento, em relação ao referencial \(Oy\), em função do tempo, \(t\), nos primeiros \(100 s\) de queda?

Figura do exercício 7: Tempo, posição e velocidade

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a) ★★

Resposta: (B) (Versão 1)

O módulo da velocidade aumenta de \(t=0\) até \(t\approx 50 s\). Pelo gráfico da altitude: \(h\left( 0 \right)\approx 39 \text{km}\) e \(h\left( 50 \right)\approx 28 \text{km}\). Distância percorrida \(\approx 39-28=11 \text{km}\).

b) ★★

Resposta: (D) (Versão 1)

Com \(Oy\) para baixo, \(y\) aumenta durante a queda (\({v}_{y}>0\)). O declive de \(y\left( t \right)\) é a componente escalar da velocidade: parte de zero, aumenta até \(\approx 50 s\) (curva cada vez mais inclinada) e depois diminui (curva menos inclinada), sempre positivo: gráfico em «S» crescente.

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Exercício 8

★★Exame nacional

Exame Nacional 2019, 2.ª fase — Grupo V, item 1.1

O bungee jumping é um desporto radical em que um atleta cai de uma altura apreciável, preso a um cabo elástico que, ao esticar, exerce uma força sobre o atleta.

Na Figura 5 (que não se encontra à escala), estão representadas posições de um atleta de massa \(72 \text{kg}\), que cai a partir da plataforma P.

Admita que o atleta inicia o seu movimento de queda vertical com velocidade inicial nula, caindo livremente até à posição R. A partir da posição R, o cabo elástico começa a esticar, passando a exercer uma força sobre o atleta. Na posição S, o atleta atinge a velocidade máxima, de módulo \(18,7 {\text{m s}}^{-1}\), e, na posição T, inverte o sentido do seu movimento.

Considere o referencial \(Oy\) representado na figura.

Admita que o atleta pode ser representado pelo seu centro de massa (modelo da partícula material) e considere desprezáveis a massa do cabo e a força de resistência do ar.

Figura do exercício 8: Tempo, posição e velocidade

Considere o movimento de queda livre do atleta até à posição R.

Qual dos esboços de gráfico seguintes pode representar a componente escalar da velocidade, \({v}_{y}\), do atleta, segundo o referencial \(Oy\) considerado, em função do tempo, \(t\), naquele movimento?

Figura do exercício 8: Tempo, posição e velocidade

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Resposta: (A) (Versão 1)

Queda livre: aceleração constante \({a}_{y}=+g\) (o eixo \(Oy\) aponta para baixo) e \({v}_{y,0}=0\). Logo \({v}_{y}=g\,t\): reta com declive positivo que parte da origem.

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Exercício 9

★★Exame nacional

Exame Nacional 2020, 1.ª fase — Grupo I, item 2.2

Na recriação da experiência de Galileu, foi utilizado um plano inclinado, de comprimento \(L\), que está esquematizado na Figura 1.

Em dois dos ensaios realizados, a esfera foi largada de duas posições diferentes, A e B, tendo-se medido o tempo que a esfera demorou a atingir a posição C.

Figura do exercício 9: Tempo, posição e velocidade

Considere que \({t}_{A}\) e \({t}_{B}\) são os tempos que a esfera demora a atingir a posição C quando é largada das posições A e B, respetivamente.

Determine o quociente desses tempos.

Mostre como chegou ao valor solicitado.

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Resposta: \(\frac{{t}_{A}}{{t}_{B}}=\sqrt{\frac{4}{3}}=1,15\)

Largada do repouso, com aceleração constante \(a\): \(d=\frac{1}{2}a{t}^{2}\Rightarrow {t}^{2}=\frac{2d}{a}\). A distância de A a C é \(L\) e a de B a C é \(\frac{3}{4}L\).

\[\frac{{t}_{A}^{2}}{{t}_{B}^{2}}=\frac{L}{\frac{3}{4}L}=\frac{4}{3} \Rightarrow  \frac{{t}_{A}}{{t}_{B}}=\sqrt{\frac{4}{3}}\approx 1,15\]

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Exercício 10

★★Exame nacional

Exame Nacional 2020, 2.ª fase — Grupo II, item 4.1

Um automóvel encontrava-se estacionado no cimo de uma rampa, como se representa na Figura 1 (que não está à escala), quando, acidentalmente, se destravou. Deslizou ao longo da rampa, com aceleração constante, até colidir com um motociclo que se encontrava parado.

Considere que, no movimento considerado, a resultante das forças dissipativas que atuaram no automóvel não foi desprezável, e considere que o automóvel pode ser representado pelo seu centro de massa (modelo da partícula material).

Figura do exercício 10: Tempo, posição e velocidade

O automóvel, de massa \(1,2\times {10}^{3} \text{kg}\), deslizou \(80 m\) ao longo da rampa até colidir com o motociclo. A análise do acidente permitiu determinar que o módulo da velocidade do automóvel no instante da colisão era \(7,5 {\text{m s}}^{-1}\). Considere que o desnível entre as posições inicial e final do automóvel era \(7,0 m\).

Determine o tempo que o automóvel demorou a percorrer aquela distância sobre a rampa, a partir de um esboço do gráfico do módulo da velocidade do automóvel em função do tempo (apresente esse esboço).

Mostre como chegou ao valor solicitado.

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Resposta: \(t=21 s\)

Esboço: \(v\left( t \right)\) é uma reta que parte de \(v=0\) (repouso) em \(t=0\) e atinge \(7,5 {\text{m s}}^{-1}\) em \(t\) (eixos: \(v / {\text{m s}}^{-1}\) e \(t / s\)), porque a aceleração é constante.

A área sob o gráfico é igual à distância percorrida: \(d=\frac{t\times 7,5}{2}=80\).

\(t=\frac{2\times 80}{7,5}=21 s\).

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Exercício 11

★★Exame nacional

Exame Nacional 2021, 1.ª fase — item 9.1

Na Figura 4 (que não está à escala), representa-se parte do percurso de um corpo que foi lançado da posição A, no instante \(t=0,0 s\), passando pela posição B, ao fim de \(1,0 s\), e atingindo a posição C, no instante \(t=1,5 s\).

Considere que o corpo pode ser representado pelo seu centro de massa (modelo da partícula material).

Na Figura 5, apresenta-se o gráfico do módulo da velocidade, \(v\), do corpo em função do tempo, \(t\).

Figura do exercício 11: Tempo, posição e velocidade

Figura do exercício 11: Tempo, posição e velocidade

Qual é a distância entre as posições A e B?

(A) \(5,5 m\)

(B) \(4,5 m\)

(C) \(6,5 m\)

(D) \(7,5 m\)

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Resposta: (A) (Versão 1)

De A a B (\(0\) a \(1,0 s\)) o gráfico é uma reta de \(6,5 {\text{m s}}^{-1}\) a \(4,5 {\text{m s}}^{-1}\). A distância é a área do trapézio: \(d=\frac{6,5+4,5}{2}\times 1,0=5,5 m\).

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Exercício 12

★★Exame nacional

Exame Nacional 2021, época especial — item 2.1

Na Figura 3, apresenta-se o gráfico da componente escalar da velocidade, \(v\), de um paraquedista (sistema paraquedista + paraquedas), em função do tempo, \(t\), nos primeiros \(60 s\) do seu movimento de descida, na vertical.

Considere um referencial \(Oy\) vertical e admita que o paraquedista pode ser representado pelo seu centro de massa (modelo da partícula material).

Figura do exercício 12: Tempo, posição e velocidade

Qual dos esboços de gráfico seguintes pode representar a componente escalar da posição, \(y\), do paraquedista, em relação ao referencial \(Oy\), em função do tempo, \(t\), no intervalo de tempo \(\left[ 0;\,30 \right] s\)?

Figura do exercício 12: Tempo, posição e velocidade

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Resposta: (B) (Versão 1)

Como \(v>0\), o eixo \(Oy\) aponta no sentido da descida e \(y\) aumenta. Em \(\left[ 0;30 \right] s\) o módulo da velocidade (declive de \(y\left( t \right)\)) aumenta, de \(0\) até ao valor máximo, com crescimento cada vez menor: \(y\left( t \right)\) é crescente, parte com declive nulo e fica cada vez mais inclinado (concavidade para cima, tendendo para um troço quase reto).

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Exercício 13

★★Exame nacional

Exame Nacional 2022, época especial — itens 3.1, 3.2

Com vista a uma gestão energética económica e ambientalmente mais sustentável, a administração de uma rede de metropolitano adotou o procedimento seguinte no percurso entre cada duas estações:

no primeiro quarto do tempo total do percurso, o comboio move-se com aceleração constante;

de seguida, durante metade do tempo total, mantém uma velocidade constante;

no último quarto do tempo total, reduz a sua velocidade uniformemente, até parar.

Considere uma trajetória retilínea e horizontal entre duas estações.

a) Qual é o esboço do gráfico da posição em função do tempo que melhor corresponde ao movimento desse comboio entre duas estações?

Admita que o comboio pode ser representado pelo seu centro de massa (modelo da partícula material).

Figura do exercício 13: Tempo, posição e velocidade

Figura do exercício 13: Tempo, posição e velocidade

Figura do exercício 13: Tempo, posição e velocidade

b) Enquanto trabalha no interior de um túnel, um funcionário avista um comboio parado na estação, a \(150 m\) de distância. Por motivos de segurança, o funcionário imobiliza-se junto à parede do túnel, à espera que o comboio passe.

A Figura 1 representa o movimento do comboio desde que parte da estação até que inicia a sua passagem pelo funcionário com uma velocidade de \(10 {\text{m s}}^{-1}\).

A Figura 2 representa o instante em que a última carruagem passa, na totalidade, pelo funcionário. Considere que o comboio tem \(80 m\) de comprimento e que se movimenta com aceleração constante.

Calcule o intervalo de tempo, \(\Delta t\), desde a partida do comboio da estação até que a última carruagem passa pelo funcionário, como se representa na Figura 2.

Apresente todos os cálculos efetuados.

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a) ★★

Resposta: (C)

A posição aumenta sempre (o comboio não inverte o sentido): \(x\left( t \right)\) tem concavidade para cima no 1.º quarto (aceleração), é uma reta na parte central (velocidade constante) e tem concavidade para baixo no último quarto, terminando com declive nulo (comboio parado).

b) ★★

Resposta: \(\Delta t=37 s\)

Aceleração (partida do repouso, \(150 m\) até \(v=10 {\text{m s}}^{-1}\)): \({v}^{2}=2\,a\,d\Rightarrow a=\frac{{10}^{2}}{2\times 150}=0,333 {\text{m s}}^{-2}\).

A última carruagem passa pelo funcionário quando o comboio percorreu \(150+80=230 m\): \( 230=\frac{1}{2}\times 0,333\,\Delta {t}^{2}\).

\(\Delta t=\sqrt{\frac{2\times 230}{0,333}}=37 s\).

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Exercício 14

★★Exame nacional

Exame Nacional 2023, 1.ª fase — item 5.2.1

A Figura 5 ilustra um prédio que tem três lanços de escadas, cada um com \(2,80 m\) de altura, e um elevador cuja cabina tem \(300 \text{kg}\) de massa. Para se deslocar do rés do chão (r/c) até ao 3.º andar, uma pessoa de massa \(75 \text{kg}\) pode utilizar o elevador ou as escadas.

Admita que:

a pessoa e o conjunto pessoa + cabina são sistemas redutíveis ao seu centro de massa (modelo da partícula material);

o solo é o nível de referência da energia potencial gravítica.

Considere o referencial \(Oy\) representado na figura.

Figura do exercício 14: Tempo, posição e velocidade

De elevador, o percurso do rés do chão até ao 3.º andar demora \(10,0 s\).

Admita que o elevador se desloca, durante o primeiro segundo de movimento, com uma aceleração cuja componente escalar é positiva. No instante \(1,0 s\), atinge a velocidade máxima, que mantém durante \(8,0 s\). Dos \(9,0 s\) até aos \(10,0 s\), o elevador desloca-se com uma aceleração cuja componente escalar é negativa, até parar.

Considere que o módulo da aceleração é constante durante o primeiro e o último segundos de movimento.

Determine o módulo da velocidade máxima que o elevador atinge.

Apresente todos os cálculos efetuados.

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Resposta: \({v}_{\text{máx}}=0,93 {\text{m s}}^{-1}\)

Deslocamento total: \(3\times 2,80=8,40 m\) (área sob o gráfico \(v\left( t \right)\), um trapézio).

Primeiro segundo (uniformemente acelerado, a partir do repouso): \(\Delta {y}_{1}=\frac{1}{2}\,{v}_{\text{máx}}\times 1,0=0,5\,{v}_{\text{máx}}\).

Movimento uniforme durante \(8,0 s\): \(\Delta {y}_{2}=8,0\,{v}_{\text{máx}}\).

Último segundo (uniformemente retardado até parar): \(\Delta {y}_{3}=0,5\,{v}_{\text{máx}}\).

\(8,40=0,5\,{v}_{\text{máx}}+8,0\,{v}_{\text{máx}}+0,5\,{v}_{\text{máx}}=9,0\,{v}_{\text{máx}}\Rightarrow {v}_{\text{máx}}=0,93 {\text{m s}}^{-1}\).

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Exercício 15

★★Exame nacional

Exame Nacional 2023, época especial — item 5.1

O tempo de reação é o intervalo de tempo entre a geração de um estímulo (visual, auditivo ou outro) e a resposta motora.

Na condução, sob o efeito de álcool, há um aumento do tempo de reação e, consequentemente, do risco de acidentes rodoviários. Um condutor, ao observar um obstáculo na estrada, reage e coloca o pé no travão até imobilizar o veículo. Considere \(t=0 s\) o instante em que o condutor observa o obstáculo.

Na Figura 4, apresentam-se os gráficos do módulo da velocidade, \(v\), de um condutor (sistema veículo + condutor), em função do tempo, \(t\), quando estava sóbrio e quando se encontrava sob o efeito de álcool.

Figura do exercício 15: Tempo, posição e velocidade

Sob o efeito de álcool, o condutor percorreu mais __________ do que quando estava sóbrio.

(A) \(70,0 m\)

(B) \(37,5 m\)

(C) \(17,5 m\)

(D) \(87,5 m\)

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Resposta: (C)

A distância é a área sob cada gráfico. Os dois gráficos têm o mesmo declive na travagem (mesma desaceleração) e diferem apenas no instante em que esta começa: o gráfico azul (álcool) está deslocado \(0,7 s\) para a direita (tempo de reação maior: \(\approx 1,5 s\) contra \(\approx 0,8 s\)).

Diferença de áreas = retângulo \(25 {\text{m s}}^{-1}\times 0,7 s=17,5 m\).

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Exercício 16

★★Exame nacional

Exame Nacional 2023, época especial — item 9.2.2

Uma bola de voleibol, V, e uma bola de futebol, F, foram lançadas verticalmente, de baixo para cima, a partir da mesma posição, \({y}_{0}\), com velocidades iniciais de módulos \(5,0 {\text{m s}}^{-1}\) e \(4,0 {\text{m s}}^{-1}\), respetivamente, de acordo com a Figura 11.

Admita que:

\({y}_{0}\) é o nível de referência da energia potencial gravítica;

a resistência do ar é desprezável;

as bolas podem ser representadas pelo seu centro de massa (modelo da partícula material).

Figura do exercício 16: Tempo, posição e velocidade

Considere que a bola de voleibol foi lançada no instante \(t=0 s\) e que a bola de futebol foi lançada \(3 s\) depois.

Qual das opções seguintes pode representar a equação que permite obter a componente escalar da velocidade da bola de futebol, \({v}_{F}\), em função do tempo, \(t\), expressa nas unidades base do SI?

(A) \({v}_{F}=4,0+9,80\,\left( t-3 \right) \;\text{se}\;t\ge 3\)

(B) \({v}_{F}=4,0-9,80\,\left( t-3 \right) \;\text{se}\;t\ge 3\)

(C) \({v}_{F}=4,0+9,80\,\left( t+3 \right) \;\text{se}\;t\ge 3\)

(D) \({v}_{F}=4,0-9,80\,\left( t+3 \right) \;\text{se}\;t\ge 3\)

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Resposta: (B)

A bola de futebol parte em \(t=3 s\) com \({v}_{F,0}=+4,0 {\text{m s}}^{-1}\) (para cima) e aceleração \({a}_{y}=-g=-9,80 {\text{m s}}^{-2}\). O tempo decorrido desde o lançamento é \(\left( t-3 \right)\): \({v}_{F}=4,0-9,80\,\left( t-3 \right)\), para \(t\ge 3\).

17

Exercício 17

★★Exame nacional

Exame Nacional 2024, 2.ª fase — item 4.2

Um automóvel, de massa \(1000 \text{kg}\), encontra-se parado junto a um semáforo. No instante em que o automóvel inicia o seu movimento, é ultrapassado por uma mota, de massa \(150 \text{kg}\), que se move, na mesma direção e no mesmo sentido, com velocidade constante de módulo \(10 {\text{m s}}^{-1}\), que mantém ao longo de todo o percurso em análise.

Considere que a trajetória descrita por ambos os veículos é retilínea e horizontal e que estes podem ser representados pelo seu centro de massa, segundo o modelo da partícula material.

A Figura 4 apresenta o gráfico do módulo da velocidade do automóvel em função do tempo.

Figura do exercício 17: Tempo, posição e velocidade

Determine a distância percorrida pelos dois veículos até se encontrarem novamente.

Apresente todos os cálculos efetuados.

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Resposta: \(d=1,8\times {10}^{2} m\)

Primeiros \(6,0 s\) do automóvel (área do triângulo): \({d}_{1}=\frac{6,0\times 12}{2}=36,0 m\). Nesse instante a mota percorreu \(60 m\) (está à frente).

Depois dos \(6,0 s\), o automóvel move-se a \(12 {\text{m s}}^{-1}\): \({x}_{\text{auto}}=36,0+12\,\left( t-6,0 \right)\) e \({x}_{\text{mota}}=10\,t\).

Encontro: \(36,0+12\,\left( t-6,0 \right)=10\,t\Rightarrow t=18,0 s\). Distância: \(d=10\times 18,0=1,8\times {10}^{2} m\).

18

Exercício 18

★★Exame nacional

Exame Nacional 2025, 2.ª fase — item 5.1.1

A Figura 7 apresenta um esquema simplificado de um dirigível, cheio de hélio, no seu movimento de subida e de descida. Para o fazer subir ou descer, é bombeado ar atmosférico, mais denso que o hélio, para fora ou para dentro de bolsas que se encontram no seu interior. Desta forma, varia a massa total do dirigível, mas, como o seu volume se mantém constante, a força de ascensão que nele atua, designada por impulsão, \(\overrightarrow{I}\), permanece constante durante todo o movimento.

Considere que o dirigível pode ser representado pelo seu centro de massa (modelo da partícula material) e que a resistência do ar é desprezável.

Figura do exercício 18: Tempo, posição e velocidade

Considere que o dirigível, inicialmente em repouso a \(10 m\) do solo, sobe verticalmente até aos \(210 m\) em \(40,4 s\), com aceleração constante.

Qual das opções seguintes pode representar equações do movimento do dirigível expressas em unidades do SI?

(A) \(y\left( t \right)=10+\frac{g}{80}{t}^{2}  v\left( t \right)=-\frac{g}{40}\,t\)

(B) \(y\left( t \right)=10-\frac{g}{2}{t}^{2}  v\left( t \right)=-g\,t\)

(C) \(y\left( t \right)=10+\frac{g}{80}{t}^{2}  v\left( t \right)=+\frac{g}{40}\,t\)

(D) \(y\left( t \right)=10-\frac{g}{2}{t}^{2}  v\left( t \right)=+g\,t\)

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Resposta: (C) (Versão 1)

Sobe com aceleração constante a partir do repouso: \(y=10+\frac{1}{2}a{t}^{2}\) e \(v=at\). Com \(\Delta y=200 m\) em \(40,4 s\): \(a=\frac{2\times 200}{40,{4}^{2}}=0,245 {\text{m s}}^{-2}=\frac{9,8}{40}=\frac{g}{40}\). Logo \(y=10+\frac{g}{80}{t}^{2}\) e \(v=+\frac{g}{40}t\) (positiva: sobe, com \(Oy\) para cima).

19

Exercício 19

★★Exame nacional

Exame Nacional 2025, época especial — item 3.2.2

O ganso-patola, espécie protegida no âmbito do projeto LIFE Berlengas, captura peixes mergulhando de uma certa altura.

Quando o ganso-patola, de massa \({m}_{\text{ganso}}\), se encontra sobre a posição do peixe, inicia um voo vertical e retilíneo para o capturar. Admita que o ganso pode ser representado pelo seu centro de massa (modelo da partícula material).

Considere que, imediatamente antes de atingir a superfície da água, o ganso-patola tem uma velocidade de módulo \(16,0 {\text{m s}}^{-1}\) e que, no impacto com a água, perde metade da sua energia cinética.

Após a entrada na água, o ganso desloca-se na vertical, com movimento retilíneo uniformemente retardado, com aceleração de módulo \(18,0 {\text{m s}}^{-2}\), atingindo a posição do peixe com velocidade de módulo \(5,9 {\text{m s}}^{-1}\).

Determine a profundidade a que o peixe se encontrava.

Apresente todos os cálculos efetuados.

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Resposta: \(d=2,6 m\)

Perde metade de \({E}_{c}\): \(\frac{1}{2}mv{'}^{2}=\frac{1}{2}\left( \frac{1}{2}m\,16,{0}^{2} \right)\Rightarrow v'=\frac{16,0}{\sqrt{2}}=11,3 {\text{m s}}^{-1}\).

\(v=v'-a\,t\Rightarrow 5,9=11,3-18,0\,t\Rightarrow t=0,300 s\).

\(d=\frac{v'+v}{2}\,t=\frac{11,3+5,9}{2}\times 0,300=2,6 m\).

20

Exercício 20

★★★Exame nacional

Exame Nacional 2019, 2.ª fase — Grupo V, item 4

O bungee jumping é um desporto radical em que um atleta cai de uma altura apreciável, preso a um cabo elástico que, ao esticar, exerce uma força sobre o atleta.

Na Figura 5 (que não se encontra à escala), estão representadas posições de um atleta de massa \(72 \text{kg}\), que cai a partir da plataforma P.

Admita que o atleta inicia o seu movimento de queda vertical com velocidade inicial nula, caindo livremente até à posição R. A partir da posição R, o cabo elástico começa a esticar, passando a exercer uma força sobre o atleta. Na posição S, o atleta atinge a velocidade máxima, de módulo \(18,7 {\text{m s}}^{-1}\), e, na posição T, inverte o sentido do seu movimento.

Considere o referencial \(Oy\) representado na figura.

Admita que o atleta pode ser representado pelo seu centro de massa (modelo da partícula material) e considere desprezáveis a massa do cabo e a força de resistência do ar.

Figura do exercício 20: Tempo, posição e velocidade

Admita que, no intervalo de tempo \(\left[ 1,7; 3,0 \right] s\), o módulo da velocidade, \(v\), do atleta varia com o tempo, \(t\), de acordo com a equação

\[v=18,7\cos \left( 1,29\,t-2,62 \right) \left( \text{SI} \right)\]

na qual o ângulo (argumento do cosseno) está expresso em radianos.

Determine entre que instantes a aceleração tem o sentido do movimento.

Na sua resposta, apresente o esboço do gráfico (obtido na calculadora) que traduz o módulo da velocidade, \(v\), do atleta em função do tempo, \(t\), no intervalo de tempo \(\left[ 1,7; 3,0 \right] s\).

Mostre como chegou aos valores solicitados.

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Resposta: entre \(1,7 s\) e \(2,0 s\)

A aceleração tem o sentido do movimento quando o módulo da velocidade aumenta.

Na calculadora, esboça-se \(v\left( t \right)\) em \(\left[ 1,7;\,3,0 \right]\) (janela \(t\): \(\left[ 1,7;\,3,0 \right]\); \(v\): \(\left[ 0;\,20 \right]\)): \(v\) aumenta de \(\approx 17,0 {\text{m s}}^{-1}\) até ao máximo \(18,7 {\text{m s}}^{-1}\) em \(t\approx 2,0 s\) (onde \(1,29\,t-2,62=0\)) e depois diminui.

Logo, \(\overrightarrow{a}\) e \(\overrightarrow{v}\) têm o mesmo sentido em \(\left[ 1,7; 2,0 \right] s\).

21

Exercício 21

★★★Exame nacional

Exame Nacional 2019, época especial — Grupo III, itens 1.2, 1.4

Na Figura 5 (que não se encontra à escala), está representado um carrinho de brincar, de massa \(m\), que é largado da posição A, sobre um plano inclinado. O carrinho desce esse plano, passa nas posições B e C e inverte o sentido do movimento na posição D.

Admita que a intensidade da resultante das forças dissipativas que atuam no carrinho se mantém constante nos percursos entre as posições A e B e entre as posições C e D. Entre as posições B e C, as forças dissipativas que atuam no carrinho são desprezáveis.

Considere que o carrinho pode ser representado pelo seu centro de massa (modelo da partícula material).

Figura do exercício 21: Tempo, posição e velocidade

a) [★★] Qual é o esboço do gráfico que pode representar o módulo da velocidade, \(v\), do carrinho em função do tempo, \(t\), entre as posições A e D?

Figura do exercício 21: Tempo, posição e velocidade

b) [★★★] Considere o movimento do carrinho na descida do plano inclinado, a partir da posição A. Se a altura \(h\) for \(40 \text{cm}\), o carrinho atingirá a posição B com velocidade de módulo \(2,0 {\text{m s}}^{-1}\).

Considere um referencial \(Ox\) coincidente com a trajetória do carrinho, com origem na posição A e com o sentido do movimento.

Determine a componente escalar da aceleração, \({a}_{x}\), do carrinho, segundo o eixo \(Ox\), no seu movimento entre as posições A e B.

Utilize as equações do movimento \(x\left( t \right)\) e \(v\left( t \right)\).

Apresente todas as etapas de resolução, explicitando todos os cálculos efetuados.

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a) ★★

Resposta: (B)

A–B: desce com aceleração constante (a velocidade aumenta linearmente);

B–C: sem forças dissipativas, a resultante é nula e \(v\) é constante;

C–D: sobe com movimento uniformemente retardado, até \(v=0\) em D.

b) ★★★

Resposta: \({a}_{x}=1,7 {\text{m s}}^{-2}\)

Distância AB (plano a \({20}^{\circ }\)): \(d=\frac{h}{\sin {20}^{\circ }}=\frac{0,40}{\sin {20}^{\circ }}=1,17 m\).

Equações do movimento (partida do repouso, \({x}_{0}=0\)): \(x\left( t \right)=\frac{1}{2}{a}_{x}{t}^{2}\Rightarrow 1,17=\frac{1}{2}{a}_{x}{t}^{2}\) e \(v\left( t \right)={a}_{x}t\Rightarrow 2,0={a}_{x}t\).

De \(t=2,0/{a}_{x}\): \( 1,17=\frac{1}{2}{a}_{x}\frac{4,0}{{a}_{x}^{2}}=\frac{2,0}{{a}_{x}}\Rightarrow {a}_{x}=1,7 {\text{m s}}^{-2}\).

22

Exercício 22

★★★Exame nacional

Exame Nacional 2020, época especial — Grupo I, itens 3.1, 3.2

Num dos lançamentos efetuados, as duas bolas foram lançadas em simultâneo, tendo-se registado, em vídeo, o seu movimento. A análise desse vídeo permitiu determinar que, desde que as bolas foram lançadas até terem atingido o solo, as componentes escalares das suas posições, \({y}_{B}\) e \({y}_{V}\), em relação a um referencial vertical \(Oy\), variaram com o tempo, \(t\), de acordo com as equações

\[{y}_{B}=0,57+5,44\,t-4,88\,{t}^{2} \left( \text{SI} \right)\]

\[{y}_{V}=1,93+3,61\,t-4,89\,{t}^{2} \left( \text{SI} \right)\]

a) [★★] Considere a componente escalar da aceleração da bola de basquetebol, \({a}_{y,B}\), em relação ao referencial \(Oy\).

Qual dos esboços de gráfico seguintes pode representar a componente escalar da aceleração da bola de basquetebol, \({a}_{y,B}\), em função do tempo, \(t\)?

Figura do exercício 22: Tempo, posição e velocidade

b) [★★★] Determine, utilizando exclusivamente as potencialidades gráficas da calculadora, a componente escalar da velocidade da bola de voleibol, \({v}_{y,V}\), em relação ao referencial \(Oy\), no instante em que as duas bolas têm a mesma componente escalar da posição, \(y\).

Mostre como chegou ao valor solicitado.

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a) ★★

Resposta: (C)

\({v}_{y,B}=5,44-9,76\,t\) e \({a}_{y,B}=\frac{d{v}_{y,B}}{dt}=-9,76 {\text{m s}}^{-2}\): constante e negativa (reta horizontal abaixo do eixo dos tempos).

b) ★★★

Resposta: \({v}_{y,V}=-3,63 {\text{m s}}^{-1}\)

Na calculadora, representam-se os gráficos \({y}_{B}\left( t \right)\) e \({y}_{V}\left( t \right)\) e determina-se a sua interseção (os dois valores de \(y\) coincidem): \(t=0,740 s\).

A componente escalar da velocidade é o declive da reta tangente a \({y}_{V}\left( t \right)\) nesse instante: \({v}_{y,V}=-3,63 {\text{m s}}^{-1}\) (o sinal negativo indica movimento no sentido negativo de \(Oy\)).

23

Exercício 23

★★★Exame nacional

Exame Nacional 2022, 2.ª fase — item 6.2

Um avião a jato, de massa \(m\) (em kg), aterra com pouco combustível na pista retilínea de um porta-aviões, de acordo com a Figura 7, que não está à escala.

No momento em que atinge a pista, o módulo da velocidade do avião é \(65 {\text{m s}}^{-1}\). Durante a aterragem, um cabo de retenção, CR, provoca uma desaceleração progressiva do avião, na secção horizontal da pista.

Admita que o cabo de retenção é responsável por uma diminuição de \(91,5\,\%\) da velocidade inicial do avião, mas sofre rotura ao fim de \(3,5 s\). Aos \(7,8 s\), o avião acaba por se imobilizar na secção inclinada da pista.

Na Figura 8, apresenta-se o gráfico do módulo da resultante das forças que atuam no avião durante a aterragem, em função do tempo.

Considere que o avião pode ser representado pelo seu centro de massa (modelo da partícula material) e que as forças de atrito e de resistência do ar são desprezáveis.

Figura do exercício 23: Tempo, posição e velocidade

Figura do exercício 23: Tempo, posição e velocidade

Na aterragem, o avião percorre, na secção horizontal da pista retilínea, uma distância, \(d\), de \(169 m\).

No intervalo de tempo \(]0,0; 3,5[ s\), o avião percorre __________ do percurso horizontal retilíneo.

(A) \(73\,\%\)

(B) \(82\,\%\)

(C) \(89\,\%\)

(D) \(93\,\%\)

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Resposta: (D) (Versão 1)

Em \(]0;\,3,5[ s\) o módulo da resultante (e da aceleração) cresce linearmente com \(t\): \(a=k\,t\). A diminuição de velocidade é \(\Delta v=\frac{1}{2}k\,{t}^{2}=0,915\times 65=59,5 {\text{m s}}^{-1}\) em \(t=3,5 s\).

Deslocamento: \(x={v}_{0}t-\frac{1}{6}k\,{t}^{3}={v}_{0}t-\frac{1}{3}\left( \frac{1}{2}k\,{t}^{2} \right)t=65\times 3,5-\frac{1}{3}\times 59,5\times 3,5=227,5-69,4=158 m\).

\(\frac{158}{169}\times 100\approx 93\,\%\).

24

Exercício 24

★★★Exame nacional

Exame Nacional 2024, 1.ª fase — item 3.2

A Figura 2, que não está à escala, representa uma pista de atletismo onde dois atletas, A e B, realizam uma corrida de treino para uma prova de \(400\) metros planos.

Considere que os atletas podem ser representados pelo seu centro de massa, segundo o modelo da partícula material.

Figura do exercício 24: Tempo, posição e velocidade

Quando o atleta B entra na reta da meta, a \(84 m\) desta, o atleta A encontra-se \(10 m\) à sua frente, tal como esquematizado na Figura 2.

Considere que, nesse instante, os módulos das velocidades dos dois atletas são \(6,5 {\text{m s}}^{-1}\) e que, até chegar à meta, o atleta A mantém um movimento retilíneo e uniforme, enquanto o atleta B se movimenta retilineamente com uma aceleração constante de módulo \(0,10 {\text{m s}}^{-2}\).

Considere o referencial \(Ox\) representado na Figura 2.

Justifique que o atleta A vence a corrida.

Na sua resposta, comece por apresentar as equações do movimento dos dois atletas e apresente todos os cálculos efetuados.

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Resposta: A vence a corrida.

Equações do movimento (origem na posição de B no instante inicial; meta em \(x=84 m\)): \({x}_{A}=10+6,5\,t\) e \({x}_{B}=6,5\,t+\frac{1}{2}\times 0,10\,{t}^{2}=6,5\,t+0,050\,{t}^{2}\) (SI).

Instantes de chegada à meta: A: \(10+6,5\,t=84\Rightarrow {t}_{A}=11,4 s\). B: \(6,5\,t+0,050\,{t}^{2}=84\Rightarrow {t}_{B}=11,8 s\).

O atleta A demora menos tempo a chegar à meta (\(11,4 s<11,8 s\)): vence. (Em alternativa: quando A chega à meta, B está em \({x}_{B}\left( 11,4 \right)=80,6 m<84 m\).)

25

Exercício 25

★★★Exame nacional

Exame Nacional 2026, 2.ª fase — item 6.1

Os satélites espaciais permitem monitorizar as rotas de navios, contribuindo para a segurança marítima. Dois navios de carga, A e B, ambos com \(300 m\) de comprimento, deslocam-se em trajetórias perpendiculares.

A Figura 2, que não se encontra à escala, esquematiza uma vista aérea das posições dos navios em dois instantes: num instante \({t}_{0}\), a cinzento, e num instante posterior, \({t}_{1}\), a preto, em que a proa (parte dianteira do casco) do navio A atinge o ponto X.

No instante \({t}_{0}\), as proas dos navios A e B distam \(1500 m\), numa direção que faz \({25}^{\circ }\) com a direção do movimento do navio A, que se desloca com velocidade de módulo \(10,0 {\text{m s}}^{-1}\). A partir desse instante, para evitar a colisão, a velocidade do navio A é reduzida uniformemente, e a sua proa atinge a posição X \(10,0 s\) após o navio B ter passado, completamente, por essa posição.

O navio B manteve, durante todo o percurso, velocidade constante de módulo \(5,0 {\text{m s}}^{-1}\).

Figura do exercício 25: Tempo, posição e velocidade

Determine o módulo da velocidade do navio A no instante em que atinge a posição X.

Apresente todos os cálculos efetuados.

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Resposta: \({v}_{A}=3,8 {\text{m s}}^{-1}\)

Navio B: a sua proa está a \(1500\sin {25}^{\circ }=634 m\) de X e o navio passa completamente por X quando percorre ainda os seus \(300 m\): \( {t}_{B}=\frac{634+300}{5,0}=187 s\).

Navio A: a proa chega a X \(10,0 s\) depois: \(t=197 s\). Distância de A a X: \(d=1500\cos {25}^{\circ }=1359 m\).

Movimento uniformemente retardado: \(d={v}_{0}t-\frac{1}{2}a{t}^{2}\Rightarrow 1359=10,0\times 197-\frac{1}{2}a\,{197}^{2}\Rightarrow a=3,15\times {10}^{-2} {\text{m s}}^{-2}\).

\({v}_{A}={v}_{0}-a\,t=10,0-3,15\times {10}^{-2}\times 197=3,8 {\text{m s}}^{-1}\).