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2.4: Sistemas de coordenadas e componentes de um vetor (Parte 1)

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    Objetivos de
    • Descreva vetores em duas e três dimensões em termos de seus componentes, usando vetores unitários ao longo dos eixos.
    • Faça a distinção entre os componentes vetoriais de um vetor e os componentes escalares de um vetor.
    • Explique como a magnitude de um vetor é definida em termos dos componentes de um vetor.
    • Identifique o ângulo de direção de um vetor em um plano.
    • Explique a conexão entre coordenadas polares e coordenadas cartesianas em um plano.

    Os vetores geralmente são descritos em termos de seus componentes em um sistema de coordenadas. Mesmo na vida cotidiana, invocamos naturalmente o conceito de projeções ortogonais em um sistema de coordenadas retangulares. Por exemplo, se você pedir a alguém como chegar a um determinado local, é mais provável que você vá 40 km a leste e 30 km ao norte do que 50 km na direção 37° norte do leste.

    Em um sistema retangular (cartesiano) de coordenadas xy em um plano, um ponto em um plano é descrito por um par de coordenadas (x, y). De forma semelhante, um vetor\(\vec{A}\) em um plano é descrito por um par de suas coordenadas vetoriais. A coordenada x do vetor\(\vec{A}\) é chamada de componente x e a coordenada y do vetor\(\vec{A}\) é chamada de componente y. O componente x do vetor é um vetor indicado por\(\vec{A}_{x}\). O componente y do vetor é um vetor indicado por\(\vec{A}_{y}\). No sistema cartesiano, os componentes vetoriais x e y de um vetor são as projeções ortogonais desse vetor nos\(y\) eixos\(x\) - e -, respectivamente. Dessa forma, seguindo a regra do paralelogramo para adição vetorial, cada vetor em um plano cartesiano pode ser expresso como a soma vetorial de seus componentes vetoriais:

    \[ \vec{A} = \vec{A}_{x} + \vec{A}_{y} \ldotp \label{2.10}\]

    Conforme ilustrado na Figura\(\PageIndex{1}\), vetor\(\vec{A}\) é a diagonal do retângulo em que o componente x\(\vec{A}_{x}\) é o lado paralelo ao eixo x e o componente y\(\vec{A}_{y}\) é o lado paralelo ao eixo y. \(\vec{A}_{x}\)O componente vetorial é ortogonal ao componente vetorial\(\vec{A}_{y}\).

    O vetor A é mostrado no sistema de coordenadas x y e se estende do ponto b na cauda de A até o ponto e e sua cabeça. O vetor A aponta para cima e para a direita. Os vetores unitários I hat e j hat são pequenos vetores apontando nas direções x e y, respectivamente, e estão em ângulo reto entre si. O componente x do vetor A é um vetor apontando horizontalmente do ponto b para um ponto diretamente abaixo do ponto e na ponta do vetor A. No eixo x, vemos que o vetor A sub x se estende de x sub b até x sub e e é igual à magnitude A sub x vezes I hat. A magnitude A sub x é igual a x sub e menos x sub b. O componente y do vetor A é um vetor que aponta verticalmente do ponto b para um ponto diretamente à esquerda do ponto e na ponta do vetor A. No eixo y, vemos que o vetor A sub y se estende de y sub b a y sub e e é igual à magnitude A sub y vezes j chapéu. A magnitude A sub y é igual a y sub e menos y sub b.
    Figura\(\PageIndex{1}\): O vetor\(\vec{A}\) em um plano no sistema de coordenadas cartesiano é a soma vetorial de seus componentes vetoriais x e y. O componente do vetor x\(\vec{A}_{x}\) é a projeção ortogonal do vetor\(\vec{A}\) no eixo x. O componente do vetor y\(\vec{A}_{y}\) é a projeção ortogonal do vetor\(\vec{A}\) no eixo y. Os números A x e A y que multiplicam os vetores unitários são os componentes escalares do vetor.

    É comum indicar a direção positiva no eixo x pelo vetor unitário\(\hat{i}\) e a direção positiva no eixo y pelo vetor unitário\(\hat{j}\). Vetores unitários dos eixos\(\hat{i}\) e\(\hat{j}\), definem duas direções ortogonais no plano. Conforme mostrado na Figura\(\PageIndex{1}\), os componentes x e y de um vetor agora podem ser escritos em termos dos vetores unitários dos eixos:

    \[ \begin{cases} \vec{A}_{x} = A_{x} \hat{i} \\ \vec{A}_{y} = A_{y} \hat{j} \end{cases} \label{2.11}\]

    Os vetores\(\vec{A}_{x}\) e\(\vec{A}_{y}\) definidos pela Equação 2.11 são os componentes vetoriais do vetor\(\vec{A}\). Os números A x e A y que definem os componentes vetoriais na Equação\ ref {2.11} são os componentes escalares do vetor\(\vec{A}\). Combinando a Equação\ ref {2.10} com a Equação\ ref {2.11}, obtemos a forma componente de um vetor:

    \[\vec{A} = A_{x} \hat{i} + A_{y} \hat{j} \ldotp \label{2.12}\]

    Se soubermos as coordenadas\(b(x_b, y_b)\) do ponto de origem de um vetor (onde b significa “começo”) e as coordenadas e (x e, y e) do ponto final de um vetor (onde e significa “fim”), podemos obter os componentes escalares de um vetor simplesmente subtraindo o ponto de origem coordenadas das coordenadas do ponto final:

    \[ \begin{cases} A_{x} = x_{e} - x_{b} \\ A_{y} = y_{e} - y_{b} \ldotp \end{cases} \label{2.13}\]

    Exemplo\(\PageIndex{1}\): Displacement of a Mouse Pointer

    Um ponteiro do mouse no monitor de um computador em sua posição inicial está no ponto (6,0 cm, 1,6 cm) em relação ao canto inferior esquerdo. Se você mover o ponteiro para um ícone localizado no ponto (2,0 cm, 4,5 cm), qual é o vetor de deslocamento do ponteiro?

    Estratégia

    A origem do sistema de coordenadas xy é o canto inferior esquerdo do monitor do computador. Portanto, o vetor unitário\(\hat{i}\) no eixo x aponta horizontalmente para a direita e o vetor unitário\(\hat{j}\) no eixo y aponta verticalmente para cima. A origem do vetor de deslocamento está localizada no ponto b (6,0, 1,6) e a extremidade do vetor de deslocamento está localizada no ponto e (2,0, 4,5). Substitua as coordenadas desses pontos na Equação\ ref {2.13} para encontrar os componentes escalares D x e D y do vetor de deslocamento\(\vec{D}\). Finalmente, substitua as coordenadas na Equação\ ref {2.12} para escrever o vetor de deslocamento na forma do componente vetorial.

    Solução

    Identificamos x b = 6,0, x e = 2,0, y b = 1,6 e y e = 4,5, onde a unidade física é de 1 cm. Os componentes escalares x e y do vetor de deslocamento são

    \[D_{x} = x_{e} - x_{b} = (2.0 - 6.0)\; cm = -4.0\; cm,\]

    \[D_{y} = y_{e} - y_{b} = (4.5 - 1.6)\; cm = + 2.9\; cm \ldotp\]

    A forma do componente vetorial do vetor de deslocamento é

    \[\vec{D} = D_{x}\; \hat{i} + D_{y}\; \hat{j} = (-4.0\; cm)\; \hat{i} + (2.9\; cm)\; \hat{j} = (-4.0\; \hat{i} + 2.9\; \hat{j})\; cm \ldotp \label{2.14}\]

    Essa solução é mostrada na Figura\(\PageIndex{2}\).

    O vetor D se estende das coordenadas 6.0, 1.6 até as coordenadas 2.0, 4.5. O vetor D é igual ao vetor D sub x mais o vetor D sub y. D sub x é igual a menos 4,0 I hat e se estende de x=6,0 a x =2,0. A magnitude D sub x é igual a 2,0-6,0 = -4,0. D sub y é igual a mais 2,9 j hat e se estende de y=1,6 a y=4,5. A magnitude D sub y é igual a 4,5 − 1,6.
    Figura\(\PageIndex{2}\): O gráfico do vetor de deslocamento. O vetor aponta do ponto de origem em\(b\) até o ponto final em\(e\).

    Significância

    Observe que a unidade física — aqui, 1 cm — pode ser colocada com cada componente imediatamente antes do vetor unitário ou globalmente para ambos os componentes, como na Equação\ ref {2.14}. Muitas vezes, a última maneira é mais conveniente porque é mais simples.

    O vetor componente x\(\vec{D}_{x}\) = −4,0\(\hat{i}\) = 4,0 (\(- \hat{i}\)) do vetor de deslocamento tem a magnitude\(\vec{D}_{x}\) | | = |− 4,0||\(\hat{i}\) | = 4,0 porque a magnitude do vetor unitário é |\(\hat{i}\) | = 1. Observe também que a direção do componente x é\(− \hat{i}\), que é antiparalela à direção do eixo +x; portanto, o vetor do componente x\(\vec{D}_{x}\) aponta para a esquerda, conforme mostrado na Figura\(\PageIndex{2}\). O componente x escalar do vetor\(\vec{D}\) é D x = −4,0. Da mesma forma, o vetor componente y\(\vec{D}_{y}\) =\(+ 2.9 \hat{j}\) do vetor de deslocamento tem magnitude\(\vec{D}_{y}\) | | = |2,9||\(\hat{j}\) | = 2,9 porque a magnitude do vetor unitário é |\(\hat{j}\) | = 1. A direção do componente y é\(+ \hat{j}\), que é paralela à direção do eixo +y. Portanto, o vetor do componente y\(\vec{D}_{y}\) aponta para cima, conforme visto na Figura\(\PageIndex{2}\). O componente y escalar do vetor\(\vec{D}\) é D y = + 2,9. O vetor de deslocamento\(\vec{D}\) é o resultado de seus dois componentes vetoriais.

    A forma do componente vetorial do vetor de deslocamento Equation\ ref {2.14} nos diz que o ponteiro do mouse foi movido no monitor 4,0 cm para a esquerda e 2,9 cm para cima a partir de sua posição inicial.

    Exercício 2.4

    Uma mosca azul pousa em uma folha de papel milimetrado em um ponto localizado a 10,0 cm à direita da borda esquerda e 8,0 cm acima da borda inferior e caminha lentamente até um ponto localizado a 5,0 cm da borda esquerda e 5,0 cm da borda inferior. Escolha o sistema de coordenadas retangulares com a origem no canto inferior esquerdo do papel e encontre o vetor de deslocamento da mosca. Ilustre sua solução representando graficamente.

    Quando conhecemos os componentes escalares A x e A y de um vetor\(\vec{A}\), podemos encontrar sua magnitude A e seu ângulo de direção\(\theta_{A}\). O ângulo de direção — ou direção, abreviadamente — é o ângulo que o vetor forma com a direção positiva no eixo x. O ângulo\(\theta_{A}\) é medido no sentido anti-horário do eixo +x até o vetor (Figura\(\PageIndex{3}\)). Como os comprimentos A, A x e A y formam um triângulo reto, eles são relacionados pelo teorema de Pitágoras:

    \[A^{2} = A_{x}^{2} + A_{y}^{2} \Leftrightarrow A = \sqrt{A_{x}^{2} + A_{y}^{2}} \ldotp \label{2.15}\]

    Essa equação funciona mesmo se os componentes escalares de um vetor forem negativos. O ângulo\(\theta_{A}\) de direção de um vetor é definido por meio da função tangente do ângulo\(\theta_{A}\) no triângulo mostrado na Figura\(\PageIndex{3}\):

    \[ \tan \theta = \frac{A_{y}}{A_{x}} \Rightarrow \theta = \tan^{-1} \left(\dfrac{A_{y}}{A_{x}}\right) \ldotp \label{2.16}\]

    O vetor A tem o componente horizontal x A sub x igual à magnitude A sub x I hat e o componente y vertical A sub y igual à magnitude A sub y j hat. O vetor A e os componentes formam um triângulo reto com tamanho lateral magnitude A sub x e magnitude A sub y e magnitude A de hipotenusa igual à raiz quadrada de A sub x ao quadrado mais A sub y ao quadrado. O ângulo entre o lado horizontal A sub x e a hipotenusa A é teta sub A.
    Figura\(\PageIndex{3}\): Para vetor\(\vec{A}\), sua magnitude A e seu ângulo de direção\(\theta_{A}\) estão relacionados às magnitudes de seus componentes escalares porque A, A x e A y formam um triângulo reto.

    Quando o vetor está no primeiro quadrante ou no quarto quadrante, onde o componente A x é positivo (Figura\(\PageIndex{4}\)), o ângulo\(\theta\) na Equação\ ref {2.16}) é idêntico ao ângulo de direção\(\theta_{A}\). Para vetores no quarto quadrante, o ângulo\(\theta\) é negativo, o que significa que, para esses vetores, o ângulo de direção\(\theta_{A}\) é medido no sentido horário a partir do eixo x positivo. Da mesma forma, para vetores no segundo quadrante, o ângulo\(\theta\) é negativo. Quando o vetor está no segundo ou terceiro quadrante, onde o componente A x é negativo, o ângulo de direção é\(\theta_{A}\) =\(\theta\) + 180° (Figura\(\PageIndex{4}\)).

    A Figura I mostra o vetor A no primeiro quadrante (apontando para cima e para a direita). Tem componentes positivos x e y A sub x e A sub y, e o ângulo teta sub A medido no sentido anti-horário a partir do eixo x positivo é menor que 90 graus. A Figura II mostra o vetor A no primeiro segundo (apontando para cima e para a esquerda). Ele tem componentes y negativos e positivos A sub x e A sub y. O ângulo teta sub A medido no sentido anti-horário a partir do eixo x positivo é maior que 90 graus, mas menor que 180 graus. O ângulo teta, medido no sentido horário a partir do eixo x negativo, é menor que 90 graus. A Figura III mostra o vetor A no terceiro quadrante (apontando para baixo e para a esquerda). Ele tem componentes negativos x e y A sub x e A sub y, e o ângulo teta sub A medido no sentido anti-horário a partir do eixo x positivo é maior que 180 graus e menor que 270 graus. O ângulo teta, medido no sentido anti-horário a partir do eixo x negativo, é menor que 90 graus. A Figura IV mostra o vetor A no quarto quadrante (apontando para baixo e para a direita). Tem componentes positivos x e y negativos A sub x e A sub y, e o ângulo teta sub A medido no sentido horário a partir do eixo x positivo é menor que 90 graus.
    Figura\(\PageIndex{4}\): Os componentes escalares de um vetor podem ser positivos ou negativos. Vetores no primeiro quadrante (I) têm componentes escalares positivos e vetores no terceiro quadrante têm ambos componentes escalares negativos. Para vetores nos quadrantes II e III, o ângulo de direção de um vetor é\(\theta_{A}\) =\(\theta\) + 180°.
    Exemplo\(\PageIndex{2}\): Magnitude and Direction of the Displacement Vector

    Você move o ponteiro do mouse no monitor da tela de sua posição inicial no ponto (6,0 cm, 1,6 cm) até um ícone localizado no ponto (2,0 cm, 4,5 cm). Qual é a magnitude e a direção do vetor de deslocamento do ponteiro?

    Estratégia

    No exemplo\(\PageIndex{1}\), encontramos o vetor\(\vec{D}\) de deslocamento do ponteiro do mouse (veja Equação\ ref {2.14}). Identificamos seus componentes escalares D x = −4,0 cm e D y = + 2,9 cm e substituímos na Equação\ ref {2.15} e na Equação\ ref {2.16} para encontrar a magnitude D e a direção\(\theta_{D}\), respectivamente.

    Solução

    A magnitude do vetor\(\vec{D}\) é

    \[D = \sqrt{D_{x}^{2} + D_{y}^{2}} = \sqrt{(-4.0\; cm)^{2} + (2.9\; cm)^{2}} = \sqrt{(4.0)^{2} + (2.9)^{2}}\; cm = 4.9\; cm \ldotp\]

    O ângulo de direção é

    \[ \tan \theta = \frac{D_{y}}{D_{x}} = \frac{+2.9\; cm}{-4.0\; cm} = -0.725 \Rightarrow \theta = \tan^{-1} (-0.725) = -35.9^{o} \ldotp\]

    O vetor\(\vec{D}\) está no segundo quadrante, então seu ângulo de direção é

    \[\theta_{D} = \theta + 180^{o} = -35.9^{o}+ 180^{o} = 144.1^{o} \ldotp\]

    Exercício 2.5

    Se o vetor de deslocamento de uma mosca azul andando em uma folha de papel milimetrado for\(\vec{D} = (−5.00\; \hat{i} − 3.00\; \hat{j})\) cm, encontre sua magnitude e direção.

    Em muitas aplicações, as magnitudes e direções das quantidades vetoriais são conhecidas e precisamos encontrar a resultante de muitos vetores. Por exemplo, imagine 400 carros se movendo na ponte Golden Gate, em São Francisco, sob um vento forte. Cada carro dá à ponte um impulso diferente em várias direções e gostaríamos de saber o tamanho possível do impulso resultante. Já adquirimos alguma experiência com a construção geométrica de somas vetoriais, então sabemos que a tarefa de encontrar a resultante desenhando os vetores e medindo seus comprimentos e ângulos pode se tornar intratável rapidamente, levando a grandes erros. Preocupações como essa não aparecem quando usamos métodos analíticos. O primeiro passo em uma abordagem analítica é encontrar componentes vetoriais quando a direção e a magnitude de um vetor são conhecidas.

    Vamos voltar ao triângulo direito na Figura\(\PageIndex{3}\). O quociente do lado adjacente A x à hipotenusa A é a função cosseno do ângulo de direção\(\theta_{A}\), A x /A = cos\(\theta_{A}\), e o quociente do lado oposto A y à hipotenusa A é a função senoidal de\(\theta_{A}\) A y /A = sin\(\theta_{A}\). Quando a magnitude A e a direção\(\theta_{A}\) são conhecidas, podemos resolver essas relações para os componentes escalares:

    \[\begin{cases} A_{x} = A \cos \theta_{A} \\ A_{y} = A \sin \theta_{A} \ldotp \end{cases} \label{2.17}\]

    Ao calcular componentes vetoriais com a Equação\ ref {2.17}, deve-se tomar cuidado com o ângulo. O ângulo de direção A de\(\theta\) um vetor é o ângulo medido no sentido anti-horário da direção positiva no eixo x até o vetor. A medição no sentido horário fornece um ângulo negativo.

    Exemplo\(\PageIndex{3}\): Components of Displacement Vectors

    Uma equipe de resgate de uma criança desaparecida segue um cão de busca chamado Trooper. O soldado vagueia muito e faz muitos testes por muitos caminhos diferentes. O soldado finalmente encontra a criança e a história tem um final feliz, mas seus deslocamentos em várias pernas parecem realmente complicados. Em uma das pernas, ele caminha 200,0 m para sudeste, depois corre para o norte cerca de 300,0 m. Na terceira perna, ele examina cuidadosamente os aromas por 50,0 m na direção 30° oeste do norte. Na quarta etapa, Trooper vai diretamente para o sul por 80,0 m, pega um cheiro fresco e vira 23° a oeste do sul por 150,0 m. Encontre os componentes escalares dos vetores de deslocamento de Trooper e seus vetores de deslocamento na forma de componentes vetoriais para cada perna.

    Estratégia

    Vamos adotar um sistema de coordenadas retangulares com o eixo x positivo na direção geográfica leste, com a direção y positiva apontada para o norte geográfico. Explicitamente, o vetor unitário\(\hat{i}\) do eixo x aponta para o leste e o vetor unitário\(\hat{j}\) do eixo y aponta para o norte. O soldado faz cinco pernas, então há cinco vetores de deslocamento. Começamos identificando suas magnitudes e ângulos de direção, depois usamos a Equação\ ref {2.17} para encontrar os componentes escalares dos deslocamentos e a Equação\ ref {2.12} para os vetores de deslocamento.

    Solução

    Na primeira perna, a magnitude do deslocamento é L 1 = 200,0 m e a direção é sudeste. Para o ângulo de direção,\(\theta_{1}\) podemos tomar 45° medidos no sentido horário a partir da direção leste ou 45° + 270° medidos no sentido anti-horário a partir da direção leste. Com a primeira opção,\(\theta_{1}\) = −45°. Com a segunda opção,\(\theta_{1}\) = + 315°. Podemos usar qualquer um desses dois ângulos. Os componentes são

    \[ L_{1x} = L_{1} \cos \theta_{1} = (200.0\; m) \cos 315^{o} = 141.4\; m,\]

    \[ L_{1y} = L_{1} \sin\theta_{1} = (200.0\; m) \sin 315^{o} = -141.4\; m,\]

    O vetor de deslocamento da primeira perna é

    \[\vec{L}_{1} = L_{1x}\; \hat{i} + L_{1y}\; \hat{j} = (14.4\; \hat{i} - 141.4\; \hat{j})\; m \ldotp\]

    Na segunda etapa das andanças do Soldado, a magnitude do deslocamento é L 2 = 300,0 m e a direção é norte. O ângulo de direção é\(\theta_{2}\) = + 90°. Obtemos os seguintes resultados:

    \[ L_{2x} = L_{2} \cos \theta_{2} = (300.0\; m) \cos 90^{o} = 0.0,\]

    \[ L_{2y} = L_{2} \sin \theta_{2} = (300.0\; m) \sin 90^{o} = 300.0\; m,\]

    \[\vec{L}_{2} = L_{2x}\; \hat{i} + L_{2y}\; \hat{j} = (300.0\; m)\; \hat{j} \ldotp\]

    Na terceira perna, a magnitude do deslocamento é L 3 = 50,0 m e a direção é 30° oeste do norte. O ângulo de direção medido no sentido anti-horário a partir da direção leste é\(\theta\) 3 = 30° + 90° = + 120°. Isso dá as seguintes respostas:

    \[ L_{3x} = L_{3} \cos \theta_{3} = (50.0\; m) \cos 120^{o} = -25.0\; m,\]

    \[ L_{3y} = L_{3} \sin \theta_{3} = (50.0\; m) \sin 120^{o} = + 43.3\; m,\]

    \[\vec{L}_{3} = L_{3x}\; \hat{i} + L_{3y}\; \hat{j} = (-25.0\; \hat{i} + 43.3\; \hat{j})\; m \ldotp\]

    Na quarta etapa da excursão, a magnitude do deslocamento é L 4 = 80,0 m e a direção é sul. O ângulo de direção pode ser considerado como\(\theta_{4}\) = −90° ou\ (\ theta_ {4} = + 270°. Nós obtemos

    \[ L_{4x} = L_{4} \cos \theta_{4} = (80.0\; m) \cos (-90^{o}) = 0,\]

    \[ L_{4y} = L_{4} \sin \theta_{4} = (80.0\; m) \sin (-90^{o}) = -80.0\; m,\]

    \[\vec{L}_{4} = L_{4x}\; \hat{i} + L_{4y}\; \hat{j} = (-80.0\; m)\; \hat{j} \ldotp\]

    Na última perna, a magnitude é L 5 = 150,0 m e o ângulo é\(\theta_{5}\) = −23° + 270° = + 247° (23° oeste do sul), o que dá

    \[ L_{5x} = L_{5} \cos \theta_{5} = (150.0\; m) \cos 247^{o} = -58.6\; m,\]

    \[ L_{5y} = L_{5} \sin \theta_{5} = (150.0\; m) \sin 247^{o} = -138.1\; m,\]

    \[\vec{L}_{5} = L_{5x}\; \hat{i} + L_{5y}\; \hat{j} = (-58.6\; \hat{i} - 138.1\; \hat{j})\; m \ldotp\]

    Exercício 2.6

    Se o Trooper correr 20 m para oeste antes de descansar, qual é seu vetor de deslocamento?