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9.3: Impulso e colisões (Parte 1)

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    Objetivos de

    • Explique o que é um impulso, fisicamente
    • Descreva o que um impulso faz
    • Relacione impulsos a colisões
    • Aplique o teorema impulso-momento para resolver problemas

    Definimos o momento como o produto da massa e da velocidade. Portanto, se a velocidade de um objeto deve mudar (devido à aplicação de uma força no objeto), então, necessariamente, seu momento também muda. Isso indica uma conexão entre impulso e força. O objetivo desta seção é explorar e descrever essa conexão.

    Suponha que você aplique uma força em um objeto livre por algum tempo. Claramente, quanto maior a força, maior será a mudança de momentum do objeto. Como alternativa, quanto mais tempo você gasta aplicando essa força, novamente maior será a mudança de impulso, conforme mostrado na Figura\(\PageIndex{1}\). A quantidade pela qual o movimento do objeto muda é, portanto, proporcional à magnitude da força e também ao intervalo de tempo no qual a força é aplicada.

    Duas bolas de futebol são mostradas. Em uma figura, uma seta vermelha chamada vetor F, t sub 0 aponta para a direita e uma seta azul chamada vetor delta p também aponta para a direita. Na segunda figura, uma seta vermelha do mesmo comprimento da primeira figura aponta para a direita e é rotulada como vetor F, 2 t sub 0. Uma seta azul com o dobro do comprimento da seta azul na primeira figura aponta para a direita e é rotulada como vetor 2 delta p.
    Figura\(\PageIndex{1}\): A mudança no momento de um objeto é proporcional ao período de tempo durante o qual a força é aplicada. Se uma força for exercida na bola inferior por duas vezes mais do que na bola superior, a mudança no impulso da bola inferior é o dobro da bola superior.

    Matematicamente, se uma quantidade é proporcional a duas (ou mais) coisas, ela é proporcional ao produto dessas coisas. O produto de uma força e de um intervalo de tempo (sobre o qual essa força atua) é chamado de impulso e recebe o símbolo\(\vec{J}\).

    Definição: Impulso

    Seja\(\vec{F}\) (t) a força aplicada a um objeto em algum intervalo de tempo diferencial\(dt\) (Figura\(\PageIndex{2}\)). O impulso resultante no objeto é definido como

    \[d \vec{J} \equiv \vec{F} (t) dt \ldotp \label{9.2}\]

    O desenho de uma raquete de tênis batendo em uma bola de tênis. Duas setas apontando para a direita são desenhadas perto da bola. Um é rotulado como vetor F d t e o outro é rotulado como vetor d J.
    Figura\(\PageIndex{2}\): Uma força aplicada por uma raquete de tênis a uma bola de tênis em um intervalo de tempo gera um impulso atuando sobre a bola.

    O impulso total ao longo do intervalo t f − t i é

    \[\vec{J} = \int_{t_{i}}^{t_{f}} d \vec{J}\]

    ou

    \[\vec{J} \equiv \int_{t_{i}}^{t_{f}} \vec{F} (t) dt \ldotp \label{9.3}\]

    As equações\ ref {9.2} e\ ref {9.3} juntas dizem que quando uma força é aplicada para um intervalo de tempo infinitesimal dt, ela causa um impulso infinitesimal d\(\vec{J}\), e o impulso total dado ao objeto é definido como a soma (integral) de todos esses impulsos infinitesimais.

    Para calcular o impulso usando a Equação\ ref {9.3}, precisamos conhecer a função de força F (t), que geralmente não conhecemos. No entanto, um resultado do cálculo é útil aqui: Lembre-se de que o valor médio de uma função em algum intervalo é calculado por

    \[f(x)_{ave} = \frac{1}{\Delta x} \int_{x_{i}}^{x_{f}} f(x)dx\]

    onde\(\Delta\) x = x f − x i. Aplicando isso à função de força dependente do tempo, obtemos

    \[\vec{F}_{ave} = \frac{1}{\Delta t} \int_{t_{i}}^{t_{f}} \vec{F} (t)dt \ldotp \label{9.4}\]

    Portanto, da Equação\ ref {9.3},

    \[\vec{J} = \vec{F}_{ave} \Delta t \ldotp \label{9.5}\]

    A ideia aqui é que você pode calcular o impulso no objeto mesmo que não conheça os detalhes da força em função do tempo; você só precisa da força média. Na verdade, porém, o processo geralmente é invertido: você determina o impulso (por medição ou cálculo) e depois calcula a força média que causou esse impulso.

    Para calcular o impulso, um resultado útil resulta da escrita da força na Equação\ ref {9.3} como\(\vec{F}\) (t) = m\(\vec{a}\) (t):

    \[\vec{J} = \int_{t_{i}}^{t_{f}} \vec{F} (t)dt = m \int_{t_{i}}^{t_{f}} \vec{a} (t)dt = m \big[ \vec{v} (t_{f}) - \vec{v} (t_{i}) \big] \ldotp\]

    Para uma força constante\(\vec{F}_{ave}\) =\(\vec{F}\) = m\(\vec{a}\), isso simplifica para

    \[\vec{J} = m \vec{a} \Delta t = m \vec{v}_{f} - m \vec{v}_{i} = m (\vec{v}_{f} - \vec{v}_{i}) \ldotp\]

    Ou seja,

    \[\vec{J} = m \Delta \vec{v} \ldotp \label{9.6}\]

    Observe que a forma integral, Equação\ ref {9.3}, também se aplica a forças constantes; nesse caso, como a força é independente do tempo, ela sai da integral, que pode então ser avaliada trivialmente.

    Exemplo\(\PageIndex{1}\): The Arizona Meteor Crater

    Há aproximadamente 50.000 anos, um grande meteorito de ferro-níquel (raio de 25 m) colidiu com a Terra a uma velocidade estimada de 1,28 x 10 4 m/s no que hoje é o deserto do norte do Arizona, nos Estados Unidos. O impacto produziu uma cratera que ainda é visível hoje (Figura\(\PageIndex{3}\)); tem aproximadamente 1200 m (três quartos de milha) de diâmetro, 170 m de profundidade e tem uma borda que se eleva 45 m acima da planície desértica circundante. Os meteoritos de ferro-níquel normalmente têm uma densidade de\(\rho\) = 7970 kg/m 3. Use considerações de impulso para estimar a força média e a força máxima que o meteoro aplicou à Terra durante o impacto.

    Uma foto da cratera do meteoro do Arizona. Os edifícios próximos à cratera são pequenos em comparação com a cratera.
    Figura\(\PageIndex{3}\): A Cratera do Meteoro do Arizona em Flagstaff, Arizona (muitas vezes chamada de Cratera Barringer em homenagem à pessoa que sugeriu sua origem pela primeira vez e cuja família é dona da terra). (crédito: “Shane.Torgerson” /Wikimedia Commons)

    Estratégia

    É conceitualmente mais fácil reverter a questão e calcular a força que a Terra aplicou no meteoro para detê-lo. Portanto, calcularemos a força no meteoro e depois usaremos a terceira lei de Newton para argumentar que a força do meteoro na Terra era igual em magnitude e direção oposta.

    Usando os dados fornecidos sobre o meteoro e fazendo suposições razoáveis sobre a forma do meteoro e o tempo de impacto, primeiro calculamos o impulso usando a Equação\ ref {9.6}. Em seguida, usamos a relação entre força e impulso Equation\ ref {9.5} para estimar a força média durante o impacto. Em seguida, escolhemos uma função de força razoável para o evento de impacto, calculamos o valor médio dessa função Equation\ ref {9.4} e definimos a expressão resultante igual à força média calculada. Isso nos permite resolver a força máxima.

    Solução

    Defina para cima como sendo a direção +y. Para simplificar, suponha que o meteoro esteja viajando verticalmente para baixo antes do impacto. Nesse caso, sua velocidade inicial é\(\vec{v}_{i}\) = −v i\(\hat{j}\), e a força que a Terra exerce sobre o meteoro aponta para cima,\(\vec{F}\) (t) = + F (t)\(\hat{j}\). A situação em t = 0 é mostrada abaixo.

    Um sistema de coordenadas x y é mostrado. A região abaixo do eixo x é sombreada e rotulada como Terra. Um meteoro é mostrado na origem. Uma seta para cima na origem é rotulada como vetor F (t). Uma seta para baixo na origem é rotulada como vetor p sub 0 igual a m vezes v sub 0 vetor.

    A força média durante o impacto está relacionada ao impulso por

    \[\vec{F}_{ave} = \frac{\vec{J}}{\Delta t} \ldotp\]

    Da Equação\ ref {9.6},\(\vec{J}\) = m\(\Delta \vec{v}\), então temos

    \[\vec{F}_{ave} = \frac{m \Delta \vec{v}}{\Delta t} \ldotp\]

    A massa é igual ao produto da densidade do meteoro e seu volume:

    \[m = \rho V \ldotp\]

    Se assumirmos (adivinharmos) que o meteoro era aproximadamente esférico, temos

    \[V = \frac{4}{3} \pi R^{3} \ldotp\]

    Assim, obtemos

    \[\vec{F}_{ave} = \frac{\rho V \Delta \vec{v}}{\Delta t} = \frac{\rho \left(\dfrac{4}{3} \pi R^{3}\right) (\vec{v}_{f} - \vec{v}_{i})}{\Delta t} \ldotp\]

    O problema diz que a velocidade no impacto foi −1,28 x 10 4 m/s\(\hat{j}\) (a velocidade final é zero); além disso, supomos que o impacto primário durou cerca de t max = 2 s. Substituindo esses valores, obtém-se

    \[\begin{split} \vec{F}_{ave} & = \frac{(7970\; kg/m^{3}) \big[ \frac{4}{3} \pi (25\; m)^{3} \big] \big[ 0\; m/s - (-1.28 \times 10^{4}\; m/s\; \hat{j}) \big]}{2\; s} \\ & = + (3.33 \times 10^{12}\; N) \hat{j} \end{split}\]

    Essa é a força média aplicada durante a colisão. Observe que esse vetor de força aponta na mesma direção do vetor de mudança de velocidade\(\Delta \vec{v}\).

    Em seguida, calculamos a força máxima. O impulso está relacionado à função de força por

    \[\vec{J} = \int_{t_{i}}^{t_{max}} \vec{F} (t)dt \ldotp\]

    Precisamos fazer uma escolha razoável para a força em função do tempo. Definimos t = 0 como sendo o momento em que o meteoro toca o solo pela primeira vez. Então, assumimos que a força é máxima no impacto e cai rapidamente para zero. Uma função que faz isso é

    \[F(t) = F_{max} e^{\frac{-t^{2}}{2 \tau^{2}}} \ldotp\]

    O parâmetro\(\tau\) representa a rapidez com que a força diminui para zero.) A força média é

    \[F_{ave} = \frac{1}{\Delta t} \int_{0}^{t_{max}} F_{max} e^{\frac{-t^{2}}{2 \tau^{2}}} dt\]

    onde\(\Delta\) t = t max − 0 s. Como já temos um valor numérico para F ave, podemos usar o resultado da integral para obter F max. Escolhendo\(\tau\) =\(\frac{1}{e}\) t max (essa é uma escolha comum, como você verá nos capítulos posteriores) e supondo que t max = 2 s, essa integral é avaliada como

    \[F_{avg} = 0.458\; F_{max} \ldotp\]

    Assim, a força máxima tem uma magnitude de

    \[\begin{split} 0.458\; F_{max} & = 3.33 \times 10^{12}\; N \\ F_{max} & = 7.27 \times 10^{12}\; N \ldotp \end{split}\]

    A função de força completa, incluindo a direção, é

    \[\vec{F} (t) = (7.27 \times 10^{12}\; N) e^{\frac{-t^{2}}{8\; s^{2}}} \hat{y} \ldotp\]

    Essa é a força que a Terra aplicou ao meteoro; pela terceira lei de Newton, a força que o meteoro aplicou à Terra é

    \[\vec{F} (t) = - (7.27 \times 10^{12}\; N) e^{\frac{-t^{2}}{8\; s^{2}}} \hat{y}\]

    qual é a resposta para a pergunta original.

    Significância

    O gráfico dessa função contém informações importantes. Vamos representar graficamente (a magnitude de) essa função e a força média juntas (Figura\(\PageIndex{4}\)).

    Um gráfico da força e da força média em função do tempo do impacto do meteoro. O eixo horizontal é o tempo em segundos e varia de 0 a 2 segundos. O eixo vertical é Força em Newtons e varia de 0 a 8 vezes 10 a 12. Em t=0, a força começa um pouco abaixo de 8 vezes 10 até 12 e diminui para quase 0 em t=2. A força média é constante em cerca de 3,5 vezes 10 até 12. As áreas abaixo de cada uma das curvas são sombreadas e nos dizem que as áreas são iguais.
    Figura\(\PageIndex{4}\): Um gráfico da força média (em vermelho) e da força em função do tempo (azul) do impacto do meteoro. As áreas sob as curvas são iguais entre si e são numericamente iguais ao impulso aplicado.

    Observe que a área abaixo de cada parcela foi preenchida. Para o gráfico da força (constante) F ave, a área é um retângulo, correspondente a F ave\(\Delta\) t = J. Quanto ao gráfico de F (t), lembre-se do cálculo que a área sob o gráfico de uma função é numericamente igual à integral dessa função, no intervalo especificado; então aqui, isso é\(\int_{0}^{t_{max}}\) F (t) dt = J. Assim, as áreas são iguais e ambas representam o impulso que o meteoro aplicou à Terra durante o impacto de dois segundos. A força média na Terra soa como uma força enorme, e é. No entanto, a Terra mal percebeu isso. A aceleração obtida pela Terra foi apenas

    \[\vec{a} = \frac{- \vec{F}_{ave}}{M_{Earth}} = \frac{- (3.33 \times 10^{12}\; N) \hat{j}}{5.97 \times 10^{24}\; kg} = - (5.6 \times 10^{-13} m/s^{2}) \hat{j}\]

    o que é completamente incomensurável. Dito isso, o impacto criou ondas sísmicas que hoje em dia poderiam ser detectadas por modernos equipamentos de monitoramento.

    Exemplo\(\PageIndex{2}\): The Benefits of Impulse

    Um carro viajando a 27 m/s colide com um prédio. A colisão com o prédio faz com que o carro pare em aproximadamente 1 segundo. O motorista, que pesa 860 N, é protegido por uma combinação de cinto de segurança de tensão variável e um airbag (Figura\(\PageIndex{5}\)). (Na verdade, o motorista colide com o cinto de segurança e o airbag e não com o prédio.) O airbag e o cinto de segurança diminuem sua velocidade, de forma que ele pare em aproximadamente 2,5 s.

    1. Qual a força média que o motorista experimenta durante a colisão?
    2. Sem o cinto de segurança e o airbag, seu tempo de colisão (com o volante) teria sido de aproximadamente 0,20 s. Que força ele experimentaria nesse caso?
    Antes da colisão, um carro está viajando a uma velocidade v sub I igual a 27 metros por segundo à direita. Após a colisão, o carro tem velocidade v sub f = 0 e o passageiro sente uma força menos F para a esquerda.
    Figura\(\PageIndex{5}\): O movimento de um carro e de seu motorista no instante anterior e no instante após a colisão com a parede. O motorista retido experimenta uma grande força para trás do cinto de segurança e do airbag, o que faz com que sua velocidade diminua para zero. (A força para frente do encosto do banco é muito menor do que a força para trás, então a negligenciamos na solução.)

    Estratégia

    Recebemos o peso do motorista, suas velocidades inicial e final e o tempo de colisão; somos solicitados a calcular uma força. O impulso parece ser a maneira certa de lidar com isso; podemos combinar a Equação\ ref {9.5} e a Equação\ ref {9.6}.

    Solução
    1. Defina a direção+x como sendo a direção em que o carro está se movendo inicialmente. Sabemos que $$\ vec {J} =\ vec {F}\ Delta t$$ e $$\ vec {J} = m\ Delta\ vec {v}\ lDOTP$$Como J é igual a ambas as coisas, elas devem ser iguais uma à outra: $$\ vec {F}\ Delta t = m\ Delta\ vec {v}\ ldotp$precisamos converter esse peso à massa equivalente, expresso em unidades SI: $$\ frac {860\; N} {9.8\; m/s^ {2}} = 87,8 \; kg\ lDotp$$Lembrando que\(\Delta \vec{v} = \vec{v}_{f} − \vec{v}_{i}\), e observando que a velocidade final é zero, resolvemos a força: $$\ vec {F} = m\ frac {0 - v_ {i}\;\ hat {i}} {\ Delta t} = (87,8\; kg)\ left (\ dfrac {- (27\; m/s)\ hat {i} {2.5\; s}\ right) = - (948\; N)\ hat {i}\ ldotp$$O sinal negativo implica que a força o desacelera. Para perspectiva, isso é cerca de 1,1 vezes seu próprio peso.
    2. Mesmo cálculo, apenas o intervalo de tempo diferente: $$\ vec {F} = (87,8\; kg)\ left (\ dfrac {- (27\; m/s)\ hat {i}} {0,20\; s}\ right) = - (11.853\; N)\ hat {i}\ ldotp$$que é cerca de 14 vezes seu próprio peso. Grande diferença!

    Significância

    Você vê que o valor de um airbag é o quanto ele reduz a força nos ocupantes do veículo. Por esse motivo, eles são exigidos em todos os veículos de passageiros nos Estados Unidos desde 1991 e são comuns em toda a Europa e Ásia desde meados da década de 1990. A mudança de impulso em um acidente é a mesma, com ou sem um airbag; a força, no entanto, é muito diferente.

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