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A relatividade de Galileu:
Mudanças de referencial - o movimento
relativo
Você
provavelmente já viveu a
experiência de se encontrar em um veículo (trem ou
automóvel) em movimento num momento em que outro
veículo se emparelha com o que você
está. Você olha para o lado e vê o outro
imóvel, lado a lado.
Da
mesma maneira, um veículo que vem em sentido oposto ao
seu passa por você muito mais rapidamente que outro que o
ultrapassa vindo por trás, no mesmo sentido.
Quando
uma ambulância com a sirene ligada, em velocidade,
passa, você tem a sensação que o som
emitido pela sirene aumenta de frequência à medida
em que se aproxima e reduz a frequência enquanto se afasta.
Tudo
isso envolve a questão do referencial e do movimento
relativo. Toda a cinemática e os movimentos relativos foram
estudados pelo físico, astrônomo e
matemático florentino Galileu Galilei (1546 - 1642).
Pré-Requisitos
para a relatividade de Galileu
para o estudo dos movimentos e, consequentemente da relatividade dos
movimentos, é necessário apoiar-se solidamente
nos conceitos de referencial,
vetores
e adição
de vetores.
Um referencial
é um sistema de coordenadas no qual está
localizada a posição a partir da qual se realizam
observações e medidas. Podemos considerar
referenciais unidimensionais (como uma reta), bidimensionais (como um
plano) ou tridimensionais (como um espaço em R3), conforme a
situação exija.
Vetores
são entidades matemáticas que expressam grandezas
que, além de serem caracterizadas por uma medida de
intensidade (comprimento, temperatura, massa, etc), requerem, para seu
total entendimento, uma referência de
direção e sentido em que se manifestam, como
são velocidade, força, quantidade de movimento,
etc.
A
adição de vetores
As grandezas escalares (não vetoriais) operam
matematicamente com as regras aritméticas da
adição, subtração,
multiplicação e divisão. Para as
operações com vetores isso não
será suficiente.
Uma grandeza vetorial possui uma intensidade que identifica o seu
tamanho por um número que é acompanhado por uma
unidade de medida, por exemplo 30 km/h. O valor absoluto desse
número é chamado de módulo
do vetor.
Além disso uma grandeza vetorial, velocidade, por exemplo,
quando observada a partir de um referencial precisa ter sua
direção e sentido também descritos. Um
automóvel viajando a 80km/h numa estrada tem dois destinos
possíveis a depender de para que lado viaja.
A direção e o sentido do vetor podem ser dadas
por
notação em escrita verbal ou
matemática
ou graficamente.
Quando dizemos:
"um avião voa de leste para oeste..."
"um trem vai de São Paulo ao Rio de Janeiro..."
" um ciclista se desloca do km 8 ao km 10..."
estamos fornecendo direção e sentido.
A notação matemática envolve o sistema
de
coordenadas considerado. Os sistemas mais usados são o
cartesiano e o polar.
Notação
no sistema
cartesiano
os sistemas cartesianos adotam um, dois ou tres eixos, usualmente
denominados x,
y
e z.
O que faremos é
associar a cada eixo um vetor
unitário, isto é, um vetor que tenha a
direção do eixo, seja orientado no sentido
positivo do
eixo e tenha módulo igual à unidade. Para evitar
confusão com os nomes dos eixos esses vetores
unitários,
chamados versores,
são
representados pelas letras i,
j
e k,
respectivamente.
Representamos os vetores por uma letra minúscula sobrecimada
por
uma pequena seta: .
Vejamos como representar vetores num sistema cartesiano:
o módulo (ou intensidade, tamanho) do vetor
da
figura acima é dado pela aplicação do
teorema de
Pitágoras: .
Sua direção e sentido são dadas pelo
coeficiente
angular da reta que o suporta, ou seja, pelo ângulo que forma
com
o eixo horizontal no sentido anti-horário:
dessa forma
ou,
é um vetor perfeitamente caracterizado.
A
notação Polar
além do cartesiano, o sistema polar é comumente
utilizado. Neste sistema o vetor é caracterizado por seu
tamanho
(módulo) e pelo ângulo que faz, no sentido
anti-horário com o eixo horizontal:
Operando
com vetores
1. adição pela notação
cartesiana
neste caso basta somar as componentes dos vetores em cada versor:
note que adição e subtração
são
operações de mesma natureza.
2. produto de um escalar por um vetor
basta multiplicar cada componente:
2. Para a notação polar é conveniente
operar
graficamente
note que o uso do ângulo ,
entre os
vetores modifica o sinal da lei dos cossenos que passa a ser positivo.
Na lei dos cossenos normalmente utilizamos o ângulo oposto ao
lado calculado.
Observe os casos particulares:
1. o ângulo entre os vetores é 180°
neste caso os vetores têm sentidos opostos,
2. o ângulo entre os vetores é zero
os vetores tem o mesmo sentido,
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