Understanding the throwing of a ball up.
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calculus.tex
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@ -6978,23 +6978,27 @@ que útil---quando em pressa, por exemplo.
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converter unidades é considerar a relação entre duas unidades como uma
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converter unidades é considerar a relação entre duas unidades como uma
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fração de valor 1. Por exemplo, se 1 hora é 3600 segundos, então
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fração de valor 1. Por exemplo, se 1 hora é 3600 segundos, então
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$$1 \text{ h} = 3600 \text{ s} \text{ implica} \fr{1 \text{ h}}{3600 \text{ s}}$$
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$$1 \text{ h} = 3600 \text{ s} \text{ implica } \fr{1 \text{ h}}{3600 \text{ s}} = 1 $$
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Agora, se você quer converter 1800 segundos pra horas, basta
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Agora, se você quer converter 1800 segundos pra horas, basta
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multiplicar pela razão 1 acima, obtendo
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multiplicar pela razão 1 acima, obtendo
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$$1800 \text{ s} = 1800 \text{ s} \fr{ \text{ h}}{3600 \text{ s}} = \fr{ 1800\cancel{\text{s}}\text{h}}{3600\cancel{\text{s}}} = \fr{1}{2} \text{ h}.$$
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$$1800 \text{ s} = 1800 \text{ s } \fr{1 \text{ h}}{3600 \text{ s}} = \fr{ 1800\text{ h}}{3600} = \fr{1}{2} \text{ h},$$
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como desejado.
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Observe que se você quer conversão pras horas, então sua razão terá as
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Observe que se você quer conversão pras horas, então sua razão terá as
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horas no numerador porque assim os segundos no denominador cancelará
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horas no numerador porque assim os segundos no denominador cancelarão
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os segundos que estão no numerador. Por ``segundos'' quero dizer a
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os segundos que estão no numerador. Por ``segundos'' quero dizer a
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constante ``s'' que representa a unidade em si.
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constante ``s'' que representa a unidade em si.
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Assim você converte qualquer coisa com facilidade.
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Assim você converte qualquer coisa com facilidade.
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\ghostsection{De volta ao movimento unidimensional}.
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\ghostsection{De volta ao movimento unidimensional}. Eis o primeiro
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problema do IF. Existe algum jeito mais simples de computar as
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Eis o primeiro exercício do IF.
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respostas aqui? Como só conhecemos uma única fórmula, sempre a
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aplicamos, mas você verá à frente que minha gatinha tinha um
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Torricelli na manga.
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\begin{exercise*}
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\begin{exercise*}
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Um motorista freia seu carro uniformemente de forma que a velocidade
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Um motorista freia seu carro uniformemente de forma que a velocidade
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@ -7074,42 +7078,85 @@ importância de calculadora aqui, isto é, de um computador mesmo.)
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relaciona a velocidade diretamente com a aceleração sem envolver o
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relaciona a velocidade diretamente com a aceleração sem envolver o
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tempo. Ela é
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tempo. Ela é
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$$v^2 = v_0^2 \cdots$$
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$$v^2 = v_0^2 + 2a \Delta x$$
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Não lembro. Preciso da minha gatinha de novo. O fato é que Torricelli
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Sendo assim, veja como podemos aplicá-la no problema
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nos economiza um tremendo passo num problema que vale a pena
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abaixo---agradecimentos à gatinha mais linda do mundo.
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documentar---até porque estou encontrando um aparente erro no
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problema.
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\begin{exercise*}
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\begin{exercise*}
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Com que velocidade uma bola deve ser lançada verticalmente pra cima
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Com que velocidade uma bola deve ser lançada verticalmente pra cima
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pra que a bola alcance a altura máxima de 50m? Quanto tempo ela ficará
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pra que a bola alcance a altura máxima de 50m? Quanto tempo ela ficará
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no ar? Desenhe os gráficos $y$, $v$ e $a$ {\em versus} $t$. Indique
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no ar? Desenhe os gráficos $y$, $v$ e $a$ {\em versus} $t$. Indique
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nos dois primeiros gráficos o instante em que ela alcança os
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nos dois primeiros gráficos o instante em que ela alcança os
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50m. \sol. Computei a derivada de $x(t) = 0 + v_0 t + (1/2) (-9.8)
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50m. \sol. Computei a derivada de $y(t) = 0 + v_0 t + (1/2) (-9.8)
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t^2$ pra obter $v(t) = v_0 - 9.8 t$ e assim isolei $t =
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t^2$ pra obter $v(t) = v_0 - 9.8 t$ e assim isolei $t =
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v_0/9.8$. Então consegui eliminar $t$, substituindo $v_0/9.8$ em
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v_0/9.8$. Então consegui eliminar $t$, substituindo $v_0/9.8$ em
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$x(t)$, obtendo
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$y(t)$, obtendo
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\begin{align*}
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\begin{align*}
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x(t) &= \fr{v_0^2}{9.8} - \fr{9.8}{2} \fr{v_0^2}{9.8^2}\\
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y(t) = \fr{v_0^2}{9.8} - \fr{9.8}{2} \fr{v_0^2}{9.8^2}
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&= \fr{v_0^2}{9.8} - \fr{1}{2} \fr{v_0^2}{9.8}\\
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= \fr{v_0^2}{9.8} - \fr{v_0^2}{2 \cdot 9.8}
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&= \left(\fr{v_0^2}{9.8} - \fr{1}{2} \fr{v_0^2}{9.8}\right)
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= \fr{v_0^2}{9.8} \left(1 - \fr{1}{2}\right)
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= \fr{v_0^2}{9.8} \cdot \fr{1}{2}
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\end{align*}
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\end{align*}
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Como queremos altura de 50m, obtemos uma quadrática com uma única
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Como queremos altura de 50m, obtemos a quadrática
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solução positiva que é $v_0 = 31.30 \text{m}$, o que casa com o
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gabarito. Agora, quando prosseguimos pra perguntar quanto tempo leva
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\begin{align*}
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pra essa bola alcançar esses 50m, obtemos a quadrática $-4.9t^2 +
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50 &= \fr{v_0^2}{9.8}\\
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31.30 t - 50 = 0$, que não tem raiz. Como pode? O problema enfatiza
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100 &= \fr{v_0^2}{9.8}\\
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que ele quer o tempo. E o problema não tem como estar errado. Queremos
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980 &= v_0^2\\
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lançar uma bola pra cima até atingir 50m e contabilizar o tempo---isso
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31.30 &= v_0,
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é perfeitamente físico. Estamos errados em algum lugar. Como nossa
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\end{align*}
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$v_0$ casa com o gabarito, é na produção da quadrática que estamos
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errados---aritmética! (A gente erra muita aritmética.) Mas a
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como desejado. Agora, quando prosseguimos pra perguntar quanto tempo
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aritmética parece correta, então física é uma coisa muito perplexante.
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leva pra essa bola alcançar esses 50m, obtemos a quadrática $-4.9t^2 +
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31.30 t - 50 = 0$, que não tem raiz. Como pode? O problema não tem
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como estar errado. Queremos lançar uma bola pra cima até atingir 50m e
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contabilizar o tempo---isso é perfeitamente físico. Estamos errados em
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algum lugar. Como nossa $v_0$ casa com o gabarito, é na produção da
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quadrática que estamos errados---aritmética! (A gente erra muita
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aritmética.) Mas a aritmética parece correta, então física é uma coisa
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muito perplexante.
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O problema é o seguinte. Quando usamos o valor $v_0 = 31.30$ m/s, a
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gente tá fazendo uma aproximação. Com 6 algarismos significativos,
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$v_0 = 31.3049$. Quando montamos a quadrática com $v_0 = 31.30$, o
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erro de arredontamento fez uma quadrática que não tinha raiz. Não
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deveríamos ter-nos interrompido: bastava procurar pelo ponto máximo
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dela que encontraríamos $t = 3.1938 \approx 3.2$, de onde obteríamos a
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resposta correta $t = 6.4$ (ida e volta). Se em vez de $v_0 = 31.30$,
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tivéssemos arredondado pra $v_0 = 31.305$, encontraríamos a quadrática
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$-4.9t^2 + 31.305 t - 50 = 0$, que tem raiz $t \approx 3.18$.
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\end{exercise*}
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\end{exercise*}
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\begin{remark*}
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O fato é que esse problema precisa ser resolvido do zero
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novamente. Tem formas muito mais fáceis de se raciocinar aí. A gente
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resolveu o problema colocando a origem em $y = 0$, mas poderíamos
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colocá-la no ápice da altura (ou seja, a 50 m do chão), onde $v_0 =
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0$. Assim, o termo linear da quadrática some e obtemos a equação
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\begin{align*}
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-50 &= v_0 t + \fr{1}{2} a t^2\\
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&= 0 \cdot t + \fr{1}{2} (-9.8) t^2\\
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50 &= \fr{1}{2} (9.8) t^2\\
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100 &= (9.8) t^2\\
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t &= \sqrt{\left(\fr{100}{9.8}\right)}\\
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t &= 3.1943,
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\end{align*}
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como desejado. Note que agora a posição desejada é $-50$ porque
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colocamos o ápice da bola como $y = 0$ e então ela vai cair 50 metros,
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ficando no lado negativo do eixo $y$.
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\end{remark*}
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\begin{remark*}
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Sabe o que é curioso? Errei a aritmética quando computei o comentário
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acima. Em vez de dividir 100 por 9.8, eu multipliquei 100 por 9.8,
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obtendo 980, cuja raiz é exatamente $v_0$, a velocidade com que a bola
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precisa partir pra chegar com velocidade zero a 50 metros.
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\end{remark*}
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