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@ -6958,206 +6958,6 @@ gente pode especular que $y(x)$ é um polinômio também porque todas as
derivadas de um polinômio são um polinômio, incluindo suas somas e
constantes múltiplos.
\section{Physics}
Tudo em física tem direção e unidade. É um bom hábito computar
aritmética sempre com as unidades---requer paciência de escrever e
cancelá-las---e prestando atenção à direção em que as coisas se movem.
Como não podemos usar calculadora na prova, precisamos ganhar
intimidade com computar números. Quando estiver incerto sobre a
solução de um problema, use a calculadora pra rapidamente saber se
realmente o raciocínio está certo. Depois disso, dê uma olhada e veja
o que tem de difícil nas contas e procure facilitá-los. Por exemplo,
descarte todas a super-precisão desnecessária, faça arredondamentos e
use os teoremas que facilitam contas---o que é uma arte admirável.
Viver sem calculadora é excelente desenvolvimento, mas usemo-na sempre
que útil---quando em pressa, por exemplo.
\ghostsection{Como se converte unidades}. Uma estratégia muito útil em
converter unidades é considerar a relação entre duas unidades como uma
fração de valor 1. Por exemplo, se 1 hora é 3600 segundos, então
%
$$1 \text{ h} = 3600 \text{ s} \text{ implica } \fr{1 \text{ h}}{3600 \text{ s}} = 1 $$
%
Agora, se você quer converter 1800 segundos pra horas, basta
multiplicar pela razão 1 acima, obtendo
%
$$1800 \text{ s} = 1800 \text{ s } \fr{1 \text{ h}}{3600 \text{ s}} = \fr{ 1800\text{ h}}{3600} = \fr{1}{2} \text{ h},$$
%
como desejado.
Observe que se você quer conversão pras horas, então sua razão terá as
horas no numerador porque assim os segundos no denominador cancelarão
os segundos que estão no numerador. Por ``segundos'' quero dizer a
constante ``s'' que representa a unidade em si.
Assim você converte qualquer coisa com facilidade.
\ghostsection{De volta ao movimento unidimensional}. Eis o primeiro
problema do IF. Existe algum jeito mais simples de computar as
respostas aqui? Como só conhecemos uma única fórmula, sempre a
aplicamos, mas você verá à frente que minha gatinha tinha um
Torricelli na manga.
\begin{exercise*}
Um motorista freia seu carro uniformemente de forma que a velocidade
cai de 72 pra 26 km/h em 5 segundos. Que distância o carro percorre
depois disso até parar? Quanto tempo levará pra percorrer essa
distância adicional? \sol. Não sei resolver. Qual é o meu problema?
Não sei que fórmula usar. Sei obter a aceleração do carro. Ele está
freiando, então tem uma aceleração negativa. Aceleração é a variação
da velocidade sobre o tempo. Então temos $a = (72 - 36)/(0 - 5) =
-7.2$ km/h. Aqui já cabe uma pergunta---devemos responder $-7.2$ km/h,
que tem dois algarismos significativos ou devemos dizer $-7$ km/h, já
que os dados contêm apenas um significativo? Digo que devemos
responder $-7$ km/h pra respeitar o sistema internacional. Se a prova
for discursiva, explicar esse fato; se não, marcar a melhor opção---é
o mais sensato a fazer aqui. (Mas note que nesse problema
especialmente, usar o $-7.2$ é o melhor a fazer porque as contas vão
dar mais certo usando-o. A gente só deve respeitar o sistema
internacional quando reportamos os valores finais.)
Okay, temos a aceleração---e agora? Lembro perfeitamente da fórmula
%
$$x(t) = x_0 + v_0 t + \fr{1}{2}a t^2,$$
%
mas nem sei como usá-la pra resolver esse problema.
Ah, espere um momento! Sei como descobrir $x(5)$ porque sei a
velocidade e a posição em $t=0$ e tenho a aceleração. O carro então
depois de 5 segundos está em $x = 0.075$ km, ou seja, posição $75$
metros, conta que obtive na calculadora (primeiro incorretamente,
depois incorretamente de novo e por último corretamente). Podemos
agora descobrir em que posição ele estará quando sua velocidade chegar
a zero? Não tenho uma fórmula pra velocidade. Ah, compute a derivada
de $x(t)$ pra obter
%
$$v(t) = x'(t) = v_0 + at.$$
%
Aos 5 segundos, a velocidade inicial do carro vai ser 36 km/h e
queremos $t$ tal que $v(t) = 0$, obtendo o problema
%
$$0 = \fr{36}{3600} + \left(\fr{-7.2}{3600}\right)t$$
%
cuja solução dá
%
$$t = \fr{36}{7.2} = 5 \text{ segundos}.$$
%
Note que não escrevemos as unidades aqui por economia de tempo. A
computação de 36/7.2 foi feita por calculadora. No papel, faríamos
$360 \div 72$, que é uma conta fácil de fazer. A conta que não é
fácil de fazer nesse problema é a conta que nos leva ao fato de que
nos 5 segundos iniciais, o carro percorre $0.75$ km, mas nem pensei em
como facilitá-la.
Anyway, o carro percorre mais 5 segundos até parar. Portanto, pra
obter a distância adicional percorrida, queremos
%
$$x(10) - x(5)= 0.1 - 0.075 = 0.025 \text{ km},$$
%
ou seja, o carro ainda se desloca por mais 25 metros, o que levou mais
5 segundos. Note que a segunda pergunta do problema foi respondida
primeiro---vida normal.
\end{exercise*}
\begin{remark*}
Eis a importância de se usar calculadora. Mesmo usando-a, errei o
valor obtido em $x(5)$ e depois acertei em $x(10)$. Usando Python,
consegui descobrir isso rapidamente, mas teria levado talvez horas pra
descobrir se estivesse calculando na mão. O cansaço decorrente não
compensa o desgosto gerado uma vez que estamos realmente preocupados
em cobrir terreno porque temos uma prova a fazer em breve. Parece boa
a estratégia de refazer as contas (quando elas estiverem certas)
observando o que podemos facilitar na computação. (LOL---tinha erro na
fórmula Python, então tive que corrigir novamente. Agora é enfática a
importância de calculadora aqui, isto é, de um computador mesmo.)
\end{remark*}
\ghostsection{A equação de Torricelli}. A equação de Torricelli
relaciona a velocidade diretamente com a aceleração sem envolver o
tempo. Ela é
%
$$v^2 = v_0^2 + 2a \Delta x$$
%
Sendo assim, veja como podemos aplicá-la no problema
abaixo---agradecimentos à gatinha mais linda do mundo.
\begin{exercise*}
Com que velocidade uma bola deve ser lançada verticalmente pra cima
pra que a bola alcance a altura máxima de 50m? Quanto tempo ela ficará
no ar? Desenhe os gráficos $y$, $v$ e $a$ {\em versus} $t$. Indique
nos dois primeiros gráficos o instante em que ela alcança os
50m. \sol. Computei a derivada de $y(t) = 0 + v_0 t + (1/2) (-9.8)
t^2$ pra obter $v(t) = v_0 - 9.8 t$ e assim isolei $t =
v_0/9.8$. Então consegui eliminar $t$, substituindo $v_0/9.8$ em
$y(t)$, obtendo
%
\begin{align*}
y(t) = \fr{v_0^2}{9.8} - \fr{9.8}{2} \fr{v_0^2}{9.8^2}
= \fr{v_0^2}{9.8} - \fr{v_0^2}{2 \cdot 9.8}
= \fr{v_0^2}{9.8} \left(1 - \fr{1}{2}\right)
= \fr{v_0^2}{9.8} \cdot \fr{1}{2}
\end{align*}
%
Como queremos altura de 50m, obtemos a quadrática
%
\begin{align*}
50 &= \fr{v_0^2}{9.8}\\
100 &= \fr{v_0^2}{9.8}\\
980 &= v_0^2\\
31.30 &= v_0,
\end{align*}
%
como desejado. Agora, quando prosseguimos pra perguntar quanto tempo
leva pra essa bola alcançar esses 50m, obtemos a quadrática $-4.9t^2 +
31.30 t - 50 = 0$, que não tem raiz. Como pode? O problema não tem
como estar errado. Queremos lançar uma bola pra cima até atingir 50m e
contabilizar o tempo---isso é perfeitamente físico. Estamos errados em
algum lugar. Como nossa $v_0$ casa com o gabarito, é na produção da
quadrática que estamos errados---aritmética! (A gente erra muita
aritmética.) Mas a aritmética parece correta, então física é uma coisa
muito perplexante.
O problema é o seguinte. Quando usamos o valor $v_0 = 31.30$ m/s, a
gente tá fazendo uma aproximação. Com 6 algarismos significativos,
$v_0 = 31.3049$. Quando montamos a quadrática com $v_0 = 31.30$, o
erro de arredontamento fez uma quadrática que não tinha raiz. Não
deveríamos ter-nos interrompido: bastava procurar pelo ponto máximo
dela que encontraríamos $t = 3.1938 \approx 3.2$, de onde obteríamos a
resposta correta $t = 6.4$ (ida e volta). Se em vez de $v_0 = 31.30$,
tivéssemos arredondado pra $v_0 = 31.305$, encontraríamos a quadrática
$-4.9t^2 + 31.305 t - 50 = 0$, que tem raiz $t \approx 3.18$.
\end{exercise*}
\begin{remark*}
O fato é que esse problema precisa ser resolvido do zero
novamente. Tem formas muito mais fáceis de se raciocinar aí. A gente
resolveu o problema colocando a origem em $y = 0$, mas poderíamos
colocá-la no ápice da altura (ou seja, a 50 m do chão), onde $v_0 =
0$. Assim, o termo linear da quadrática some e obtemos a equação
%
\begin{align*}
-50 &= v_0 t + \fr{1}{2} a t^2\\
&= 0 \cdot t + \fr{1}{2} (-9.8) t^2\\
50 &= \fr{1}{2} (9.8) t^2\\
100 &= (9.8) t^2\\
t &= \sqrt{\left(\fr{100}{9.8}\right)}\\
t &= 3.1943,
\end{align*}
%
como desejado. Note que agora a posição desejada é $-50$ porque
colocamos o ápice da bola como $y = 0$ e então ela vai cair 50 metros,
ficando no lado negativo do eixo $y$.
\end{remark*}
\begin{remark*}
Sabe o que é curioso? Errei a aritmética quando computei o comentário
acima. Em vez de dividir 100 por 9.8, eu multipliquei 100 por 9.8,
obtendo 980, cuja raiz é exatamente $v_0$, a velocidade com que a bola
precisa partir pra chegar com velocidade zero a 50 metros. Sim, rolou
um momento de perplexidade.
\end{remark*}
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