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Impulso e quantidade de movimento: entenda o que é e como se calcula

Física - Manual do Enem
Gabriel Briguiet Publicado por Gabriel Briguiet
 -  Última atualização: 29/10/2024

Introdução

Impulso e quantidade de movimento são conceitos fundamentais na física, especialmente no estudo da mecânica e dinâmica de objetos. Ambos estão intrinsecamente relacionados e desempenham um papel crucial na análise do movimento e interações de corpos.

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Índice

O que significa impulso e quantidade de movimento?

Impulso e quantidade de movimento são grandezas físicas que relacionam força, velocidade e massa, úteis no estudo do movimento dos corpos. Ambas são grandezas vetoriais, portanto possuem módulo, direção e sentido.

impulso de uma força é definido como a força multiplicada pelo intervalo de tempo em que ela atua sobre o corpo.

I=FΔt

No Sistema Internacional, sua unidade é o newton segundo (N.s).

A direção e o sentido do impulso são os mesmos da força atuante, pois o intervalo de tempo é um escalar positivo. 

quantidade de movimento linear, também conhecida como momento linearmomentum linear ou momentum, é definida como o produto da massa de um corpo por sua velocidade. 

Q=mv

No Sistema Internacional, a unidade para a quantidade de movimento é quilograma metro por segundo (kg.m/s).

A direção e o sentido da quantidade de movimento são os mesmos da força atuante, pois a massa é um escalar positivo. 

Exemplos 

Considere um corpo de massa 2 kg, em repouso sobre uma superfície horizontal. Sobre ela age uma força constante, de módulo 6 N, durante 3 segundos. No final desses dois segundos, o corpo apresenta velocidade de 9 m/s. Determine:

  • a quantidade de movimento inicial;
  • a quantidade de movimento final;
  • a variação da quantidade de movimento;
  • o impulso da força durante os 3 segundos de atuação;
  • a aceleração causada pela força aplicada;
  • a distância percorrida durante os 3 segundos.

Resolução: 

  • Como a velocidade inicial é nula (corpo em repouso):

Qi=20Qi=0

     b)   Qf=2kg9m/sQf=18kgm/s

    (na mesma direção e sentido da velocidade e da força)

    c)   ΔQ=QfQi=180ΔQ=18kgm/s

     d) I=FΔt=6N3sI=18N.s

    (na mesma direção e sentido da força)

     e) Lembrando de conceitos da cinemática, temos:

a=ΔVΔt=90m/s3sa=3m/s2

Ou, pela segunda lei de newton:

F=ma6=2a 

a=3m/s2

     f) Também retomando conceitos da cinemática:

    S=S0+v0t+at22S=0+0.3+3.322 

S=13,5m

Alternativamente, também pode ser resolvido pela equação de Torricelli:

v2=v20+2aΔS92=0+23ΔS

6ΔS=81ΔS=13,5m

Obteve-se o mesmo resultado nos itens c e d, da variação da quantidade de movimento e do impulso. Isso vem de um importante teorema.

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Teorema do Impulso

O teorema do impulso estabelece que o impulso resultante é igual a variação da quantidade de movimento do corpo.

I=ΔQ=QfQi

ou, equivalentemente:

FΔt=mΔv

Demonstração

Partindo da segunda lei de Newton: e sabendo que a=ΔvΔt

F=maF=mΔvΔt

Como Δv=vfvi :

FΔt=m(vfvi)FΔt=QfQi

Utilizando a definição de impulso, chega-se finalmente a:

I=ΔQ

Na verdade, quando Isaac Newton deduziu sua famosa segunda lei, ela foi escrita no formato do teorema do impulso: FΔt=mΔv. Posteriormente, ela foi rearranjada para o formato que conhecemos: vecF=ma.

Exemplo: Ao bater um pênalti, um jogador de futebol dá um chute em que a bola, de massa 420 gramas, sai com velocidade de 30 m/s. Supondo que o tempo de contato entre o pé do jogador e a bola seja de 0,05 segundo, determine a força que foi exercida pelo jogador sobre a bola.

Resolução: Convertendo a massa para quilogramas (SI), e sabendo que inicialmente a bola estava em repouso (na marca do pênalti):

FΔt=mΔvF0,05=0,420kg30m/s

F=0,42300,05F=252N

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Conservação da quantidade de movimento

No exemplo anterior, a quantidade de movimento da bola aumentou devido a ação de um impulso resultante nela. Contudo, se um corpo (ou sistema) estiver isolado, isto é, sem a ação de forças externas resultantes, o impulso resultante é nulo. Então, pelo teorema do impulso, a variação da quantidade de movimento é nula. Logo, pode-se concluir que:

Em um sistema isolado (sem ação de forças externas), a quantidade de movimento total se conserva.

Qantes=Qdepois

ou

Qi=Qf

Um exemplo simples da conservação da quantidade de movimento é a colisão entre dois veículos. Em colisões desse tipo, desprezando o atrito, as únicas forças atuantes são internas (entre os dois corpos que compõem o sistema). As forças externas presentes são peso e força normal, mas essas forças se anulam, e não geram impulso nos corpos.

Exemplo: suponha que um caminhão, que trafegava à velocidade v colidiu com um carro de massa 1500 kg que estava parado no semáforo. Após a colisão, ambos saíram a 5 m/s. Sabendo que a massa do caminhão era de 6000 kg, e que a colisão durou 0,2 segundo, determine:

  • a qual velocidade o caminhão trafegava;
  • qual a força que o caminhão fez no carro;
  • qual a força que o carro fez no caminhão.

Resolução: 

  • Considera-se o sistema carro+caminhão. Durante a colisão só atuaram forças entre os componentes do sistema (forças entre o carro e o caminhão). Assim, a quantidade de movimento é conservada!

    Qantes=QdepoisMv+m0=M5+m5

6000v+15000=60005+150056000v=30000+7500

6000v=37500v=6,25m/s

      b) Para descobrir a força, consideramos agora o carro e o caminhão como sistemas isolados. Assim, aplicando o teorema do impulso para o carro:

FΔt=mΔvFΔt=1500(vfvi)

F0,2=1500(50)F=150050,2

F=37500N

       c) Pela 3ª Lei de Newton (ação e reação), a força que o carro fez no caminhão é igual, em módulo, a força que o caminhão fez no carro.

Assim, F=37500N

Gráfico F x t

Sabe-se que o módulo do impulso é igual ao produto da força pelo intervalo de tempo. Mas e se o valor da força não for constante durante o tempo considerado? Ou seja, se a força for variável ao longo do tempo. Uma alternativa é utilizar um valor de força média, de maneira que:

I=FmΔt

Entretanto, o que é mais utilizado é o gráfico F x t. Tendo esse gráfico, pode-se calcular a área sob a curva da força para descobrir o impulso! (De maneira semelhante a como se calcula a área do gráfico v x t para descobrir o deslocamento, em cinemática, ou como se calcula a área do gráfico i x t para descobrir a carga, em eletrodinâmica).

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Qual a relação entre impulso e quantidade de movimento?

A relação entre impulso e quantidade de movimento é dada pelo princípio da conservação da quantidade de movimento, que afirma que, em um sistema fechado e isolado, a quantidade total de movimento permanece constante se não houver forças externas atuando sobre o sistema. O impulso fornecido a um objeto é igual à mudança em sua quantidade de movimento, uma relação fundamental na análise de colisões e interações entre objetos.

Estes conceitos são essenciais para entender como objetos se movem e interagem em nosso mundo, desde o simples ato de chutar uma bola até o complexo estudo de colisões em física de partículas.

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Exercício de fixação
Passo 1 de 3
PUC-PR/2007

Um trenó de massa 40 kg desliza a uma velocidade de 5,0 m/s, próximo e paralelamente ao peitoril da pista de patinação. Uma pessoa que está em repouso do lado de fora da pista, solta uma mochila de 10 kg, sobre o trenó. Qual a velocidade do trenó após receber a mochila?

A 5,0 m/s
B 4,0 m/s
C 4,5 m/s
D 3,0 m/s
E 3,5 m/s
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