Determine a intensidade, a direção e o sentido da força F = -(1.080 N) i - (1.440 N) j + (2.700 N) k.

Questão

Determine a intensidade, a direção e o sentido da força F = -(1.080 N) i - (1.440 N) j + (2.700 N) k.

Resposta

97%

Intensidade (módulo)

A força é F=1080ı^1440ȷ^+2700k^  (N).\vec F = -1080\,\hat\imath -1440\,\hat\jmath +2700\,\hat k\;\text{(N)}. O módulo é F=(1080)2+(1440)2+(2700)2|\vec F|=\sqrt{(-1080)^2+(-1440)^2+(2700)^2} F=1,166,400+2,073,600+7,290,000|\vec F|=\sqrt{1{,}166{,}400+2{,}073{,}600+7{,}290{,}000} F=10,530,0003,245N.|\vec F|=\sqrt{10{,}530{,}000}\approx 3{,}245\,\text{N}.

Direção e sentido

O vetor unitário (direção) na direção de F\vec F é u^F=FF.\hat u_F=\frac{\vec F}{|\vec F|}. Logo, u^F(10803245)ı^+(14403245)ȷ^+(27003245)k^\hat u_F \approx \left(\frac{-1080}{3245}\right)\hat\imath+\left(\frac{-1440}{3245}\right)\hat\jmath+\left(\frac{2700}{3245}\right)\hat k u^F0,333ı^0,444ȷ^+0,832k^.\hat u_F \approx -0{,}333\,\hat\imath-0{,}444\,\hat\jmath+0{,}832\,\hat k.

Isso indica o sentido: componente negativa em xx (para ı^-\hat\imath), negativa em yy (para ȷ^-\hat\jmath) e positiva em zz (para +k^+\hat k).

Se quiser em ângulos diretores (α,β,γ\alpha,\beta,\gamma) com os eixos x,y,zx,y,z: cosα=FxF0,333α109,5\cos\alpha=\frac{F_x}{|\vec F|}\approx -0{,}333\Rightarrow \alpha\approx 109{,}5^\circ cosβ=FyF0,444β116,4\cos\beta =\frac{F_y}{|\vec F|}\approx -0{,}444\Rightarrow \beta\approx 116{,}4^\circ cosγ=FzF0,832γ33,7.\cos\gamma=\frac{F_z}{|\vec F|}\approx 0{,}832\Rightarrow \gamma\approx 33{,}7^\circ.

Alternativa correta: (sem alternativas).

Explicação

A força vetorial é dada por suas componentes cartesianas: F=1080ı^1440ȷ^+2700k^  (N).\vec F = -1080\,\hat\imath -1440\,\hat\jmath +2700\,\hat k\;\text{(N)}.

1) Intensidade (módulo) O módulo de um vetor em 3D é F=Fx2+Fy2+Fz2.|\vec F|=\sqrt{F_x^2+F_y^2+F_z^2}. Substituindo: F=(1080)2+(1440)2+(2700)2.|\vec F|=\sqrt{(-1080)^2+(-1440)^2+(2700)^2}. Calculando os quadrados:

  • (1080)2=1,166,400(-1080)^2=1{,}166{,}400
  • (1440)2=2,073,600(-1440)^2=2{,}073{,}600
  • (2700)2=7,290,000(2700)^2=7{,}290{,}000

Somando: F=10,530,0003245N.|\vec F|=\sqrt{10{,}530{,}000}\approx 3245\,\text{N}.

2) Direção (vetor unitário) A direção pode ser expressa pelo vetor unitário na mesma direção de F\vec F: u^F=FF.\hat u_F=\frac{\vec F}{|\vec F|}. Então: u^F10803245ı^+14403245ȷ^+27003245k^\hat u_F\approx \frac{-1080}{3245}\,\hat\imath+\frac{-1440}{3245}\,\hat\jmath+\frac{2700}{3245}\,\hat k u^F0,333ı^0,444ȷ^+0,832k^.\hat u_F\approx -0{,}333\,\hat\imath-0{,}444\,\hat\jmath+0{,}832\,\hat k.

3) Sentido O sentido é indicado pelos sinais das componentes:

  • Fx<0F_x<0 → aponta para o semieixo negativo de xx (ı^-\hat\imath);
  • Fy<0F_y<0 → aponta para o semieixo negativo de yy (ȷ^-\hat\jmath);
  • Fz>0F_z>0 → aponta para o semieixo positivo de zz (+k^+\hat k).

(Opcional) Ângulos diretores cosα=FxF,cosβ=FyF,cosγ=FzF.\cos\alpha=\frac{F_x}{|\vec F|},\quad \cos\beta=\frac{F_y}{|\vec F|},\quad \cos\gamma=\frac{F_z}{|\vec F|}. Logo:

  • αarccos(0,333)109,5\alpha\approx \arccos(-0{,}333)\approx 109{,}5^\circ
  • βarccos(0,444)116,4\beta\approx \arccos(-0{,}444)\approx 116{,}4^\circ
  • γarccos(0,832)33,7\gamma\approx \arccos(0{,}832)\approx 33{,}7^\circ

Alternativa correta: (sem alternativas).

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