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Título: Modelagem matemática do movimento bidimensional de projéteis sob a resistência do ar
Título(s) alternativo(s): Mathematical modeling of two-dimensional projectile movement under air resistance
Autor(es): Bentes, Leonardo Pessoa
Orientador(es): Michiles, Alessandro Augusto dos Santos
Palavras-chave: Lançamento de projéteis;Dinâmica;Resistência do ar;Projectile launch;Dynamics;Air resistance
Data do documento: 27-Fev-2024
Editor: Universidade do Estado do Amazonas
Citação: BENTES, Leonardo Pessoa. Modelagem matemática do movimento bidimensional de projéteis sob a resistência do ar. 2024. 90 f. TCC (Graduação em Matemática) - Universidade do Estado do Amazonas, Manaus.
Resumo: O estudo dos lançamentos de projéteis, tanto no Ensino Médio quanto no Superior, é estruturado para o caso no vácuo, utilizando-se conceitos da Cinemática, o que produz diferenças em relação às observações reais, que ocorrem sob o efeito da resistência do ar. Deste modo, o objetivo desta pesquisa foi desenvolver um estudo físico-matemático, por meio da Dinâmica, e estruturar um modelo que descreva com mais precisão, as principais características do movimento bidimensional de projéteis sob a resistência do ar, através das equações do movimento horizontal e vertical, bem como as equações para o tempo de subida, a altura máxima, o tempo de voo, o alcance e a trajetória. Para tanto, utilizaram se os métodos de solução de equações diferenciais, a expansão em série de Taylor, o cálculo numérico e simulações, com o Excel e o Geogebra. Para essas simulações, escolheram-se três corpos esféricos distintos (bolas de gude, bilhar e futebol), fazendo análises comparativas com lançamentos no vácuo e discutindo os resultados para cada um dos corpos, individualmente. Dadas as dificuldades matemáticas impostas pela determinação do tempo de voo, desenvolveram-se três métodos para a sua obtenção. Dois deles por expansão em série de Taylor, resultando em equações de segundo (boa aproximação) e quarto (excelente aproximação) graus. O terceiro, e mais simples, consiste, somente, em multiplicar o tempo de subida pelo fator 2,2, produzindo um resultado aproximado para o alcance. Por fim, construiu-se um lançador de projéteis, com material de baixo custo, para a validação e comparação do modelo teórico. Os principais resultados mostram que os valores determinados pelo modelo matemático aproximaram se, satisfatoriamente, daqueles medidos no experimento com o lançador. Portanto, as equações, estabelecidas neste trabalho, apresentam aplicabilidade para problemas que envolvam lançamentos, com descrição bidimensional, de projéteis esféricos sob a resistência do ar, sem a ocorrência de ventos. Palavras-Chave: Lançamento de Projéteis; Dinâmica; Resistência do Ar.
Abstract: The study of projectile launches, both in secondary and higher education, is structured for the case of structured for the case of a vacuum, using concepts from kinematics. differences in relation to real observations, which occur under the effect of air resistance. In this way, the aim of this research was to develop a physical-mathematical study, using Dynamics, and to structure a model that more accurately describes the main characteristics of two-dimensional projectile movement under air resistance, using the equations of horizontal and vertical movement, as well as the equations for ascent time, maximum height, flight time, range and trajectory. To do this, we used the methods for solving differential equations, Taylor's series expansion, numerical calculation and simulations using Excel and Geogebra. For these simulations, three different spherical bodies were chosen (marbles, billiards and footballs), making comparative with vacuum launches and discussing the results for each of the bodies individually. bodies individually. Given the mathematical difficulties imposed by time of flight, three methods have been developed to obtain it. Two of them are Taylor series expansions, resulting in second (good approximation) and fourth (excellent approximation) degree equations. (good approximation) and fourth (excellent approximation) degree equations. The third, and simplest, consists only of multiplying the ascent time by the factor 2.2, producing an result for the range. Finally, a projectile launcher was built using low-cost materials to validate and compare the theoretical model. The main results show that the values determined by the mathematical model were satisfactorily close to those measured in the experiment with the launcher. Therefore, the equations established in this work are therefore applicable to problems involving problems involving two-dimensional launches of spherical projectiles under air resistance, without air resistance, without the occurrence of winds. Keywords: Projectile Launching; Dynamics; Air Resistance.
URI: http://repositorioinstitucional.uea.edu.br//handle/riuea/5807
Aparece nas coleções:ENS - Trabalho de Conclusão de Curso de Graduação

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