Grandezas compostas: velocidade, densidade e outras taxas

Em muitas situações, uma única medida não é suficiente para descrever um fenômeno. Para analisar o movimento de um veículo, por exemplo, relacionamos a distância percorrida ao tempo. Para caracterizar um material, relacionamos sua massa ao volume ocupado.

Essas relações originam as grandezas compostas. Neste estudo, aprenderemos a interpretar suas unidades, realizar conversões e resolver problemas envolvendo velocidade, densidade, vazão, consumo, produtividade e outras taxas.

Conhecimentos de base

EM13MAT314 — resolver e elaborar problemas que envolvem grandezas determinadas pela razão ou pelo produto de outras, como velocidade, densidade demográfica, energia elétrica e outras.

1. Grandezas simples e grandezas compostas

Uma grandeza simples pode ser expressa diretamente por uma medida, como 12 km, 5 kg ou 3 h. Uma grandeza composta é formada pela relação entre duas ou mais grandezas.

Grandeza compostaRelaçãoExemplo de unidade
Velocidadedistância por tempokm/h
Densidademassa por volumeg/cm³
Densidade demográficapopulação por áreahab./km²
Vazãovolume por tempoL/min
Rendimento de combustíveldistância por volumekm/L

A barra presente nessas unidades pode ser lida como “por”. Assim, 60 km/h significa 60 quilômetros por hora.

Exemplo — Interpretando uma velocidade

Um veículo percorre 120 km em 2 h. A distância e o tempo são grandezas simples. A relação entre elas produz a velocidade média:

120 ÷ 2 = 60 km/h

Isso significa que o veículo percorreu, em média, 60 km a cada hora.

velocidadedensidadevazãoprodutividade

Pratique

1. Classifique como simples ou composta: massa, tempo, distância, velocidade e vazão.

2. Explique o significado de 15 km/L e 80 hab./km².

3. Um ciclista percorreu a distância indicada no tempo mostrado. Calcule sua velocidade média.

36 km2 h
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1. Simples: massa, tempo e distância. Compostas: velocidade e vazão.

2. 15 km/L significa 15 quilômetros percorridos por litro de combustível. 80 hab./km² significa, em média, 80 habitantes por quilômetro quadrado.

3.

36 ÷ 2 = 18 km/h

A velocidade média foi de 18 km/h.

2. Relações por razão e por produto

Quando dividimos duas grandezas, obtemos uma taxa. Em uma vazão, por exemplo, dividimos o volume pelo tempo.

taxa = quantidade ÷ referência

Quando conhecemos a taxa e o valor de referência, recuperamos a quantidade por meio de uma multiplicação.

quantidade = taxa · referência
Exemplo — Do volume à vazão e da vazão ao volume

Uma torneira libera 18 L em 3 min. Sua vazão é:

18 ÷ 3 = 6 L/min

Se ela permanecer aberta durante 5 min, mantendo a mesma vazão:

6 · 5 = 30 L

Serão liberados 30 L.

18 L3 min

Pratique

1. Para calcular quilômetros por litro, deve-se dividir a distância pelo combustível ou multiplicar essas medidas?

2. Uma máquina produz 420 peças em 6 h. Qual é sua produtividade média?

3. Observe a taxa e o tempo de funcionamento. Determine o volume total.

8 L/min15 min
Ver respostas

1. Divide-se a distância pelo volume de combustível.

2.

420 ÷ 6 = 70 peças/h

3.

V = 8 · 15 = 120 L

O volume total é 120 L.

3. Velocidade média

A velocidade média relaciona a distância total percorrida ao tempo total gasto no percurso.

vm = Δs ÷ Δt

Nessa relação, Δs representa a distância percorrida e Δt, o intervalo de tempo. A velocidade média não indica que o móvel permaneceu com a mesma velocidade em todos os instantes.

Exemplo — Viagem entre duas cidades

Um automóvel saiu às 8h e chegou às 11h, depois de percorrer 240 km.

Δt = 11 h − 8 h = 3 h
vm = 240 ÷ 3 = 80 km/h

A velocidade média foi de 80 km/h.

8h11h240 km

Quando o tempo contém horas e minutos, devemos expressá-lo em uma única unidade. Por exemplo, 2 h 30 min = 2,5 h.

Pratique

1. Um ônibus percorreu 300 km em 5 h. Determine sua velocidade média.

2. Calcule a velocidade média indicada no percurso.

180 km7h10h

3. Um motociclista percorreu 150 km em 2 h 30 min. Qual foi sua velocidade média?

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1.

vm = 300 ÷ 5 = 60 km/h

2. O intervalo é de 3 h.

vm = 180 ÷ 3 = 60 km/h

3. 2 h 30 min = 2,5 h.

vm = 150 ÷ 2,5 = 60 km/h

4. Conversão entre km/h e m/s

Para converter velocidades, utilizamos:

1 km = 1 000 m
1 h = 3 600 s

Assim:

1 km/h = 1 000 m ÷ 3 600 s = 1 ÷ 3,6 m/s
km/h → m/s: dividir por 3,6
m/s → km/h: multiplicar por 3,6
Exemplo 1 — De km/h para m/s
72 ÷ 3,6 = 20

72 km/h = 20 m/s.

Exemplo 2 — De m/s para km/h
15 · 3,6 = 54

15 m/s = 54 km/h.

Pratique

1. Converta 90 km/h para m/s.

2. Converta 25 m/s para km/h.

3. Qual é maior: 108 km/h ou 25 m/s?

Ver respostas

1.

90 ÷ 3,6 = 25 m/s

2.

25 · 3,6 = 90 km/h

3. Convertendo 25 m/s:

25 · 3,6 = 90 km/h

Logo, 108 km/h é maior.

5. Problemas envolvendo velocidade

A relação entre velocidade, distância e tempo pode ser escrita de três formas:

v = d ÷ t
d = v · t
t = d ÷ v

Antes de calcular, verifique se as unidades são compatíveis.

Exemplo 1 — Calculando a distância

Um automóvel mantém velocidade média de 90 km/h durante 2 h 30 min. Como 2 h 30 min = 2,5 h:

d = 90 · 2,5 = 225 km
Exemplo 2 — Percurso em duas etapas

Um veículo percorre 100 km em 2 h e depois 120 km em 3 h. A velocidade média total não é obtida pela média simples das velocidades das etapas.

dtotal = 100 + 120 = 220 km
ttotal = 2 + 3 = 5 h
vm = 220 ÷ 5 = 44 km/h
100 km2 h120 km3 h

Pratique

1. Um trem viaja a 80 km/h durante 3,5 h. Qual distância percorre?

2. Um ciclista percorre 36 km com velocidade média de 12 km/h. Quanto tempo dura o percurso?

3. Calcule a velocidade média de todo o percurso.

90 km em 1 h150 km em 3 h
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1.

d = 80 · 3,5 = 280 km

2.

t = 36 ÷ 12 = 3 h

3.

dtotal = 90 + 150 = 240 km
ttotal = 1 + 3 = 4 h
vm = 240 ÷ 4 = 60 km/h

6. Densidade de um material

A densidade indica quanta massa existe em determinado volume de um material.

ρ = m ÷ V

As unidades mais comuns são g/cm³ e kg/m³. Uma densidade de 2,7 g/cm³ significa que cada centímetro cúbico do material possui massa de 2,7 g.

Exemplo — Calculando a densidade

Um objeto tem massa de 540 g e volume de 200 cm³.

ρ = 540 ÷ 200 = 2,7 g/cm³
540 g200 cm³

Para a mesma massa, o material que ocupa menor volume apresenta maior densidade.

Pratique

1. Calcule a densidade do objeto representado.

600 g300 cm³

2. Um material possui massa de 1 560 g e volume de 200 cm³. Determine sua densidade.

3. Os blocos têm a mesma massa. Qual deles apresenta maior densidade?

600 g600 g200 cm³300 cm³
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1.

ρ = 600 ÷ 300 = 2 g/cm³

2.

ρ = 1 560 ÷ 200 = 7,8 g/cm³

3. O primeiro bloco.

600 ÷ 200 = 3 g/cm³
600 ÷ 300 = 2 g/cm³

7. Problemas envolvendo massa, volume e densidade

A partir da definição de densidade, podemos determinar qualquer uma das três grandezas:

ρ = m ÷ V
m = ρ · V
V = m ÷ ρ
Exemplo 1 — Determinando a massa

Um líquido possui densidade de 1,2 g/cm³ e ocupa 250 cm³.

m = 1,2 · 250 = 300 g

A massa do líquido é 300 g.

250 cm³ρ = 1,2 g/cm³
Exemplo 2 — Determinando o volume

Um objeto de 780 g possui densidade de 7,8 g/cm³.

V = 780 ÷ 7,8 = 100 cm³

Conversão entre g/cm³ e kg/m³

Como 1 kg = 1 000 g e 1 m³ = 1 000 000 cm³:

1 g/cm³ = 1 000 kg/m³

De g/cm³ para kg/m³, multiplicamos por 1 000. No sentido contrário, dividimos por 1 000.

2,7 g/cm³ = 2,7 · 1 000 = 2 700 kg/m³

Pratique

1. Um líquido tem densidade de 0,8 g/cm³ e volume de 500 cm³. Determine sua massa.

2. Um objeto tem massa de 900 g e densidade de 3 g/cm³. Determine seu volume.

3. Observe os dados do recipiente. Calcule a massa e converta a densidade para kg/m³.

ρ = 1,5 g/cm³V = 200 cm³
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1.

m = 0,8 · 500 = 400 g

2.

V = 900 ÷ 3 = 300 cm³

3.

m = 1,5 · 200 = 300 g
1,5 · 1 000 = 1 500 kg/m³

8. Densidade demográfica

A densidade demográfica relaciona o número de habitantes de uma região à sua área territorial.

Dd = P ÷ A

Nessa expressão, P representa a população e A, a área. A unidade mais utilizada é habitante por quilômetro quadrado (hab./km²).

Exemplo — Comparando dois municípios

O município A possui 120 000 habitantes em 200 km². O município B possui 180 000 habitantes em 600 km².

Município A: 120 000 ÷ 200 = 600 hab./km²
Município B: 180 000 ÷ 600 = 300 hab./km²

Embora B tenha maior população, A possui maior densidade demográfica.

A: 120 000 hab.; 200 km²B: 180 000 hab.; 600 km²

Uma densidade de 600 hab./km² representa uma média. Isso não significa que os habitantes estejam distribuídos uniformemente pelo território.

Pratique

1. Uma cidade possui 250 000 habitantes e área de 500 km². Calcule sua densidade demográfica.

2. Uma região de 300 km² apresenta densidade de 80 hab./km². Qual é sua população?

3. Calcule as densidades e identifique a região mais densamente povoada.

90 000 habitantes150 km²160 000 habitantes400 km²Região ARegião B
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1.

250 000 ÷ 500 = 500 hab./km²

2.

P = 80 · 300 = 24 000 habitantes

3.

A: 90 000 ÷ 150 = 600 hab./km²
B: 160 000 ÷ 400 = 400 hab./km²

A região A é mais densamente povoada.

9. Vazão

A vazão relaciona o volume de um líquido ao tempo de escoamento.

Q = V ÷ t
V = Q · t
t = V ÷ Q

As unidades mais utilizadas são L/min, L/s, m³/h e m³/s. Uma vazão de 8 L/min significa que escoam 8 litros a cada minuto.

Exemplo — Enchendo um reservatório

Uma torneira despeja 120 L em 15 min.

Q = 120 ÷ 15 = 8 L/min

Se a torneira permanecer aberta por 25 min:

V = 8 · 25 = 200 L
120 L15 min

Pratique

1. Uma bomba transfere 900 L em 30 min. Qual é sua vazão?

2. Uma torneira de vazão 12 L/min permanece aberta por 2 h. Qual volume é despejado?

3. Leia o volume e o tempo indicados e calcule a vazão.

360 L12 min
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1.

Q = 900 ÷ 30 = 30 L/min

2. Primeiro, 2 h = 120 min.

V = 12 · 120 = 1 440 L

3.

Q = 360 ÷ 12 = 30 L/min

10. Outras taxas: consumo, produtividade e custo por unidade

Rendimento de combustível

O rendimento em km/L relaciona a distância percorrida ao volume de combustível consumido.

R = d ÷ C
Exemplo — Consumo de combustível

Um automóvel percorreu 480 km consumindo 40 L.

R = 480 ÷ 40 = 12 km/L

Para percorrer 300 km com o mesmo rendimento:

C = 300 ÷ 12 = 25 L
480 km40 L

Produtividade

A produtividade relaciona a quantidade produzida ao tempo empregado.

P = quantidade ÷ tempo
840 peças ÷ 7 h = 120 peças/h

Custo por unidade

O custo unitário é calculado dividindo o custo total pela quantidade.

Cu = Ct ÷ quantidade
R$ 72,00 ÷ 24 = R$ 3,00 por unidade

Para comparar taxas, elas precisam estar expressas na mesma unidade.

Pratique

1. Observe o painel. Calcule o rendimento do automóvel e o combustível necessário para percorrer 270 km nas mesmas condições.

360 km30 Ldistânciacombustível

2. Compare as produtividades das máquinas.

Máquina A300 peças em 5 hMáquina B210 peças em 3 h

3. Uma caixa com 18 unidades custa R$ 63,00. Qual é o custo unitário e quanto custariam 30 unidades pelo mesmo preço?

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1.

R = 360 ÷ 30 = 12 km/L
C = 270 ÷ 12 = 22,5 L

2.

A: 300 ÷ 5 = 60 peças/h
B: 210 ÷ 3 = 70 peças/h

A máquina B possui maior produtividade.

3.

63 ÷ 18 = R$ 3,50
3,50 · 30 = R$ 105,00

11. Problemas integrando grandezas compostas

Em problemas integradores, identifique o que é solicitado, organize os dados, compatibilize as unidades, escolha as relações adequadas e interprete cada resultado.

Exemplo 1 — Viagem e combustível

Um automóvel percorre 360 km com velocidade média de 90 km/h e rendimento de 12 km/L.

Duração: 360 ÷ 90 = 4 h
Combustível: 360 ÷ 12 = 30 L

A viagem dura 4 h e consome 30 L.

360 km90 km/h12 km/L
Exemplo 2 — Produção, massa e custo

Uma fábrica produz 150 embalagens por hora. Cada embalagem contém 400 g, e o produto custa R$ 8,00 por quilograma. Em 6 h:

Quantidade: 150 · 6 = 900 embalagens
Massa: 900 · 400 = 360 000 g = 360 kg
Custo: 360 · 8 = R$ 2.880,00

Pratique

1. Calcule a duração da viagem e o combustível consumido.

420 km70 km/h14 km/Ldistânciavelocidaderendimento

2. Um reservatório de 3 600 L será preenchido por uma bomba de vazão 30 L/min. Determine o tempo em minutos e em horas.

3. Uma fábrica produz 240 embalagens por hora durante 5 h. Cada embalagem contém 250 g, e o produto custa R$ 6,00 por quilograma. Determine a quantidade de embalagens, a massa total em quilogramas e o custo.

Ver respostas

1.

t = 420 ÷ 70 = 6 h
C = 420 ÷ 14 = 30 L

2.

t = 3 600 ÷ 30 = 120 min
120 ÷ 60 = 2 h

3.

240 · 5 = 1 200 embalagens
1 200 · 250 = 300 000 g = 300 kg
300 · 6 = R$ 1.800,00

12. Revisão e aprofundamento

Resolva as questões e, depois, consulte o gabarito detalhado.

1.

Observe a situação. Qual grandeza composta está representada e qual é seu valor?

150 km3 h
A) Vazão de 50 L/min.
B) Velocidade média de 50 km/h.
C) Densidade de 450 kg/m³.
D) Velocidade média de 450 km/h.
2.

Uma máquina produz 480 peças em 6 h. Mantendo a produtividade, quantas peças produzirá em 9 h?

A) 540
B) 640
C) 720
D) 800
3.

Determine a velocidade média no percurso representado.

270 km8h11h
A) 60 km/h
B) 75 km/h
C) 90 km/h
D) 135 km/h
4.

A velocidade de 20 m/s corresponde a:

A) 36 km/h
B) 54 km/h
C) 72 km/h
D) 90 km/h
5.

Calcule a densidade do objeto representado.

780 g100 cm³
A) 0,78 g/cm³
B) 7,8 g/cm³
C) 78 g/cm³
D) 780 g/cm³
6.

Um líquido possui densidade de 1,2 g/cm³ e volume de 400 cm³. Sua massa e sua densidade em kg/m³ são, respectivamente:

A) 480 g e 120 kg/m³
B) 480 g e 1 200 kg/m³
C) 333,3 g e 1 200 kg/m³
D) 4 800 g e 12 000 kg/m³
7.

Qual município apresenta maior densidade demográfica?

120 000 habitantes200 km²210 000 habitantes500 km²Município AMunicípio B
A) A, com 600 hab./km².
B) A, com 420 hab./km².
C) B, com 600 hab./km².
D) B, com 1 050 hab./km².
8.

Uma bomba de vazão 25 L/min deve preencher um reservatório de 3 000 L. O tempo necessário será:

A) 75 min
B) 100 min
C) 120 min
D) 150 min
9.

Calcule o rendimento do automóvel.

540 km45 Ldistânciacombustível
A) 10 km/L
B) 12 km/L
C) 15 km/L
D) 20 km/L
10.

Uma fábrica produz 180 frascos por hora durante 5 h. Cada frasco contém 300 g de um produto que custa R$ 4,00 por quilograma. Qual é o custo total do produto utilizado?

A) R$ 540,00
B) R$ 900,00
C) R$ 1.080,00
D) R$ 1.200,00
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1. Alternativa B

A distância dividida pelo tempo fornece a velocidade média.

vm = 150 ÷ 3 = 50 km/h

2. Alternativa C

Produtividade: 480 ÷ 6 = 80 peças/h
Produção: 80 · 9 = 720 peças

3. Alternativa C

Δt = 11 h − 8 h = 3 h
vm = 270 ÷ 3 = 90 km/h

4. Alternativa C

20 · 3,6 = 72 km/h

5. Alternativa B

ρ = 780 ÷ 100 = 7,8 g/cm³

6. Alternativa B

m = 1,2 · 400 = 480 g
1,2 · 1 000 = 1 200 kg/m³

7. Alternativa A

A: 120 000 ÷ 200 = 600 hab./km²
B: 210 000 ÷ 500 = 420 hab./km²

O município A apresenta maior densidade demográfica.

8. Alternativa C

t = 3 000 ÷ 25 = 120 min

Esse intervalo também corresponde a 2 h.

9. Alternativa B

R = 540 ÷ 45 = 12 km/L

10. Alternativa C

Quantidade: 180 · 5 = 900 frascos
Massa: 900 · 300 = 270 000 g = 270 kg
Custo: 270 · 4 = R$ 1.080,00
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