Onde a demonstração não é deixada como exercício para o leitor.

Exercício 49, Capítulo 4, Fundamentos de Física Vol. 1: futebol americano

Halliday & Resnick

Fundamentos de Física – 10a Edição

Volume 1

Capítulo 4: Movimento em Duas e Três Dimensões

Exercício 49:

Enunciado:

O chute de um jogador de futebol americano imprime à bola uma velocidade inicial de 25 m/s. Quais são (a) o menor e (b) o maior ângulo de elevação que ele pode imprimir à bola para marcar um field goal a partir de um ponto situado… para ter acesso ao enunciado completo, cheque a disponibilidade do livro na biblioteca da sua instituição de ensino. O livro também pode ser adquirido através desse link.

Dados relevantes fornecidos no enunciado:

  • Um chute de um jogador imprime à bola velocidade inicial $v_0=25\;m/s$.
  • Item (a):

    O exercício nos pergunta o menor ângulo de elevação que o jogador pode imprimir à bola para marcar um fild goal a partir de um ponto a $x = 50\;m $ da meta cujo travessão está a uma altura de $y=3,44\;m$ em relação ao gramado. Estamos num problema de lançamento balístico, de modo que as equações de movimento para esse tipo de problema é:

    $$
    x = v_0 \cos\theta_0 t \;\;\;\;\;\;\;\;\; y=v_0\sin\theta_0t -\frac{gt^2}{2}
    \tag{1}$$

    Da primeira equação, podemos isolar o tempo, dando $t=x/v_0\cos\theta_0$ e substituir esse valor de tempo na expressão para $y$:

    $$
    y = x\tan\theta_0 – \frac{gx^2}{2v_0^2\cos^2\theta_0}
    \tag{2}$$

    Perceba que nessa expressão acima nós já conhecemos todos os parâmetros exceto o ângulo, que é a resposta do exercício. Para termos uma solução analítica para esse problema, vamos fazer uma transformação trigonométrica:

    $$
    \frac{1}{\cos^2\theta_0} = 1+\tan^2\theta_0
    \tag{3}$$

    A ideia de usar essa transformação é chegar em uma equação do segundo grau para $\theta_0$, no caso aqui, para $\tan\theta_0$ uma vez que esse tipo de equação nós sabemos resolver analiticamente (Bhaskara). Como já temos um termo em primeira ordem em $\tan\theta_0$ na equação de $y$, essa transformação acima vai nos dar um termo independente através do termo ($1$) e um termo quadrático vindo do termo $\tan^2\theta_0$.
    Fazendo a transformação, ficamos com:

    $$
    \frac{gx^2}{2v_0^2}\tan^2\theta_0 – x\tan\theta_0 + y + \frac{gx^2}{2v_0^2} = 0
    \tag{4}$$

    Para facilitar o cálculo, vamos calcular o termo constante $c=gx^2/2v_0^2$ que aparece em dois termos da equação do segundo grau.

    $$
    c = \frac{gx^2}{2v_0^2} = \frac{(9,8\;m/s^2)(50\;m)^2}{2(25\;m/s)^2} = 19,6\;m
    \tag{5}$$

    A equação do segundo grau portanto se torna:

    $$
    c\tan\theta_0 – x\tan\theta_0+y+c=0
    \tag{6}$$

    De acordo com a fórmula de Bhaskara, as soluções dessa equação são:

    $$
    \tan\theta_0 = \frac{x\pm\sqrt{x^2-4(c)(y+c)}}{2c} = \frac{50\;m\pm\sqrt{(50\;m)^2-4(3,44\;+19,6\;m)(19,6\;m)}}{2(19,6\;m)}
    \tag{7}$$

    As soluções são:

    $$
    \tan\theta_0=1,95 \;\;\;\;\;\;\;\; \tan\theta_0=0,6
    \tag{8}$$

    Perceba que essas duas soluções são exatamente os ângulos máximo e mínimo para que o jogador faça o gol. Nesse item, o exercício nos pede o menor ângulo, de modo que usamos o segundo resultado $\theta_0 = \tan^{-1}(0,6)$:

    $$
    \boxed{\theta_0=31^{\circ}}
    \tag{9}$$

    Item (b):

    Nesse item, o exercício nos pede o maior ângulo para o jogador fazer o gol. Como mostrado no item anterior, essa resposta é a segunda solução da equação do segundo grau resolvida. Portanto, o maior ângulo de elevação será $\theta_0=\tan^{-1}(1,95):$

    $$
    \boxed{\theta_0=63^{\circ}}
    \tag{10}$$

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