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

Exercício 62, Capítulo 8, Fundamentos de Física Vol. 1: pista

Halliday & Resnick

Fundamentos de Física – 10a Edição

Capítulo 8: Energia Potencial e Conservação da Energia

Exercício 62:

Enunciado:

Na Fig. 8-55, um bloco desliza em uma pista sem atrito até chegar a um trecho de comprimento $L = 0,75 \;m$, que começa a uma altura $h = 2,0 \; m$ em uma rampa de ângulo $\theta = 30^{\circ}$. Nesse trecho, o coeficiente de atrito cinético é 0,40. O bloco passa pelo ponto A com uma velocidade de 8,0 m/s. Se o bloco pode… 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:

  • Bloco desliza numa pista e chega num trecho de comprimento $L=0,75\;m$, que começa na altura $h=2\;m$ numa rampa com inclinação de $\theta=30^\circ$, nesse trecho, $\mu_k=0,4$;
  • O bloco passa no ponto A com $v_A = 8\;m/s$;
  • Ponto B é onde o atrito termina.
  • Item Único:

    O exercício nos pergunta a velocidade no ponto B se o bloco chegar nesse ponto. Caso não chegue, ele pergunta qual a maior altura que o bloco atinge acima de do ponto A (veja a Figura 8-55 do livro).

    Primeiramente, vamos calcular a velocidade do bloco no momento em que ele encontra o trecho com atrito (vamos chamar esse ponto de ponto C. Uma vez que de A a C não há atrito, a velocidade vai diminuir apenas devido a perda de energia cinética para energia potencial gravitacional devido ao aumento de altura do bloco. Podemos calcular a velocidade em C ($v_C$) através da equação de Toricelli:

    $$
    v_C = \sqrt{v_A^2 -2gh} = \sqrt{(8\;m/s)^2-2(9,8m/s^2)(2\;m)} = 5\;m/s
    \tag{1}$$

    Assim, podemos pensar o restante do exercício como sendo o trecho de C a B. Agora, vamos deduzir se o bloco chega no ponto B ou não. Digamos que ele não chegue ao ponto B. Isso quer dizer que toda a energia cinética do bloco será transformada em energia potencial gravitacional e perdida devido ao trabalho realizado pela força de atrito.

    Vamos supor então que o bloco percorra uma distância $d$ com $d \lt L$, de modo que a altura do bloco a partir do ponto C (no início do trecho com atrito) até a distância $d$ é dada por $h_d = dsen\theta$.

    Escrevendo então o balanço de energia comentado acima, temos:

    $$
    K_C = mgh_d + f_kd
    \tag{2}$$

    Fazendo que $K_C = mv_C^2/2$ e que $f_k = \mu N = \mu_k mgcos\theta$, ficamos com:

    $$
    \frac{mv_C^2}{2}=mgdsen\theta+\mu_kmgdcos\theta
    \tag{3}$$

    Cortando os termos de massa e isolando $d$, temos:

    $$
    d = \frac{v_C^2}{2g(sen\theta+\mu_kcos\theta)} = \frac{(5\;m/s)^2}{2(9,8\;m/s^2)(sen30^\circ+0,4\;cos30^\circ)} = 1,49\;m
    \tag{4}$$

    Perceba que assumindo que $d \lt L$, chegamos em um valor de $d \gt L$ pois $1,49 \gt 0,75$. Ou seja, nossa suposição está errada e o bloco passa do trecho com atrito. Então, devemos responder qual a velocidade no ponto B já que o bloco passa desse ponto.

    Então, agora podemos fazer uma nova equação de balanco de energias. Como ele passa pelo ponto B, nesse ponto o bloco terá uma energia cinética. Esse energia cinética será a energia cinética que ele tinha no ponto C menos a energia potencial gravitacional devido a subida da rampa de uma distância L (perceba que do ponto C ao ponto B, a distância é L) e ainda, devemos subtrair o trabalho feito pela força de atrito nesse trecho:

    $$
    \frac{mv_B^2}{2} = \frac{mv_C^2}{2} – (mgLsen\theta+\mu_kmgLcos\theta)
    \tag{5}$$

    Isolando a velocidade em B:

    $$
    v_B = \sqrt{v_C^2-2gL(sen\theta+\mu_kcos\theta)} = \sqrt{(5\;m/s)^2-2(9,8\;m/s^2)(0,75\;m)(sen30^\circ+0,4cos30^\circ)}
    \tag{6}$$

    O que nos dá o resultado final:

    $$
    \boxed{v_B = 3,5\;m/s}
    \tag{7}$$

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