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

Exercício 66, Capítulo 11, Fundamentos de Física Vol. 1: pequeno bloco

Halliday & Resnick

Fundamentos de Física – 10a Edição

Capítulo 11: Rolagem, Torque e Momento Angular

Exercício 66:

Enunciado:

Na Fig. 11-58, um pequeno bloco de 50 g desliza para baixo em uma superfície curva, sem atrito, a partir de uma altura $h = 20 \; cm$ e depois adere a uma barra homogênea, de massa 100 g e comprimento 40 cm. A barra gira de um ângulo $\theta$ em torno do ponto $O$ antes de parar momentaneamente…. 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 pequeno bloco de massa $m=0,05\;kg$ desliza para baixo em uma superfície curva;
  • A superfície é sem atrito e o bloco desce de uma altura $h=0,2\;m$;
  • O bloco adere a uma barra homogênea de massa $M=0,1\;kg$ e $d=0,4\;m$;
  • A barra gira de um ângulo $\theta$ em torno do ponto O e para momentaneamente.
  • Item Único:

    O exercício nos pede para determinar o ângulo $\theta$. A Figura 11-58 do livro exemplifica a situação. Primeiramente, podemos aplicar conservação de energia mecânica no bloco descendo a rampa para sabermos a velocidade com que ele chega na barra. Como ele parte do repouso e sem atrito, temos apenas energia potencial se transformando em cinética:

    $$
    mgh = \frac{mv^2}{2} \Longrightarrow v = \sqrt{2gh}
    \tag{1}$$

    Agora, para a colisão do bloco com a barra, podemos aplicar a lei da conservação de momento angular, uma vez que não há forças externas ao sistema. O momento angular antes da colisão é apenas o momento angular associado ao bloco que está uma distância $d$ do eixo de rotação da barra. Depois da colisão, o sistema bloco + barra irá girar com velocidade angular $\omega$, de modo que podemos escrever:

    $$
    L_i = L_f \Longrightarrow mvd = (I_{barra}+md^2)\omega
    \tag{2}$$

    Podemos calcular o momento de inércia da barra consultando a Tabela 10-2(e) do livro e utilizando o Teorema dos eixos paralelos:

    $$
    I_{barra} = I_{CM} + Mh^2 = \frac{Md^2}{12} + M(d/2)^2 = \frac{Md^2}{3}
    \tag{3}$$

    Onde usamos o momento de inércia de uma barra fina com eixo de rotação no seu centro, e portanto, $h=d/2$ uma vez que o eixo da barra do exercício está em uma das extremidades. Substituindo esse resultado na Equação (3):

    $$
    mvd = (\frac{Md^2}{3}+md^2)\omega
    \tag{4}$$

    Isolando $\omega$ e substituindo o valor da velocidade calculada na Equação (1), ficamos com:

    $$
    \omega = \frac{3m\sqrt{2gh}}{d(M+3m)}
    \tag{5}$$

    Agora que sabemos a velocidade angular do sistema, podemos utilizar conservação de energia mecânica entre o momento logo depois da colisão e quando o sistema para por um instante. Inicialmente, teremos apenas energia cinética do sistema. Quando o sistema para, teremos apenas energia potencial gravitacional tanto da barra quanto do bloco. Quando o bloco está a uma altura de $H$, o centro de massa da barra irá se deslocar de uma altura $H/2$, justamente porque a distância do eixo de rotação da barra até seu centro de massa é metade da distância do eixo de rotação e do bloco, portanto, podemos escrever:

    $$
    \frac{(I_{barra}+md^2)\omega^2}{2} = mgH + Mg\frac{H}{2}
    \tag{6}$$

    Podemos escrever a altura $H$ como função do ângulo $\theta$. Com o auxílio da Figura do livro, veja que podemos escrever que:

    $$
    cos\theta = \frac{d-H}{d}
    \tag{7}$$

    Uma vez que se o bloco subir de $H$, a distância vertical do bloco até o eixo de rotação é $d-H$. Rearranjando essa expressão chegamos que:

    $$
    H = d(1-cos\theta)
    \tag{8}$$

    O que substituindo na Equação (6), ficamos com:

    $$
    \frac{(I_{barra}+md^2)\omega^2}{2} = \left(m+\frac{M}{2}\right)gd(1-cos\theta)
    \tag{9}$$

    Substituindo o momento de inércia da barra (Equação (3)) e a velocidade angular (Equação (5), ficamos com:

    $$
    \frac{1}{2}\left(\frac{Md^2}{3} + md^2\right)\frac{18ghm^2}{d^2(M+3m)^2} = gd(m+M/2)-gd(m+M/2)cos\theta
    \tag{10}$$

    Simplificando e já começando a isolar $\theta$:

    $$
    (m+M/2)cos\theta = (m+M/2)-\frac{3hm^2}{d(M+3m)}
    \tag{11}$$

    $$
    cos\theta = 1 – \frac{3hm^2}{d(M+3m)(m+M/2)}
    \tag{12}$$

    Então:

    $$
    \theta = cos^{-1}\left(1 – \frac{3hm^2}{d(M+3m)(m+M/2)}\right)
    \tag{13}$$

    Substituindo os valores numéricos:

    $$
    \boxed{\theta = cos^{-1}\left(1 – \frac{3(0,2\;m)(0,05\;kg)^2}{0,4\;m(0,1\;kg+3(0,05\;kg))(0,05\;kg+(0,1\;kg)/2)}\right) = cos^{-1}(0,83) = 34^{\circ}}
    \tag{14}$$

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