Enunciado

51. Uma massa atada a uma mola vertical tem função posição dada por y t = A sin ⁡ ω t onde A é a amplitude e ω , é uma constante.

(a) Encontre a velocidade e aceleração como função do tempo.

(b) Mostre que a aceleração é proporcional ao deslocamento de y .

(c) Mostre que a velocidade é máxima quando a aceleração é 0.

Passo 1

Fala aí! tudo certinho?

Nesse problema foi dada uma massa em uma mola cuja posição é definida pela função

y t = A sin ⁡ ω t

Em que A é a amplitude do movimento e ω é a frequência do movimento.

A partir daí temos que obter as funções velocidade e aceleração dessa massa, mostrar que a aceleração é proporcional ao movimento e que a velocidade máxima acontece quando a aceleração é nula.

Parece complicado?

A partir dos princípios físicos, a gente sabe que a derivada do espaço em relação ao tempo é a velocidade, ou seja

v = d s d t

e a derivada da velocidade em relação ao tempo é a aceleração.

a = d v d t

A partir dessas relações podemos encontrar as funções velocidade e aceleração derivando y .

Para isso, vamos que y é uma função composta pois no argumento de s i n tem uma função ω t , assim, para calcular sua derivada temos que aplicar a regra da cadeia...

f x = g h x ,     f ' x = h ' x · g ' h x

Sem mais delongas... bora começar!

Passo 2

Primeiro vamos calcular a função velocidade.

Como vimos no passo 1, a velocidade é a derivada da posição, ou seja

v t = y ' t = d d t A sin ⁡ ω t

v t = A d d t sin ⁡ ω t

Usando regra da cadeia:

v t = A d d t ω t d d u sin ⁡ u

v t = A ω cos ⁡ u

Voltando u para ω t

v t = A ω cos ⁡ ω t

Derivando mais uma vez, para obtermos a aceleração:

a t = y ' ' t = d d t A ω cos ⁡ ω t

a t = A ω d d t cos ⁡ ω t

Usando a regra da cadeia novamente:

a t = A ω d d t ω t d d u cos ⁡ u

a t = A ω ω - sin ⁡ u

a t = - A ω 2 sen ⁡ ω t

Tranquilo até aqui?

Passo 3

Para uma função ser proporcional à outra quer dizer que se divididirmos uma pela outra vamos ter uma constante:

Então para descobrir de a aceleração é proporcional à posição fazemos

a t y t = C

Se a t = - A ω 2 sen ⁡ ω t e y t = A sin ⁡ ω t .

- A ω 2 sen ⁡ ω t A sen ⁡ ω t = C

- ω 2 = C

Portanto a aceleração é proporcional ao deslocamento pois - ω 2 é uma constante.

Show?

Passo 4

Por ultimo, temos que mostrar que a velocidade máxima acontece quando a t = 0 .

A função velocidade é dada por:

v t = A ω cos ⁡ ω t

então como A ω é constante, para termos a velocidade ser máxima aquele cosseno deve ser igual a 1 ou - 1 :

cos ⁡ ω t = ± 1

Para isso acontecer ω t deva valer:

ω t = 2 k π

E quando isso acontece o seno desse ângulo vai para zero,

sen ⁡ ω t = 0

então

a t = - A ω 2 0

a t = 0

Ou seja, quando a velocidade é máxima a aceleração vai para 0

É isso! O que achou? Responde Aí!

Resposta

(a) v t = A ω cos ⁡ ω t e a t = - A ω 2 sen ⁡ ω t

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5-20 Encontre as derivadas primeiras e segunda da função.5. f x = x 5 + 6 x 2 - 7 x