Um cilindro oco de parede fina e uma esfera sólida partem do repouso e rolam sem deslizar, descendo um plano inclinado de 3 m de comprimento. O cilindro chega na base do plano 2.4 s após a esfera. Determine o ângulo entre o plano inclinado e a horizontal.

Passo 1

Beleza, vamos lá! O enunciado fala sobre um cilindro oco de parede fina e uma esfera sólida que rolam sem deslizar por um plano inclinado de 3 metros. O cilindro chega na base 2,4 segundos depois da esfera. Nosso objetivo é descobrir o ângulo entre o plano inclinado e a horizontal.
Vamos precisar usar conceitos de cinemática (para entender o movimento) e dinâmica (para tratar das forças e rotações envolvidas). Além disso, precisaremos aplicar as fórmulas de aceleração de corpos rolando sem deslizar.

Passo 2

Primeiro, vamos entender que quando um objeto rola sem deslizar, sua aceleração depende tanto da sua massa quanto do seu momento de inércia. O momento de inércia ( ) é uma medida de como a massa está distribuída em relação ao eixo de rotação.
Para a esfera sólida, o momento de inércia é:
E para o cilindro oco de parede fina:
Onde é a massa e é o raio.

Passo 3

A aceleração ( ) de um objeto rolando sem deslizar por um plano inclinado pode ser calculada pela fórmula:
Onde:
  • é a aceleração da gravidade ( ),
  • é o ângulo do plano inclinado,
  • é o momento de inércia do objeto.

Passo 4

Vamos calcular a aceleração para cada objeto.
Para a esfera:
Para o cilindro:

Passo 5

Sabemos que o tempo necessário para descer o plano inclinado é relacionado com a aceleração. A distância ( ) é 3 metros para ambos. Usando a equação do movimento:
Podemos resolver para o tempo:

Passo 6

Vamos chamar o tempo da esfera e o tempo do cilindro. Segundo o enunciado:
Substituindo a equação do tempo para cada objeto:

Passo 7

Substituindo as acelerações que encontramos:

Passo 8

Vamos simplificar as raízes:
Para facilitar, vamos definir .

Passo 9

Agora, a equação fica:
Vamos resolver essa equação para encontrar .

Passo 10

Vamos isolar uma das raízes:
Para resolver essa equação, vamos elevar ambos os lados ao quadrado para eliminar as raízes, mas esse processo é complexo e requer cuidados com a álgebra. Após resolver essa equação, encontraremos o valor de e, consequentemente, .

Resposta

Após resolver a equação, encontramos que o ângulo entre o plano inclinado e a horizontal é aproximadamente .

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