A extremidade de uma haste de madeira cilíndrica é conectada a um pedaço de chumbo, de forma que ela flutue verticalmente na água. O comprimento da parte submersa é L=2,50 m. A haste é posta para oscilar verticalmente. Despreze o efeito amortecedor da água.
(a) Mostre que a oscilação é harmônica simples.
(b) Encontre o período de oscilação. Resposta: 3,17 s.

Passo 1

Beleza, vamos entender o que o exercício está pedindo. Temos uma haste de madeira cilíndrica conectada a um pedaço de chumbo que flutua verticalmente na água. A parte submersa dessa haste tem um comprimento de . Quando a haste é posta para oscilar verticalmente, queremos:
a) Mostrar que essa oscilação é harmônica simples.
b) Encontrar o período de oscilação, que já sabemos ser 3,17 s.
Para resolver isso, vamos precisar usar conceitos de física sobre equilíbrio de fluidos e movimento harmônico simples.

Passo 2

Primeiro, vamos analisar a parte (a). Para mostrar que a oscilação é harmônica simples, precisamos verificar se a força restauradora que age sobre o sistema é proporcional ao deslocamento e está na direção oposta, seguindo a forma .
Quando a haste oscila, a força de empuxo varia com a posição, criando uma força restauradora que traz a haste de volta ao ponto de equilíbrio. Essa relação linear entre força e deslocamento caracteriza o movimento harmônico simples.

Passo 3

Agora, vamos para a parte (b) e calcular o período de oscilação. O período T = 2pi raizmk de um movimento harmônico simples pode ser encontrado usando a fórmula:
k = rho g A
Onde:
  • T = 2pi raizLg é a massa efetiva do sistema.
  • é a constante elástica, que, no caso da oscilação na água, está relacionada à densidade do fluido e ao comprimento submerso.
No contexto do equilíbrio de fluidos, a constante pode ser expressa como:
Onde:
  • é a densidade da água ( ).
  • é a aceleração da gravidade ( ).
  • é a área da seção transversal da haste.
Para simplificar, considerando que a massa efetiva está relacionada ao peso do chumbo conectado à haste, podemos reescrever o período como:

Passo 4

Substituindo os valores conhecidos na fórmula:
T = 2pi raiz2,50 , m9,81 , m/s^2
Calculando o valor dentro da raiz quadrada:
raiz2,509,81 approx raiz0,2547 approx 0,5047 , s
Multiplicando por T approx 2 times 3,1416 times 0,5047 approx 3,17 , s :

Resposta

O período de oscilação é .

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