Um menino está sentado no alto de um monte hemisférico de raio RRR feito de gelo quando começa a deslizar sem atrito. Mostre que ele é projetado para fora do gelo a uma altura
.
Passo 1
Vamos entender o que a questão está nos pedindo. Temos um menino sentado no topo de um monte hemisférico de raio
feito de gelo. Ele começa a deslizar sem atrito. Queremos descobrir a altura em que ele será lançado para fora do gelo. Para resolver isso, vamos usar conceitos de conservação de energia e forças em movimento circular.
Passo 2
Primeiro, vamos pensar na conservação de energia. Como não há atrito, a energia mecânica do menino (que é a soma da energia potencial e da energia cinética) se conserva durante todo o movimento.
No ponto de partida, toda a energia é potencial gravitacional, porque o menino está parado. A energia potencial é dada por:
onde:
-
é a massa do menino, -
é a aceleração da gravidade, -
é a altura.
No topo do monte, a altura
é igual ao raio
, então:
Passo 3
À medida que o menino desliza para baixo, parte dessa energia potencial se transforma em energia cinética. A energia cinética é dada por:
onde
é a velocidade do menino.
No ponto em que o menino está prestes a ser lançado para fora do gelo, a força normal que o gelo exerce sobre ele é zero. Nesse ponto, a única força agindo no menino é a força gravitacional.
Passo 4
Para o menino estar na trajetória circular sem ser lançado, a força centrípeta necessária é fornecida pela componente da força gravitacional que age na direção do centro da circunferência. Podemos expressar isso como:
onde
é o ângulo em relação à vertical.
Quando a força normal é zero, temos:
Simplificando:
Passo 5
Agora, vamos usar a conservação de energia para relacionar a velocidade
com a altura
onde o menino será lançado. A energia total no ponto mais alto é igual à energia no ponto onde ele é lançado:
Cancelando
e rearranjando:
Substituindo
da equação anterior:
Dividindo ambos os lados por
:
Passo 6
Agora que encontramos
, podemos determinar a altura
onde o menino será lançado. A altura é a diferença entre o raio
e a componente vertical na posição
:
Resposta
O menino é lançado do gelo a uma altura de
.