Uma partícula de massa
está em movimento circular de raio
com aceleração angular constante de
. A velocidade angular inicial é de 12,0 rad/s e a posição angular inicial é
. (a) Há algum instante em que a partícula estará parada? Qual? (b) Qual é a velocidade angular da partícula como função do tempo? © Há algum instante em que a partícula estará na posição 0? Qual? (d) Qual é a posição angular da partícula em função do tempo?
Passo 1
Beleza, vamos analisar o que a questão está pedindo. Temos uma partícula de massa 1,50 kg que está se movendo em um círculo com raio de 20,0 cm. Ela está acelerando angularmente com uma aceleração constante de -2,0 rad/s². A velocidade angular inicial é de 12,0 rad/s e a posição angular inicial é de 3,0 rad. Vamos usar conceitos de cinemática rotacional para resolver as perguntas.
Passo 2
Para a parte (a), queremos saber se há um instante em que a partícula para. Isso significa que a velocidade angular será zero nesse instante. A velocidade angular depende do tempo e da aceleração angular, então vamos usar a fórmula da velocidade angular:
Onde:
-
é a velocidade angular no tempo , -
é a velocidade angular inicial, -
é a aceleração angular.
Passo 3
Vamos colocar os valores conhecidos na fórmula para encontrar o tempo
quando a velocidade angular será zero:
Resolvendo para
:
Passo 4
Portanto, a partícula estará parada no instante
segundos.
Passo 5
Para a parte (b), queremos a velocidade angular da partícula em função do tempo. Já usamos a fórmula na parte (a), que é:
Substituindo os valores:
Passo 6
Então, a velocidade angular em função do tempo é:
Passo 7
Para a parte ©, queremos saber se a partícula alcança a posição angular zero em algum instante. Vamos usar a fórmula da posição angular:
Onde:
-
é a posição angular no tempo , -
é a posição angular inicial.
Passo 8
Queremos encontrar o tempo
quando
:
Rearranjando:
Passo 9
Vamos resolver essa equação quadrática usando a fórmula:
Temos duas soluções possíveis:
Como o tempo não pode ser negativo, descartamos essa solução.
Passo 10
Portanto, a partícula estará na posição angular zero no instante
segundos.
Passo 11
Para a parte (d), queremos a posição angular da partícula em função do tempo. Usamos a fórmula que já mencionamos:
Substituindo os valores:
Resposta
(a) A partícula estará parada no instante
segundos.
(b) A velocidade angular em função do tempo é
rad/s.
© A partícula estará na posição angular zero no instante
segundos.
(d) A posição angular em função do tempo é
.