Um pêndulo físico consiste de um disco sólido uniforme (de massa M e raio R) suportado num plano vertical por um eixo localizado a uma distância
do centro do disco. O disco é deslocado de um pequeno ângulo (em relação a sua posição de equilíbrio) e liberado. Ache o período de oscilação do pêndulo.
Passo 1
Vamos começar entendendo o que o problema está nos pedindo. Temos um pêndulo físico, que neste caso é um disco sólido uniforme com massa M e raio R. Esse disco está apoiado em um eixo que está a uma distância
do centro do disco. O disco é deslocado de um pequeno ângulo e liberado, e queremos descobrir o período de oscilação desse pêndulo.
Para resolver isso, vamos precisar utilizar conceitos de Momento de Inércia e a fórmula do período de um pêndulo físico.
Passo 2
Primeiro, precisamos encontrar o Momento de Inércia (
) do disco em relação ao eixo de rotação. O momento de inércia é uma medida de como a massa está distribuída em relação ao ponto de rotação e é crucial para determinar o período de oscilação.
Para um disco sólido uniforme, o momento de inércia em relação ao seu próprio centro (
) é dado por:
Passo 3
Como o disco está apoiado a uma distância
do centro, precisamos aplicar o Teorema de Steiner (ou Teorema de Eixo Paralelo) para encontrar o momento de inércia em relação ao novo eixo de rotação:
Substituindo
:
Passo 4
Agora, vamos utilizar a fórmula do período (
) de um pêndulo físico, que relaciona o momento de inércia, a massa, a aceleração da gravidade (
) e a distância entre o centro de massa e o ponto de suspensão (
):
No nosso caso, a distância
é igual a
.
Passo 5
Substituindo os valores que já encontramos na fórmula do período:
Observamos que a massa
aparece no numerador e no denominador, então podemos simplificar a expressão dividindo todos os termos por
:
Resposta
O período de oscilação do pêndulo é: