Pretende-se desenhar uma arma, tal que apontando em linha reta para alvos de até 5 cms de comprimento ao longo da vertical e, localizados até uma distância horizontal de 2 mil metros o alvo seja atingido. Desconsiderando os efeitos do ar, determinar a velocidade mínima que deve ter a bala quando sai do cano da arma.
Passo 1
Beleza, vamos lá! O enunciado pede para determinar a velocidade mínima que uma bala deve ter ao sair do cano de uma arma, de modo que ela consiga atingir um alvo que pode estar até 5 cm de altura e localizado a até 2 mil metros de distância horizontal. Vamos usar conceitos de cinemática, especificamente o movimento de projéteis, e vamos precisar aplicar fórmulas para calcular a trajetória da bala.
Passo 2
Primeiro, vamos entender o que está acontecendo. Quando a bala é disparada, ela segue uma trajetória curva devido à gravidade. A gente precisa garantir que, ao alcançar os 2000 metros de alcance horizontal, a bala esteja dentro dos 5 cm de altura do alvo. Isso significa que a variação vertical da trajetória nesse ponto não pode exceder 2,5 cm acima ou abaixo do alvo.
Passo 3
Vamos usar as equações do movimento de projéteis. As duas principais são:
-
Movimento horizontal:
-
Movimento vertical:
Aqui,
-
é a distância horizontal (2000 m), -
é a variação vertical (2,5 cm = 0,025 m), -
é a velocidade inicial que queremos encontrar, -
é o ângulo de lançamento, -
é a aceleração da gravidade (aproximadamente ), -
é o tempo de voo.
Passo 4
Como a bala precisa atingir exatamente os 2000 metros, vamos assumir que ela é disparada em um ângulo que minimize a velocidade necessária. O ângulo ideal para alcançar a maior distância horizontal com o mínimo de velocidade é de 45°, mas vamos verificar se isso atende à restrição vertical.
Vamos calcular o tempo de voo usando a equação do movimento horizontal:
Substituindo
:
Então,
Passo 5
Agora, vamos usar a equação do movimento vertical para garantir que a variação não ultrapasse 0,025 m:
Sabendo que
:
Substituindo
da Passo 4:
Simplificando:
Como queremos que
m:
Passo 6
Agora, vamos resolver para
:
Resposta
A velocidade mínima que a bala deve ter ao sair do cano da arma é aproximadamente 198,1 metros por segundo.
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