Questão 3. Mostre que, para um sistema criticamente amortecido, a solução da equação
é dada por:
Passo 1
Beleza, vamos lá! O enunciado nos pede para mostrar que, em um sistema criticamente amortecido descrito pela equação diferencial
, a solução é dada por:
Aqui, vamos usar conceitos de sistemas dinâmicos e equações diferenciais de segunda ordem. Precisamos conhecer sobre amortecimento crítico, frequências naturais e resolver equações diferenciais homogêneas com coeficientes constantes.
Passo 2
Primeiro, vamos lembrar o que é um sistema criticamente amortecido. Em um sistema massa-mola-amortecedor, o amortecimento crítico acontece quando o coeficiente de amortecimento
é tal que o sistema retorna ao equilíbrio o mais rápido possível sem oscilar. A condição para amortecimento crítico é:
Isso nos garante que a equação diferencial terá raízes reais e iguais, o que é característico para soluções criticamente amortecidas.
Passo 3
Vamos reescrever a equação diferencial padrão:
Para facilitar, dividimos toda a equação por
:
Aqui,
é a frequência natural não amortecida.
Passo 4
Substituindo
na equação, temos:
A condição de amortecimento crítico
implica que o coeficiente de
é
, confirmando que estamos no caso criticamente amortecido.
Passo 5
Para resolver essa equação diferencial com raízes reais e iguais, assumimos uma solução do tipo:
Onde
e
são constantes que vamos determinar usando as condições iniciais
e
.
Passo 6
Aplicando a condição inicial
:
Então,
.
Passo 7
Agora, vamos derivar
para encontrar
:
Simplificando:
Aplicando a condição
:
Então,
.
Passo 8
Substituindo
e
na solução geral:
Isso confirma que a solução para o sistema criticamente amortecido é exatamente como foi pedido no enunciado.
Resposta
A solução da equação para um sistema criticamente amortecido é: