Resolva o problema de projéteis utilizando a segunda lei de Newton, considerando o atrito nulo. (a) Obtenha as equações para
(para
). (b) Obtenha em detalhes a equação da trajetória deste projétil e faça um esboço do movimento indicando os valores de x (máximo) e z (máximo).
Passo 1
E aí! Vamos resolver esse problema de projéteis usando a segunda lei de Newton. A gente vai trabalhar com movimento sem atrito, então fica mais simples. Precisamos encontrar as equações que descrevem a posição e a velocidade do projétil ao longo do tempo, além da trajetória dele. Vamos precisar usar conceitos de física como forças, aceleração e as próprias leis do movimento.
Passo 2
Primeiro, lembra como funciona a segunda lei de Newton? Ela diz que a força resultante sobre um objeto é igual à massa dele multiplicada pela aceleração:
No caso do projétil, as forças que atuam são a força da gravidade e, como estamos considerando atrito nulo, não tem mais nada. Então, a força resultante é apenas a força gravitacional.
Passo 3
Vamos decompor o movimento nas direções horizontal (x) e vertical (z). Como não tem força na direção horizontal, a aceleração nessa direção é zero:
Já na direção vertical, a única força é a da gravidade, que aponta para baixo:
Onde
é a aceleração da gravidade (aproximadamente
).
Passo 4
Agora, vamos integrar as acelerações para encontrar as velocidades. Como
, a velocidade horizontal
é constante:
Na vertical, a velocidade
varia com o tempo devido à aceleração da gravidade:
Passo 5
Vamos integrar novamente para encontrar as posições. Na horizontal:
Na vertical:
Como
e
, as equações ficam:
Passo 6
Agora, vamos montar a equação da trajetória substituindo
da equação de
na de
. Da equação de
:
Substituindo na equação de
:
Simplificando:
Essa é a equação da trajetória do projétil.
Passo 7
Para encontrar os valores máximos de
e
, vamos analisar o movimento:
- Máximo de
: É o ponto mais alto da trajetória. Atinge quando a velocidade vertical é zero. Usando :
Substituindo na equação de
:
- Máximo de
: É o alcance horizontal, que acontece quando o projétil retorna ao solo ( ). Resolvendo :
Fatorando
:
Desprezando
, temos:
Substituindo na equação de
:
Resposta
(a) As equações do movimento são:
(b) A equação da trajetória é:
Os valores máximos são:
- Máximo de
:
- Máximo de
: