Uma roda raiada com 6 raios gira com frequência angular constante igual a 5 rev cdot s^-1. Deseja-se lançar (perpendicularmente ao plano da roda) uma flecha de comprimento 0,2 m de modo que ela não toque em nenhum raio. O lançamento é feito com a flecha perpendicular ao plano da roda e rente a ela. Suponha que tanto a flecha quanto os raios possuam espessura desprezível. Explique como a velocidade de lançamento da flecha depende da distância entre o ponto de lançamento e o eixo da roda e da posição do lançamento entre dois raios consecutivos. Qual deve ser a velocidade mínima da flecha de modo que ela atravesse a roda sem tocar em nenhum raio?

Passo 1

Beleza, vamos lá! O exercício fala sobre uma roda com 6 raios girando a uma frequência angular de 5 rotações por segundo. A gente quer lançar uma flecha de 0,2 metros de comprimento perpendicularmente à roda, de modo que ela não encoste em nenhum raio. Para resolver isso, vamos precisar entender conceitos de rotação, frequência angular, velocidade linear e chances de colisão entre a flecha e os raios enquanto a roda gira.

Passo 2

Primeiro, vamos entender a frequência angular. A roda faz 5 rotações por segundo. Como cada rotação completa é omega = 2pi times frequência = 2pi times 5 = 10pi , rad/s radianos, a velocidade angular é dada por:
ê

Passo 3

Cada raio da roda está separado igualmente, já que são 6 raios. O ângulo entre dois raios consecutivos é:
De
Isso significa que a cada radianos, temos um novo raio.

Passo 4

Agora, vamos pensar na flecha. Ela tem 0,2 metros de comprimento e é lançada perpendicularmente à roda, logo, a velocidade da flecha depende de onde ela é lançada em relação ao eixo da roda e da posição dos raios ao momento do lançamento.
Se lançarmos a flecha a uma distância do eixo da roda, a flecha precisa atravessar a roda antes que um raio alcance a mesma posição. Para isso, a flecha deve ter tempo suficiente para cruzar a roda sem encontrar nenhum raio.

Passo 5

Vamos calcular o tempo que a flecha leva para atravessar a roda. O comprimento da flecha é t = lv , então o tempo é:
Onde é a velocidade da flecha.

Passo 6

Durante esse tempo De, a roda gira um ângulo omega times lv < pi3 . Esse ângulo pode ser calculado pela relação:
Para que a flecha não toque em nenhum raio, esse ângulo precisa ser menor que o espaçamento angular entre os raios, que é radianos.

Passo 7

Agora, vamos isolar v > 3omega lpi nessa desigualdade para encontrar a velocidade mínima da flecha:
v > 3 times 10pi times 0,2pi = 6pipi = 6 , m/s
Substituindo os valores:

Resposta

A velocidade mínima da flecha deve ser maior que para que ela atravesse a roda sem tocar em nenhum raio.

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