Um vagão de carga com massa igual a 40 toneladas desloca-se a
e colide com outro que viaja no mesmo sentido com velocidade igual a
. A massa do segundo vagão é igual a 25 toneladas. (a) Determine o valor da velocidade dos dois vagões após a colisão e a perda de energia cinética durante a colisão supondo, que os dois vagões passam a se mover juntos. (b) Se a colisão fosse elástica os dois vagões não se uniriam e continuariam separados; quais seriam, neste caso, os valores das velocidades de cada vagão?
Passo 1
Beleza, vamos dar uma olhada no que está rolando aqui! Temos dois vagões de carga que estão se mexendo na mesma direção com velocidades diferentes e queremos descobrir o que acontece quando eles colidem. A gente vai trabalhar com os conceitos de conservação da quantidade de movimento e energia cinética. Precisaremos das fórmulas de quantidade de movimento (
) e energia cinética (
) para resolver essa parada.
Passo 2
Primeiro, vamos resolver a parte a) do exercício, onde os vagões colidem e acabam se movendo juntos após o impacto. Isso é o que chamamos de colisão inelástica total.
A quantidade de movimento total antes da colisão deve ser igual à quantidade de movimento total depois da colisão.
Vamos chamar:
-
toneladas -
m/s -
toneladas -
m/s -
= velocidade final dos dois vagões juntos
A quantidade de movimento total antes da colisão é:
Após a colisão, os dois vagões andam juntos com a velocidade
, então a quantidade de movimento total é:
Igualando os dois:
Passo 3
Vamos substituir os valores na equação:
Calculando cada termo:
Agora, isolando
:
Então, a velocidade dos dois vagões após a colisão é aproximadamente 2,115 m/s.
Passo 4
Agora vamos calcular a perda de energia cinética durante a colisão. Para isso, vamos calcular a energia cinética total antes e depois da colisão e ver a diferença.
A energia cinética total antes da colisão é:
E a energia cinética total depois da colisão é:
A perda de energia cinética é:
Passo 5
Vamos substituir os valores na equação da energia cinética:
Agora, a energia cinética depois da colisão:
A perda de energia cinética é:
Resposta
Após a colisão, os dois vagões movem-se juntos com uma velocidade de aproximadamente 2,115 m/s e houve uma perda de energia cinética de 7,85 J durante o impacto.
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