Enunciado

12 . Fratura óssea. Testes experimentais mostraram que o osso será fraturado se estiver sujeito a uma densidade de força de 1,03 ⋅ 10 8     N / m 2 . Suponha que uma pessoa de 70   k g

esteja andando de patins descuidadamente e uma viga de metal atinja sua testa e pare completamente seu movimento para a frente. Se a área de contato com a testa do patinador for de 1,5   c m ² , qual é a maior velocidade com que ele pode atingir a parede sem quebrar algum osso se sua cabeça estiver em contato com a viga por 10,0   m s ?

Passo 1

Na teoria do livro nos é apresentadas duas equações que serão fundamentais para solução dessa questão:

J → = ∆ p → e J → = F → ∆ t

E por que elas são fundamentais? Bom, o enunciado nos dar quatro informações importantes, a densidade de força, a área de contato, o tempo de contato e massa da pessoa.

Com as duas primeiras informações conseguimos descobrir a força máxima sem quebrar nenhum osso que será dada por:

F o r ç a   m á x i m a =   d e n s i d a d e   d e   f o r ç a   ×   á r e a   d e   c o n t a t o

Sabendo disso vamos definir f o r ç a   m á x i m a = -   f o r ç a   d u r a n t e   a   c o l i s ã o

Mas por que esse sinal negativo? Pensa comigo, se definirmos o sentido positivo do eixo x   como o sentido do movimento inicial então ao bater na viga a pessoa vai sofrer uma força feita pela viga contrária ao do seu movimento inicial, ou seja, sentido negativo ao eixo x .

Agora que temos a força usando a segunda equação mostrada acima, podemos descobrir o impulso pois o enunciado nos dar o tempo de contato, e com o impulso podemos descobrir a maior velocidade para atingir a parede sem quebrar nenhum osso.

Ahhhh, é sempre frisar que o impulso, o momento e a força são vetores com componentes x e y , contudo como estamos interessados na direção da colisão (direção x ) não há a necessidade de colocar aquela setinha marota, vamos só deixar explícito que estamos trabalhando com o movimento nessa direção.

Passo 2

a ) Primeiro vamos descobrir a força máxima com as informações dadas no enunciado:

F m á x = ( 1,03 ⋅ 10 8     N / m 2 )   ⋅ ( 1,5 ⋅ 10 - 4 m 2 ) = 1,5 ⋅ 10 4   N

Como vimos que:

F m á x =   - F x então F x = - 1,5 ⋅ 10 4   N

Com isso podemos descobrir o impulso dado por:

J x = F x ∆ t = - 1,5 ⋅ 10 4   N 10,0 ⋅ 10 - 3 s = - 150   k g ⋅ m / s

Passo 3

Agora que temos o impulso podemos usar a primeira equação mostrada no Passo 1:

J x = ∆ p x = m ( v 2 x - v 1 x )

Ou seja:

- 150   k g ⋅ m / s = 70   k g 0 - v 1 x = - 70   k g ⋅ v 1 x

Isolando v 1 x :

v 1 x = - 150   k g ⋅ m / s - 70   k g = 2,1   m / s

E essa é a maior velocidade para que a cabeça da pessoa fique inteirinha.

Resposta

v = 2,1   m / s

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