Enunciado

Um bloco de 0,80   k g em uma superfície horizontal sem atrito é empurrado e mantido contra uma mola sem massa, comprimindo-a em 30   c m . A constante de força da mola é 50   N / m . O bloco é solto e a mola o empurra 30   c m . Use o método de Euler (planilha) com Δ t = 0,0050   s para estimar o tempo que a mola demora para empurrar o bloco ao longo dos 30   c m . Qual a rapidez do bloco nesse instante? Qual é a incerteza nessa rapidez?

Passo 1

Vamos começar escrevendo as equações que determinam o movimento do bloco.

∑ F x = m a x

Pela lei de Hooke, sabemos que:

m a = - k Δ x

Onde Δ x é o deslocamento em relação ao ponto de equilíbrio da mola, então:

m a = - k ( x - 0,30 )

m a = k ( 0,30 - x )

Passo 2

Agora vamos usar o método de Euler para extrair resultados dessa equação diferencial, usando intervalos de tempo Δ t = 0 , 005   s .

A cada passo nós vamos atualizar os valores, começando com x 0 = 0 e v 0 = 0 . A aceleração inicial é a seguinte:

m a = k ( 0,30 - x )

a = 50 0,80 0,30 - 0 = 18,75   m / s 2

E a partir daí a aceleração vai variar seguindo a seguinte fórmula:

a n = k m 0,30 - x n

Onde a posição a cada passo é dada por:

x n + 1 = x n + v n Δ t

E a rapidez é dada por:

v n + 1 = v n + a n Δ t

Passo 3

Podemos jogar tudo isso na planilha para extrair as informações.

Procurando o tempo t em que temos x ≥ 0,30   m , vemos que isso ocorre em t = 0,20   s . Nesse instante a linha completa é:

Então a rapidez nesse instante é próxima de v = 2,45   m / s .

Para estimar a incerteza nesse cálculo, podemos reduzir o tamanho do passo Δ t para 0,0025   s , e recalcular. Nesse caso encontramos v = 2,41   m / s . E a diferença percentual entre esses dois valores será nossa incerteza:

2,45 - 2,41 2,45 = 1,6 %

Resposta

A mola leva 0,20   s para empurrar a bola por 30   c m . Ao final desse tempo a rapidez da bola é v = 2,45   m / s , valor associado a uma incerteza de 1,6 % .

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