Enunciado
Física - Moysés - Vol. 2 - Ed: 4º - Capítulo 4.Problemas - Ex. 12
Um bloco de , ligado a uma parede vertical por uma mola de massa desprezível e constante elástica , inicialmente relaxada, pode deslocar-se sobre uma superfície horizontal com coeficiente de atrito (estático e cinético) . No instante , o bloco é deslocado de para a direita e solto a partir do repouso. Descreva o movimento subsequente. Observação: Como a força de atrito tem sinal oposto ao da velocidade, é preciso tratar separadamente cada semiperiodo de oscilação.
Passo 1
A força de atrito contra a superfície vai agir como uma força de amortecimento, que vai reduzir a amplitude do oscilador.
Mas a frequência de oscilação não é afetada, e então podemos usar a mesma fórmula de sempre:
E então o período de oscilação é:
Ok, esse é o primeiro passo para descrever o movimento. Agora vamos procurar uma relação que dê a amplitude.
Passo 2
Vamos fazer um desenho que ilustre como a amplitude varia com o tempo:
Na figura de cima, quando o bloco está na extremidade do movimento, a energia total do sistema é:
E a mesma fórmula vale para a figura de baixo:
Mas se , então . Para onde foi essa energia? Foi dissipada pela força de atrito:
Como podemos calcular essa energia? Bom, vamos usar a fórmula de sempre para o trabalho de uma força:
A força é dada por , e o deslocamento total é a soma das duas amplitudes, então:
Então ficamos com a seguinte fórmula:
Passo 3
Essa é uma equação de segundo grau, e nós podemos resolvê-la para encontrar :
E pela fórmula de Bhaskara:
E aqui só faz sentido tomar um sinal negativo, então:
Então a redução na amplitude a cada oscilação é:
Passo 4
Beleza, então até agora sabemos o seguinte: temos um movimento com período de com uma amplitude que diminui em a cada semiperíodo.
O enunciado diz que a amplitude inicial é , então se é o número de semi-períodos que o bloco realiza até parar, então:
Resposta
O bloco oscila com período de , e a amplitude diminui em a cada semiperíodo. Para uma amplitude inicial de , então o bloco para após semiperíodos.