Enunciado
Física - Fundamentos de Física Volume 2 - Gravitação, Ondas e Termodinâmica - 10ª Edição - David Halliday, Jearl Walker e Robert Resnick- Ed: 10º - Capítulo 15.Problemas Adicionais - Ex. 113
O centro de oscilação de um pêndulo físico possui a seguinte propriedade interessante: Se um impulso (horizontal e no plano de oscilação) é aplicado ao centro de oscilação, nenhuma oscilação é sentida no ponto de apoio Os jogadores de beisenol (e os jogadores de muitos outros esportes) sabem que, a menos que a bola se choque com o bastão nesse ponto (chamado de “ponto doce” pelos atletas), as oscilações produzidas pelo impacto serão transmitidas às mãos. Para demonstrar essa propriedade, use a régua da figura como modelo de um bastão de beisebol. Suponha que uma força horizontal (devido ao impacto da bola) age para a direita em , o centro de oscilação. O batedor segura o bastão em , o ponto de sustentação da régua. (a) Que aceleração a força imprime ao ponto ? (b) Que aceleração angular é produzida por em relação ao centro de massa da régua? (c) Como resultado da aceleração angular calculada no item (b), qual é a aceleração linear do ponto ? (d) Considerando os módulos e orientações das acelerações calculadas nos itens (a) e (c), convença-se de que o ponto é, de fato, um “ponto doce”.
Passo 1
(a) Como a força age sobre o centro de osciçação em , podemos supôr que não existe nenhuma força horizontal agindo no ponto .
Nesse caso, a única força horizontal agindo sobre a barra (e consequentemente sobre o ponto ) é , e pela segunda lei de Newton:
Passo 2
(b) Agora queremos calcular a acelerção angular gerada pela força . Vamos precisar da seguinte equação:
Onde é o torque da força , é o momento de inércia e é a aceleração angular.
O enunciado pediu para calcularmos essa aceleração em relação ao centro de massa da régua, então:
E para calcular o torque, precisamos da distângia entre (o centro de massa) e (o ponto de aplicação da força):
Nós sabemos que a distância entre o ponto de suspensão e o centro de oscilação (os pontos e ), no caso de uma régua, é:
E a distância entre o ponto de suspensão e o centro de massa () é:
Então a distância entre e (veja o desenho) é:
Agora é só substituir na fórmula de cima:
Passo 3
(c) Vimos que a barra gira em torno do centro de massa com aceleração angular . Como ponto está a uma distância do centro de massa, a sua aceleração devido a essa rotação é:
Como a força empurra a barra para a direita, ela gira no sentido anti-horário. Olhando para o desenho, podemos ver que isso fará com que o ponto tenha uma acelerção inicial para a esquerda.
Mas essa não é a única aceleração agindo sobre o ponto . No item (a), calculamos uma aceleração na mesma direção da força , ou seja, para a direita. Então:
Passo 4
(d) Pelos nossos resultados, a escolha do ponto para a aplicação da força realmente é útil.
Ela faz com que as duas acelerações e se cancelem naturalmente, garantindo que o ponto em que o batedor segura o taco (ou nesse caso, o ponto de suspensão da régua) permaneça estacionário.
Resposta
(a) .
(b) .
(c) .
(d) A escolha do ponto realmente garante que o ponto de suspensão permaneça estacionário.