Enunciado

Um cilindro de densidade ρ 0 , comprimento l e área transversal A flutua em um líquido de densidade ρ f com seu eixo perpendicular à superfície. Um comprimento h do cilindro fica submerso quando o cilindro flutua em repouso.

a. Demonstre que h = ρ o ρ f f .

b. Suponha que o cilindro esteja uma distância y acima de sua posição de equilíbrio. Encontre uma expressão para F r e s y , o componente y da força resultante sobre o cilindro. Use o que você sabe para cancelar termos na expressão, escrevendo-a da maneira mais simples possível.

c. Você deve reconhecer o resultado do item b como uma espécie de versão da lei de Hooke. Qual é a "constante elástica" k?

d. Se você pressionar para baixo um objeto que está flutuando e depois soltá-lo, ele oscilará para cima e para baixo. Neste caso, ele se comporta como uma mola, no sentido de que oscila se for afastado de seu equilíbrio. Use sua "constante elástica" e o que você sabe sobre o movimento harmônico simples para mostrar que o período de oscilação do cilindro é dado por

T = 2 π h g

e. Qual é o período de oscilação de um iceberg com 100 m de altura ρ g e l o = 918 k g m 3 na água do mar?

Passo 1

Fala pessoal, tudo certinho? vamos responder mais uma questão, então prepara o material e vamos responder!!!

Quando o cilindro está flutuando, seu peso é igual ao peso do fluido que está deslocando. Isto é

F G f = F G 0 → m 0 g = m f g → m 0 = m f

Sabendo que a massa é igual ao produto da densidade pelo volume, e que o volume de um cilindro com altura arbitrária x é A x , temos

ρ 0 V 0 = ρ f V f → ρ 0 A l = ρ f A h → h = ρ 0 ρ f l

Assim como o enunciado nos pede

Passo 2

B- Esta força F irá balancear a diferença entre o peso do cilindro e o peso do líquido deslocado pelo cilindro na posição h - y . Portanto, podemos escrever que

F =   - m 0 g + m f g =   - ρ 0 g A l + ρ f g A ( h - y )

Colocando em evidência o termo g A , temos que

F = g A ( - ρ 0 l + ρ f h - ρ f y )

Substituindo a expressão que nós encontramos para o h, obtemos a seguinte configuração

F = g A - ρ 0 l + ρ f ρ 0 ρ f l - ρ f y

Simplificando,

F =   - g A ρ f y

Passo 3

C - Olhando para o resultado da letra b, é claro que fazendo uma analogia com o caso de uma mola constante de mola k , a constante em nosso caso seria

k ' = g A ρ f

D – Agora sabemos que a força para atuar no cilindro para um deslocamento y do equilíbrio será

F =   - g A ρ f y = m a

Onde a t = y ' ' ( t ) é a segunda derivada da posição com respeito ao tempo. Portanto, nós podemos escrever

g A ρ f y + m y ' ' = 0

Isolando a derivada, temos

y ' ' = - g A ρ f m y

Para um movimento harmônico

y t = A sin ⁡ ω t + ϕ

Calculando a primeira derivada,

v t = y ' t = ω A cos ⁡ ( ω t + ϕ )

E no caso da segunda derivada, temos

a t = y ' ' t = - ω 2 A sin ⁡ ω t + ϕ

O que nós podemos ver nesse caso é que para o caso do movimento harmônico é uma solução da equação diferencial que nós escrevemos no início desta parte do exercício. Agora, nós temos que

- g A ρ f m = ω 2 → ω = g A ρ f m

Nós sabemos que para um movimento oscilante, o período é igual a

T = 2 π ω = 2 π g A ρ f m = 2 π m g A ρ f

Como o termo m é igual a ρ f V , a resposta final pode ser simplificada para

T = 2 π h g    

Passo 4

E – Como descrito anteriormente, nós podemos encontrar a profundeza do iceberg na água pela seguinte fórmula

h = ρ 0 ρ f l = 917 1030 ∙ 100 = 89,0   m

E o período será igual a

T = 2 π 89 9,8   ≈ 18.9   s

Resposta

a )   h = ρ 0 ρ f l

b )   F =   - g A ρ f y

c )   k ' = g A ρ f

d )   E x p l i c a ç ã o  

e )   T ≈ 18.9   s

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