Enunciado

Na Fig. 8-53, um bloco desliza em uma pista sem atrito até chegar a um trecho de comprimento L   =   0 ,   75   m , que começa a uma altura h   =   2,0   m em uma rampa de ângulo θ   =   30 ° . Nesse trecho, o coeficiente de atrito cinético é 0,40 . O bloco passa pelo ponto A com uma velocidade de   8,0   m / s . Se o bloco pode chegar ao ponto B (onde o atrito acaba), qual é sua velocidade neste ponto e, se não pode, qual é a maior altura que atinge acima de A ?

Figura 8-53 Problema 62.

Passo 1

Chamemos o início do terreno acidentado de ponto C . A velocidade nesse ponto pode ser encontrada através da Equação de Torricelli entre o ponto A e C .

v C 2 = v A 2 - 2 g h

v C = v A 2 - 2 g h

Para v A = 8,0   m / s , g = 9,8   m / s 2 e h = 2,0   m

v C = 8,0 2 - 2.9,8.2,0

v C ≈ 5,0   m / s

Passo 2

A energia cinética no ponto C pode ser então calculada

K C = 1 2 m v C 2 = 1 2 m . 5,0 2 = 12,5 m

Passo 3

A força de atrito no trecho acidentado é

f k = μ k . F N

Onde F N = m g c o s θ

f k = μ k m g c o s θ

E a energia dissipada pelo atrito é

∆ E T = f k . L = μ k m g L c o s θ

Passo 4

A altura do início do trecho acidentado até o seu fim é de

y = L s e n θ

Passo 5

Supondo que o bloco não chega ao ponto B , percorrendo então apenas uma distância d , teremos

∆ E T = μ k m g d c o s θ       e         y = d s e n θ

Nesse ponto, toda a energia cinética é transformada em energia térmica e energia potencial. Então

K = U + ∆ E T

12,5 m = m g y + μ k m g d c o s θ

12,5 = g d s e n θ + μ k g d c o s θ

g d s e n θ + μ c o s θ = 12,5

d = 12,5 g s e n θ + μ k c o s θ

Para θ = 30 ° , g = 9,8   m / s 2 e μ k = 0,4

d = 12,5 9,8 s e n 30 ° + 0,4 . cos ⁡ 30 ° = 1,5   m

Passo 6

Como d > L , a suposição de que o bloco não chega ao ponto B está errada. Logo, aplicando a lei de conservação de energia nos pontos B e C

K C = K B + U g , B + ∆ E T

K B = K C - U g , B + ∆ E T

1 2 m v B 2 = 12,5 m - m g y + μ k m g L c o s θ

v B 2 = 2 12,5 - g L s e n θ + μ k m g L c o s θ

v B = 2 12,5 - g L s e n θ + μ k c o s θ

Para L = 0,75   m

v B = 2 12,5 - 9,8.0,75 s e n 30 ° + 0,4 cos ⁡ 30 °

v B = 3,5   m / s

Resposta

O bloco chega ao ponto B e sua velocidade é de v B = 3,5   m / s .

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