Enunciado

Na Fig.4-48a, um trenó se move no sentido negativo do eixo x com uma velocidade escalar constante v t , quando uma bola de gelo é atirada do trenó com uma velocidade v → 0 = v 0 x i ^ + v 0 y j ^ em relação ao trenó. Quando a bola chega ao solo, o deslocamento horizontal Δ x b t , em relação ao solo (da posição inicial à posição final) é medido. A Fig. 4-48b mostra a variação de Δ x b t , com v t . Suponha que a bola chegue ao solo na altura aproximada em que foi lançada. Quais são os valores (a) de v 0 x , e (b) de v 0 y ? O deslocamento da bola em relação ao trenó, Δ x b t , também pode ser medido. Suponha que a velocidade do trenó não mude depois que a bola foi atirada. Quanto é Δ x b t , para v , igual a (c) 5,0   m / s e (d) 15   m / s ?

Passo 1

Galera, como esse deslocamento Δ x b t é em relação ao solo, vamos precisar encontrar a velocidade da bola em relação ao solo v → b s = v → 0 + v → t .

Lembrando que v → t = - v t i ^ , já que ele está na direção negativa do eixo x.

v → b s = v → 0 + v → t

v → b s = v 0 x   i ^ + v 0 y   j ^ - v t   i ^

v → b s = ( v 0 x   - v t ) i ^ + v 0 y j ^  

Em um ponto do gráfico Δ x b t é zero, isso quer dizer que v → b s = 0 e isso acontece no mesmo momento que v → t = ( - 10 m / s ) i ^ .

v → b s = v → 0 + v → t

0 = v → 0 + - 10 m / s i ^ → v → 0 = 10 m / s i ^

v → 0 = v 0 x i ^ + v 0 y j ^ = 10 m / s i ^

v 0 x = 10 m / s   e   v 0 y = 0

Passo 2

Como é um movimento de lançamento da bolinha, vamos ter a mesma coisa que tínhamos lá em lançamento oblíquo. No eixo x, temos um MU, já que não há aceleração; e no eixo y, temos um MUV, pois há aceleração da gravidade.

Então a posição em função do tempo para cada eixo é:

Eixo x:

x = x 0 + v x t

Substituindo o valor da velocidade em relação ao solo, vamos ter que:

∆ x s o l o = ( v 0 x   - v t ) t

Eixo y:

y = y 0 + v 0 y t + 1 2 - g t 2

Substituindo o valor da velocidade em relção ao solo, vamos ter que:

∆ y s o l o = v 0 y t - 1 2 g t 2

Agora, pensa aqui comigo, a variação da altura depois do voo completo é zero, pois ela vai e volta para a mesma altura (chão), então:

∆ y s o l o = 0

t v o o = 2 v 0 y / g

Show! Agora que já temos o tempo de voo, podemos achar v 0 x   e v 0 y .

Passo 3

A variação da posição depois do voo é:

∆ x s o l o = v 0 x   - v t t v o o

∆ x s o l o = ( v 0 x   - v t ) 2 v 0 y / g

∆ x s o l o = v 0 x 2 v 0 y g - 2 v 0 y g v t

Olhando o enunciado, vemos que ele deu um gráfico da variação da posição do da bola em relação ao solo,   ∆ x b t . Isso é a mesma coisa que ∆ x s o l o ,   que nós achamos, então vamos compará-los.

Olhando para o gráfico dado, vemos que o coeficiente linear é

v 0 x 2 v 0 y g

E o coeficiente angular é:

- 2 v 0 y g

Substituindo 2 pontos:

10,0 :

0 = b + a 10

b = - 10 a

( 20 , - 40 ) :

- 40 = b + a 20

- 40 = - 10 a + a 20

a = - 4

Então:

b = 40

A equação da reta fica então:

∆ x b t = 40 - 4 v t

Voltando para a equação que achamos:

∆ x s o l o = v 0 x 2 v 0 y g - 2 v 0 y g v t

Temos que:

v 0 x 2 v 0 y g = 40

E

- 2 v 0 y g = - 4

v 0 y = 2 g = 19,6 m / s

E

v 0 x 2 v 0 y g = 40

v 0 x 2 ( 19,6 ) g = 40

v 0 x = 10   m / s

Passo 4

Agora queremos saber o ∆ x b t para v = 5 m / s e v = 15 m / s .

Para descobrir a variação da posição da bola em relação ao trenó, temos que:

v x = v 0 x

E se trata de um movimento uniforme:

∆ x = v 0 x t v o o

∆ x = 10 t v o o

∆ x = 10   2 v 0 y / g

Como vemos, ∆ x , não depende de v .

Então, para ambos, v = 5 m / s e v = 15 m / s , temos que ∆ x vale:

∆ x = 10 2 v 0 y g

∆ x = 40   m

Resposta

a) 10   m / s  

b) 19,6   m / s  

c) 40   m

d) 4 0   m

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