Enunciado
Física - Física para Cientistas e Engenheiros - Mecânica, Oscilações e Ondas, Termodinâmica: Volume 1 - 6ª Edição - Mosca, Tripler- Ed: 6º - Capítulo 14.1 - Ex. 72
A figura mostra um disco uniforme que tem um raio , uma massa de , e um pequno buraco a uma distância do centro de disco que pode servir como ponto de suspensão. (a) Qual deve ser a distância para que o período desse pêndulo físico seja ? (b) Qual deve ser a distância para que este pêndulo físico tenha o menor período possível? Quanto vale este menor período possível?
Passo 1
Vamos lembrar da fórmula para o período de um pêndulo físico:
Para encontrar o momento de inércia em relação ao buraco representado na figura, temos que usar o teorema dos eixos paralelos:
E vamos substituir com a expressão para no caso de um disco:
Passo 2
(a) Agora vamos substituir isso na fórmula, e calcular o valor de para o qual :
Vamos dividir por no numerador e no denominador da fração, e elevar os dois lados ao quadrado:
Agora vamos transformar isso em uma equação do segundo grau para :
E podemos substituir os valores numéricos para resolver a equação:
Então:
E as duas soluções são:
A solução é maior que o raio do disco, então não faz sentido para nós nesse caso, portanto:
Passo 3
(b) Agora vamos encontrar o valor de que minimiza o período. Em outras palavras, queremos o valor de que satisfaz essa equação:
Lembrando que a equação para o período em função de era:
A derivada em relação a é (temos que usar a regra da cadeia e a regra do quociente):
Quando igualamos isso a zero (sabendo que ), essa expressão fica bem mais simples:
Passo 4
Agora vamos calcular o período nesse ponto de mínimo. Temos que substituir na nossa fórmula:
E agora substituímos os valores numéricos:
Resposta
(a) A distância deve ser .
(b) O período é mínimo quando , e nesse caso o período é .