Enunciado

A figura mostra dois trenós de 22,7   k g cada um, separados por uma curta distância, um atrás do outro. Um gato de 3,63   k g , inicialmente sobre um dos trenós, salta para o outro e imediatamente pula de volta para o primeiro. Os dois saltos são realizados com uma velocidade de 3,05   m / s em relação ao gelo. Determine a velocidade escalar, após os saltos, (a) do primeiro trenó e (b) do segundo trenó.

Passo 1

Vamos começar analisando apenas o primeiro salto: o salto pulando para fora do trenó 1 (o da esquerda).

Inicialmente, ele estava em repouso sobre o trenó. Então o momento linear era nulo:

p 0 = 0

Depois, ele pula para frente com uma velocidade v = 3,05   m / s , e o trenó vai adquirir uma velocidade V 1 A :

p f = m v + M V 1 A

Pela lei de conservação de momento:

p 0 = p f

m v + M V 1 A = 0

V 1 A = - m v M = - 3,63 3,05 22,7 = - 0,488   m / s

Passo 2

Beleza, agora o mesmo gato vai aterrisar no trenó 2 (o da direita), com a velocidade v = 3,05   m / s .

Dessa vez, o momento inicial não é nulo, o gato tinha alguma velocidade:

p 0 = m v

E depois de aterrissar, os dois se movem juntos com uma velocidade V 2 A :

p f = m + M V 2 A

Então, pela lei de conservação de momento:

m v = m + M V 2 A

V 2 A = m m + M v = 3,63 22,7 + 3,63 3,05

V 2 A = 0,420   m / s

Passo 3

Agora fica um pouco mais complicado. O gato vai pular de um trenó que tem velocidade V 2 A = 0,420   m / s .

Então inicilamente o momento linear era:

p 0 = m + M V 2 A

E depois que o gato pular para a esquerda com velocidade v , vamos ter:

p f = M V 2 B - m v

Onde V 2 B é a velocidade que o trenó adquire depois que o gato pula para a esquerda. Então, pela lei de conservação de momento:

m + M V 2 A = M V 2 B - m v

3,63 + 22,7 0,420 = 22,7 V 2 B - 3,63 3,05

V 2 B = 0,975   m / s

Beleza, isso já responde a letra (b).

Passo 4

Agora o gato vai chegar com sua velocidade de - 3,05   m / s (agora para esquerda) para aterrisar em um trenó que, como calculamos antes, estava se movendo também para a esquerda com velocidade - 0,488   m / s .

Então o momento linera inicial era:

p o = m v + M V 1 A

E depois da aterrissagem os dois vão passar a se mover juntos com uma velocidade V 1 B , então:

p f = m + M V 1 B

Então, pela lei de conservação de momento:

p 0 = p f

m v + M V 1 A = m + M V 1 B

3,63 - 3,05 + 22,7 - 0,488 = 22,7 + 3,63 V 1 B

V 1 B = - 0,841   m / s

Mas como só estamos interessados na velocidade escalar, podemos dizer que a velocidade final do primeiro trenó é:

V 1 B = 0,841   m / s

Resposta

(a) Após os saltos, o primeiro trenó se move com uma velocidade escalar de 0,841   m / s .

(b) Após os saltos, o segundo trenó se move com velocidade escalar de 0,975   m / s .

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