Enunciado
Física - Young and Freedman - Vol 2- Ed: 12º - Capítulo 15.Problemas - Ex. 54
Uma formiga de massa está tranquilamente em repouso sobre uma corda esticada horizontalmente. A corda possui densidade linear e tensão . Sem avisar, Tobias produz uma onda senoidal transversal com um comprimento de onda que se propaga na corda. O movimento da corda está contido em um plano vertical. Qual é a amplitude mínima da onda que faz a formiga ficar repentinamente com um peso aparente igual a zero? Suponha que a massa seja tão pequena que a presença da formiga não altere a propagação da onda.
Passo 1
Olá, tudo bem? Vamos começar?
Para termos um peso aparente igual a zero, a aceleração da formiga deve ser igual à aceleração da gravidade, certo?
Então a aceleração transversal máxima deve ser .
Passo 2
Supondo uma onda senoidal, a equação para a posição transversal vai ser:
A aceleração vai ser a segunda derivada da posição, então vamos derivar duas vezes consecutivas essa expressão:
E a aceleração máxima vai ser quando:
E sabemos que esse valor deve ser igual a :
E a amplitude mínima será:
Passo 3
Temos a amplitude, agora só nos resta colocar a frequência angular em termos de e .
A frequência angular pode ser dada em termos do comprimento da frequência :
E a frequência está relacionada com a velocidade de propagação e o comprimento de onda:
Então fica:
Passo 4
Mas e a velocidade? Bom, essa está relacionada com a tensão no fio (que é ) e a densidade linear de massa . Então a velocidade de propagação é:
Certo?
Então conseguimos colocar a frequência angular em termos das quantidades conhecidas:
Passo 5
E agora podemos substituir na expressão para a amplitude em termos das quantidades que conhecemos: