Enunciado
Física - Física de Sears & Zemansky: Mecânica Volume 1 - 12ª Edição - Hugh D. Young e Roger A. Freedman- Ed: 12º - Capítulo 10.Problemas - Ex. 92
Um pequeno bloco de massa está amarrado por um fio que passa por um orifício em uma superfície horizontal (veja a Figura 10.48). O bloco está inicialmente em um círculo com raio igual a em torno do orifício com velocidade tangencial igual a . O fio a seguir é puxado por baixo lentamente, fazendo o raio do círculo se reduzir. A tensão de ruptura do fio é igual a . Qual é o raio do círculo quando o fio se rompe?
Passo 1
Oi, galerinha. Tudo bom? Bom... o enunciado nos diz que um pequeno bloco de massa está amarrado por um fio que passa por um orifício em uma superfície horizontal.
O bloco está inicialmente em um círculo com raio igual a em torno do orifício com velocidade tangencial igual a .
O fio a seguir é puxado por baixo lentamente, fazendo o raio do círculo se reduzir. A tensão de ruptura do fio é igual a .
Queremos calcular o raio do círculo quando o fio se rompe.
Bom... vamos interpretar isso de outra forma...
Passo 2
Vamos interpretar o enunciado por outro ponto de vista: nós temos um bloco girando em cima de uma superfície, seu percurso é uma circunferência de raio e a velocidade é . Conforme a gente puxa o fio conectado ao bloco, ele vai continuar girando, porém o raio do percurso será menor. E como resolvermos isso?
Fazendo a análise do problema em questão, temos que o momento angular será conservado, uma vez que a tensão na corda está na direção radial e, portanto, não produz torque.
Para isso, vamos aplicar para o bloco, sendo que a aceleração é dada por:
Onde é a força, é a massa, é a aceleração, é a velocidade e é o raio.
Sabendo que o bloco tem um furo, logo, o momento angular .
Para encontrarmos os resultados, utilizaremos a fórmula da tensão.
Passo 3
A tensão está relacionada à massa e velocidade do bloco, e ao raio do círculo, por:
Agora só teremos o trabalho de substituir :D.
Vamos fazer uma relação para obter na expressão,
Assim, o raio é
Substituindo os valores,
Resposta
Resposta: .