Enunciado
Física - Fundamentos de Física - Mecânica Volume 1 - 8ª Edição - David Halliday, Jearl Walker e Robert Resnick- Ed: 8º - Capítulo 9.Problemas Adicionais - Ex. 86
O tiranossauro rex deve ter aprendido com a experiência a não correr muito depressa por causa do risco de tropeçar, situação na qual as curtas patas dianteiras não seriam de muita ajuda para amortecer a queda. Suponha que um T. rex de massa tropece ao caminhar, tombando de modo que seu centro de massa desça em queda livre uma distância de . O centro de massa desce mais quando o corpo do animal é comprimido contra o solo. (a) Qual é, aproximadamente, o módulo da força vertical média exercida sobre o dinossauro durante a colisão com o chão (na descida de ), em múltiplos do peso do dinossauro? Suponha agora que o dinossauro está correndo com uma velocidade de (bem depressa) quando tropessa, cai no chão e desliza até parar com um coeficiente de atrito cinético de . Suponha também que a força vertical média na colisão e durante o deslizamento é a que foi calculada no item (a). Quais são, aproximadamente, (b) o módulo da força média total exercida pelo chão sobre o dinossauro (novamente em múltiplos do seu peso) e (c) a distância que ele desliza? Os módulos das forças calculados em (a) e (b) sugerem que a colusão produziria ferimentos no tronco do dinossauro. A cabeça, que percorreria uma distância maior na queda, estaria sujeita a ferimentos ainda mais graves.
Passo 1
Primeiro vamos calcular a velocidade com que o centro de massa do dinossauro atinge o chão. Sabemos que a velocidade de um corpo que cai em queda livre por uma altura é:
E a força de contato com o chão faz essa velocidade zerar ao longo de . Podemos usar essa informação para calcular a aceleração média gerada pela força de contato com o chão:
Passo 2
E então, pela segunda lei de Newton, o módulo da força média é:
Mas queremos calcular isso em múltiplos do peso do dinossauro, então:
Passo 3
(b) Agora queremos calcular o módulo da força média total exercia pelo chão sobre o dinossauro.
Na direção vertical, já vimos que a resultante é para cima. E as duas forças que agem nessa direção são a normal (para cima) e o peso (para baixo):
Na direção horizontal, temos apenas a força de atrito:
Então podemos calcular o módulo dessa força usando o teorema de pitágoras:
Passo 4
(c) Para calcular a distância que ele desliza, temos que pensar o seguinte: até quando o dinossauro vai deslizar?
Bom, até que toda a energia cinética dele tenha sido dissipada pela força de atrito! A energia cinética dele era:
E a energia dissipada pela força de atrito é:
Agora é só igualar as duas expressões:
Resposta
(a) O módulo da força vertical é .
(b) O módulo da força média total é .
(c) A distância pela qual o dinossauro desliza até parar é de metros.