Enunciado
Física - Física para Cientistas e Engenheiros - Mecânica, Oscilações e Ondas, Termodinâmica: Volume 1 - 6ª Edição - Mosca, Tripler- Ed: 6º - Capítulo 9.1 - Ex. 125
Vamos calcular a posição y da carga caindo anexada ao guincho no Exemplo 9-8 como uma função do tempo por integração numérica. Deixe a direção + y ser reta para baixo. Então, , ou
onde t é o tempo necessário para o balde cair uma distância é um pequeno incremento de ,e . Portanto, podemos calcular t em função de d pela soma numérica. Faça um gráfico de versus entre e . Suponha , , , e . Use . Compare esta posição com a posição da carga em queda, se estiver em queda livre.
Passo 1
Vamos utilizar o princípio de conservação de energia para todo o sistema, composto pela Terra, o balde, o guincho e o cabo:
Fazemos a energia potencial inicial ser igual a zero, e como o bloco começa a cair nesse momento, a energia cinética também será zero, portanto:
Passo 2
Agora vamos escrever a energia potencial final de cada membro do sistema:
Como o guincho está parado, não ocorre variação em sua energia potencial, como a inicial é zero, a final também será, então:
Sendo a massa apenas da parte pendurada do cabo.
Podemos então relacionar em termos de densidade a massa total do cabo com a massa :
A equação do potencial final então será:
Passo 3
E a energia cinética final será:
O cabo, o balde e a borda do guincho possuem mesma velocidade linear, já que os dois primeiros caem em conjunto, o guincho irá girar com a mesma velocidade em que os dois caem:
Escrevendo o momento de inercia e a velocidade angular como:
Ficamos com:
Passo 4
Substituindo a energia cinética final e a energia potencial final la na equação do Passo 1, teremos:
Isolando v:
E a solução dada no gráfico abaixo, foi calculada utilizando a expressão de soma do enunciado:
A linha laranja representa a queda livre conforme o somatório e a linha azul conforme a queda livre real.
Resposta
Ei, a resposta está no passo a passo :)