Enunciado
Física - Young and Freedman - Vol 2- Ed: 12º - Capítulo 13.Problemas - Ex. 94
94. Você deseja construir um pêndulo com um período de em um local onde . Qual é o comprimento de um pêndulo simples com esse período? Suponha que o pêndulo deve ser montado em uma caixa que não possui mais do que de altura. Você pode imaginar um pêndulo que tenha um período de e que satisfaça a essa condição?
Passo 1
Para realizar o que é pedido no item , basta isolar o comprimento na fórmula do período de um pêndulo simples, dada por:
Depois que isolarmos, basta substituir os valores que temos para e .
Agora para resolver o item só precisamos saber um valor para , que é a distância do eixo onde o pendula está preso até o centro de massa, pois o comprimento máximo do pêndulo é o tamanho da caixa .
Podemos considerar uma barra uniforme de massa e comprimento , escolhemos uma barra pois o momento de inércia dela em relação ao centro de massa já é conhecido, assim só usarmos o teorema do eixo paralelo para encontrar o momento em relação ao eixo que passa pelo ponto onde o pêndulo está preso.
Tendo o momento de inércia, vamos usar a fórmula do período de um pêndulo físico para isolar e encontrarmos um valor que faça com que , fórmula é dada por:
Passo 2
Vamos resolver o item primeiro, já que ele é mais simples, temos que:
Isolando , temos:
Usando os valores de e fornecidos pelo enunciado, temos:
Então, temos:
Passo 3
Agora vamos usar o teorema dos eixos paralelos para encontrar o momento de inercia em relação ao eixo no qual o pêndulo está preso na situação do item .
Temos que:
O que é em relação ao centro de massa, é dado por:
Temos que , já que é é a distância entre os eixos que passa no centro de massa e no ponto onde o pêndulo é preso, então temos que:
Passo 4
Agora vamos em busca de um valor para , temos que:
Substituindo o que sabemos, temos:
Agora podemos isolar e depois colocar os valores conhecidos de cada parâmetro da fórmula, então:
Jogando tudo para o mesmo lado, temos:
Bem dizer ficamos com uma equação do segundo grau em relação a , vamos substituir os valores de e e depois resolver a equação, assim:
Agora vamos resolver essa equação da forma mais tradicional possível, que é usando Bhaskara, assim:
Temos que:
Ou
Bem a única possível é , já que a caixa em que o nosso pêndulo vai ser construído, só tem de comprimento.
Então, temos um pêndulo formado por uma barra de massa e comprimento presa a um eixo a uma distância do seu centro de massa, com período .
Resposta
Temos um pêndulo formado por uma barra de massa e comprimento presa a um eixo a uma distância do seu centro de massa, com período .