Enunciado

Você é membro de uma equipe de resgate nos Alpes. Você deve arremessar uma caixa de suprimentos de baixo para cima de uma encosta com ângulo de inclinação constante α , de modo que chegue a um esquiador em apuros, que está a uma distância vertical h acima da base da encosta. A encosta é escorregadia, mas há algum atrito presente, com coeficiente de atrito cinético μ c . Use o teorema do trabalho-energia para calcular a velocidade escalar mínima que você deve imprimir à caixa na base da encosta, de modo que ela atinja o esquiador. Expresse sua resposta em termos de g ,   h ,   μ c   e   α .

Passo 1

Opa, bora resolver esse problema! Aqui temos que arremessar essa caixinha azul até o topo:

O atrito cinético é μ c e devemos usar o teorema do trabalho-energia para calcular a velocidade inicial mínima pra que ela atinja o topo! Essa não vai ser uma resposta numérica, e precisamos expressar essa resposta em termos de g ,   h ,   μ c   e   α .

Antes de tudo vamos relembrar o que é o teorema trabalho – energia:

W = K 2 - K 1

Onde W é o trabalho total, K 2 é a energia cinética final e K 1 é a energia cinética inicial. Você deve ficar esperto aqui: sempre que falarmos em energia cinética, podemos falar de velocidade! Beleza? Agora vamos aplicar o teorema para esse problema, borá lá!

Passo 2

A velocidade escalar mínima é aquela que dá energia suficiente pra caixa subir até a altura h , ou seja, na altura h a velocidade da caixa deve ser nula. Assim a energia cinética final nesse ponto é zero. Vamos calcular o trabalho total. Ele vai ser dado pelo trabalho de duas forças: da força gravitacional e da força de atrito. Devemos calcular eles separadamente.

Trabalho da força gravitacional. Como a caixa sobe e a gravidade é vertical para baixo, então o ângulo entre a força e o deslocamento é de 180 ° . O deslocamento é h e a força peso é dada por m g . Então o trabalho realizado vai ser:

W p e s o = m g h cos ⁡ 180 = - m g h

Passo 3

Agora o trabalho da força de atrito. A força de atrito é SEMPRE contrária ao movimento, então o ângulo entre ela e o deslocamento é 180 ° . O deslocamento ao longo da colina vai ser d = h / s e n α . Lembrando que a força de atrito depende da força normal que nesse caso é m g c o s α , podemos calcular o trabalho realizado:

W a t r i t o = f a t . d . cos ⁡ 180 = - N μ . d = - μ m g c o s α . h s e n α

W a t r i t o = - μ m g h tan ⁡ α

Assim o trabalho total vai ser a soma desses dois trabalhos:

W = W p e s o + W a t r i t o

W = - m g h - μ m g h tan ⁡ α

Passo 4

E agora podemos usar o teorema para determinar a velocidade escalar inicial v i . Lembrando que a velocidade final deve ser zero, e que isso implica em energia final igual a zero, temos:

W = K 2 - K 1

W = - K 1

- m g h - μ m g h tan ⁡ α = - m v i 2 2

Dividindo tudo por m e multiplicando a expressão por ( - 2 ) conseguimos isolar o valor de v i 2 :

2 g h + 2 μ g h t g α = v i 2

v i = 2 g h + 2 μ g h tan ⁡ α

Taí a expressão pra velocidade inicial em termos das constantes dadas. Beleza? Vamos pra próxima?

Resposta

v i = 2 g h + 2 μ g h tan ⁡ α

Ver Outros Exercícios desse livro

Exercícios de Livros Relacionados

Um pacote de 5,0k g desliza para baixo de uma rampa inclinada de 1,5m a 12,0 ° abaixo da horizontal. O coeficiente de atrito cinético entre o pacote e a rampa é μ c =0,310 . Calcule a) o trabalho real
A força gravitacional da Terra sobre um objeto é inversamente proporcional ao quadrado da distância do objeto a partir do centro da Terra. Na superfície terrestre, essa força é igual ao peso normal do
Um professor de física está sentado em sua cadeira, que desliza sobre rolamentos sem atrito, sendo empurrado para cima de um plano inclinado a 30,0° acima da horizontal. A massa total do professor com
Empurrando uma gata. Sua gata Mimi (massa 7,0 kg) está tentando subir uma rampa sem atrito de 2,0 m de comprimento e inclinada a 30,0° acima da horizontal. Como a pobre gata não encontra tração na ram
Um cabo uniforme, de massa M e coprimento L, está inicialmente equilibrado sobre uma pequena polia de massa desprezível, com a metade do cabo pendente de cada lado da polia. Devido a um pequeno desequ