Enunciado
Física - Física para Cientistas e Engenheiros - Mecânica, Oscilações e Ondas, Termodinâmica: Volume 1 - 6ª Edição - Mosca, Tripler- Ed: 6º - Capítulo 14.1 - Ex. 71
Você recebe uma régua de um metro e é instruído a perfurá-la com um furo de pequeno diâmetro, de modo que, ao suspendê-la por esse furo de um eixo horizontal, o período do pêndulo seja mínimo. Onde você deve fazer o furo.
Passo 1
Vamos lembrar da fórmula para o período de um pêndulo físico:
No caso de uma régua de comprimento , o momento de inércia é dado pela seguinte expressão:
Mas isso no caso em que tomamos um eixo que passa pelo centro de massa da régua. Se escolhermos um eixo a uma distância do centro de massa, temos que usar o teorema dos eixos paralelos para reescrever o momento de inércia:
Passo 2
Vamos substituir isso na expressão para o período do pêndulo físico:
Onde também substituímos pela nossa variável , já que ele representa justamente a distância entre o nosso eixo de rotação e o centro de massa. Vamos simplificar um pouco essa expressão:
E agora queremos achar o valor de para o qual é mínimo, então precisamos procurar os extremos da função :
E para calcular essa derivada precisaremos usar a regra da cadeia
Como vamos igualar essa derivada a zero, todo esse termo no denominador vai sumir, e podemos nos preocupar só com a outra derivada:
E então:
E como só a raiz positiva tem significado físico nesse caso:
Passo 3
E como o comprimento da régua é :
Lembrando que é a distância do furo até o centro de massa da régua.
Resposta
O furo deve ser colocado a do centro de massa da régua.