Enunciado

120. A figura mostra uma bola de futebol americano em três configurações comuns durante o vôo. O caso (a) é um passe em espiral arremessado perfeitamente com uma velocidade de giro de 120   r p m . O caso (b) é um passe em espiral com oscilação novamente com uma velocidade de giro de 120   r p m em torno de seu próprio eixo, mas com o eixo oscilando através de um ângulo total de 20 ° . O caso (c) é um chute dado na bola em repouso e que segue girando em torno de seu eixo transversal com uma velocidade de rotação de 120   r p m . Para cada caso, especifique os valores de p , θ , β   e ψ ˙ conforme definido nesta seção. O momento de inércia em relação ao eixo maior da bola é 0,3 vez aquele em relação ao eixo transversal de simetria.

Passo 1

A taxa precessional de oscilação ψ ˙ é dada por:

ψ ˙ = I p I 0 - I ⋅ cos ⁡ θ

Onde I   é o momento de inércia em relação ao eixo maior da bola e I 0 o momento em relação ao eixo transversal de simetria:

ψ ˙ = I p I 0 - I ⋅ cos ⁡ θ

Passo 2

(a) Temos então para o primeiro, em que o passe em espiral arremessado perfeitamente com uma velocidade de giro de 120   r p m , a taxa precessional ψ ˙ vai ser igual a zero, de modo que os ângulos θ e β também vão valer zero.

Só nos resta calcular o valor do giro p , dado por:

p = 120 ⋅ 2 π 60 r a d / s

p ≅ 12,57   r a d / s

Passo 3

(b) Para este caso, já sabemos o valor do giro p que é igual a 4 π   r a d / s , e do ângulo θ de 10 ° . Falta calcular o valor da taxa precessional ψ ˙ , dada por:

ψ ˙ = I p I 0 - I ⋅ cos ⁡ θ

ψ ˙ = 0,3 I 0 ( 4 π   r a d / s ) I 0 - 0,3 I 0 ⋅ cos ⁡ 10 °

ψ ˙ ≅ 5,47   r a d / s

E o ângulo β , nós calculamos através da seguinte relação:

tan ⁡ β = I I 0 tan ⁡ θ

tan ⁡ β = 0,3 I 0 I 0 tan ⁡ 10 °

β = tan - 1 ⁡ ( 0,3 ⋅ tan ⁡ 10 ° )

β ≅ 3,03 °

Passo 4

(c) E para o último caso, já temos o valor de θ e de β , que valem 90 ° . Além disso, como o chute foi dado na bola em repouso e ela segue girando em torno de seu eixo transversal, a velocidade de giro vai valer zero ( p = 0 ). Este é um caso especial e quando ele ocorre a taxa precessional ψ ˙ vai ser igualzinha ao valor da velocidade de rotação:

ψ ˙   = 120 ⋅ 2 π 60 r a d / s

ψ ˙   ≅ 12,57   r a d / s

Resposta

(a)

p ≅ 12,57   r a d / s

θ = 0 °

β = 0 °

ψ ˙ = 0   r a d / s

(b)

p ≅ 12,57   r a d / s

θ = 10 °

β ≅ 3 , 0 3 °

ψ ˙ ≅ 5,47   r a d / s

(c)

ψ ˙   ≅ 12,57   r a d / s

p = 0   r a d / s

θ = 90 °

β = 90 °

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