Enunciado

Em 1993 , o ônibus espacial capturou o telescópio Hubble em órbita e fixou-o ao compartimento de carga para reparos, na configuração simulada na figura. Durante o período de reparo era importante limitar qualquer aceleração angular do ônibus espacial de modo a não induzir forças excessivas nas travas que prendiam o telescópio ao ônibus. Para ilustrar a dinâmica envolvida, substitua o telescópio por uma placa plana homogênea de 3000   k g presa na forma simplificada indicada na vista explodida. Calcule a acelreação angular máxima α no sentido anti-horário que o ônibus espacial pode ter, de modo a não exceder uma tração T A de 2   k N no elemento de ligação em A . Para essa condição, calcule também a força correspondente F B suportada pelo pino em B . Faça seus cálculos em relação a um sistema de referência sem rotação que se desloca com o ônibus espacial em sua órbita.

Passo 1

Vamos começar representando as forças que agem sobre a placa homogênea:

Onde consideramos que, por estar em órbita, a placa não tem peso no referencial do ônibus espacial.

Passo 2

Agora vamos calcular o momento resultante em relação ao ponto B , com a intenção de encontrar a aceleração angular no caso limite em que T A = 2   k N .

∑ M B = I - α + m a - r -

A única força que produz momento em relação ao ponto B é T A , que está a uma distância perpendicular de 4   m :

4 T A = I - α + m r - α r -

E podemos calcular a distância r - entre o centro de massa e o ponto B usando o teorema de pitágoras:

r - = 6 2 + 2 2 = 6,32   m

E então:

4 T A = I - α + 6,32 2 3000 α

α = 4 ( 2000 ) I - + 6,32 2 3000

E o momento de inércia da chapa retangular é:

I - = 1 12 m 4 2 + 12 2 = 3000 12 160 = 40   000   k g   m 2

Então:

α = 4 ( 2000 ) 40000 + 6,32 2 3000 = 0,05   r a d / s 2

Passo 3

Agora que conhecemos a aceleração angular, podemos aplicar a segunda lei de Newton para encontrar as forças B n e B t .

Começamos analisando a direção normal, onde a força resultante é nula:

∑ F n = 0

B n - T A cos ⁡ θ = 0

Onde θ é um ângulo que vamos definir em breve.

E na direção tangencial:

∑ F t = m a t

T A sen ⁡ θ + B t = m α r -

Então as componentes são:

B t = m α r - - T A sen ⁡ θ

B n = T A cos ⁡ θ

Onde θ é o seguinte ângulo:

θ = arctan ⁡ 2 6 = 18,43 °

Agora vamos substituir isso, e os outros valore numéricos, nas nossas expressões para as forças em B .

Começando pela tangencial:

B t = m α r - - T A sen ⁡ θ

B t = 3000 0,05 6,32 - 2000 sen ⁡ 18,43 ° = 316   N

E a componente normal é:

B n = T A cos ⁡ θ

B n = 2000 cos ⁡ 18,43 ° = 1897   N

De forma que o módulo total da força B é:

B = B n 2 + B t 2 = 1897 2 + 316 2 = 1923   N  

Resposta

A força total suportada em B é de 1923   N , e a aceleração angular máxima é α = 0,05   r a d / s 2 .

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