Enunciado
Física - Mecânica para Engenharia: Dinâmica Volume 2 - 6ª Edição - James L. Meriam, L. Glenn Kraige- Ed: 6º - Capítulo 8.5 - Ex. 99
99. Desenvolva a equação do movimento para o pêndulo , que consiste na haste esbelta uniforme de massa e na esfera de massa . Assuma pequenas oscilações e despreze o raio da esfera.
Passo 1
Bom, primeiro, a gente tem que calcular o momento de inércia do sistema. Ela se consiste na soma da momento de inércia da haste e do momento de inércia da esfera.
Passo 2
Agora, vamos montar a relação de energia. Consideraremos que não há perda de energia, então:
Para a temos:
Agora, para a , temos a da haste e a da esfera.
De forma que a da esfera é dada por:
E como obtemos esse valor acima? Bom, primeiro a gente define como potencial zero o ponto mais baixo, ou seja, quando o ângulo vale zero. Depois disso, a gente calcula a energia potencial da esfera em relação ao ponto quando o ângulo vale zero e quando ele é diferente de zero. E em seguida, fazemos a diferença entre elas.
E por último a da haste é dada por:
Para a haste fizemos o mesmo procedimento que a esfera.
Fazendo a soma de todas as energias, temos a energia total
Passo 3
Agora que temos a energia total , vamos derivar a equação em relação ao tempo e considerar como sendo um ângulo bem pequeno ().
Simplificando a expressão acima:
Resposta
A equação de movimento para o pêndulo será: