Enunciado
Mecânica e Resistência dos Materiais - Mecânica para Engenharia: Dinâmica Volume 2 - 6ª Edição - James L. Meriam, L. Glenn Kraige- Ed: 6º - Capítulo 2.2 - Ex. 7
A aceleração de uma partícula que está se movendo ao longo de uma linha reta , onde é em metros por segundo ao qudrado, é uma constante, e é a velocidade em metros por segundo. Determine a velocidade como função tanto do tempo como da posição . Avalie suas expressões para e em se e as condições iniciais no instante são e .
Passo 1
Aqui é preciso ter cuidado, porque a aceleração não foi dada em função do tempo, mas sim da velocidade :
Nosso primeiro objetivo é obter a velocidade como função da posição.
Começamos escrevendo as seguintes equaçães para a velocidade e a aceleração:
Isolando nas duas equações acima, podemos obter um sistema:
E então ficamos com a seguinte equação:
Passo 2
E agora podemos substituir o na equação:
E caímos em uma equação diferencial separáve. Já sabemos como resolver isso: separar e integrar!
E integrando:
E agora precisamos definir as constante de forma que a equação faça sentido:
Então:
E essa é a relação que dá a velocidade em função da posição.
Passo 3
Agora falta obter . Vamos retomar a relação de antes:
Agora vamos substituir a equação que temos para :
E agora caímos em uma equação diferencial separável! Vamos supôr que o movimento começa no instante , de forma que:
Então:
E a integral é bastante simples:
E a função que dá a velocidade em função do tempo é:
E essa é a velocidade em função do tempo.
Passo 4
Agora podemos avaliar as duas funções nas condições fornecidas. As condições são:
E as nossas equações eram:
Agora é só substituir os valores numéricos:
Pronto!
Resposta
As funções são e , e a velocidade é na posição e no instante .