Enunciado

O disco circular ranhurado de 3,6   k g tem um raio de giração em relação ao seu centro O de 150   m m e inicialmente está girando livremente em torno de um eixo vertical fixo através de O com uma velocidade N 1 = 600   r p m . A barra esbelta uniforme A de 0,9   k g está inicialmente em repouso em relação ao disco, na posição central da ranhura conforme mostrado. Uma leve perturbação faz com que a barra deslize para a extremiade da ranhura onde atinge o repouso em relação ao disco. Calcule a nova velocidade angular N 2 do disco, supondo a ausência de atrito no mancal do eixo em O . A presença de atrito na ranhura afeta o resultado final?

Passo 1

A configuração 1 é representada na figura abaixo:

Para essa configuração, temos

H 1 b a r r a =   I - + m r 2 = 1 12 0,9 2 × 0,75 2 + 0,9 0,1 ² × 600 2 π 60 = 11,168   k g × m 2 / s

H 1 d i s c o = 3,6 2 × 0,75 2 × 600 2 π 60 = 508,938   k g × m 2 / s

Passo 2

Como o disco rotaciona no sentido anti-horário, a barra esbelta tende a deslizar para cima e atingir o repouso estando em contato com a extremidade superior da ranhura, confome a figura abaixo.

Note que a distância d entre o centro de massa O do disco e o centro de massa da barra esbelta na configuração 2 é dado por

d 2 = 0,075 2 + 0,1 2               ∴                 d = 0,125   m    

Assim, ficamos com

H 2 b a r r a =   I - + m r 2 = 1 12 0,9 2 × 0,75 2 + 0,9 0,125 ² × N 2 2 π 60 = 0,01914 N 2

H 2 d i s c o = 3,6 2 × 0,75 2 × N 2 2 π 60 = 0,848 N 2

Passo 3

Pela conservação da quantidade de movimento angular, temos

H 1 = H 2

H 1 d i s c o + H 1 b a r r a =   H 2 d i s c o + H 2 b a r r a

Substituindo as expressões encontradas, ficamos com

508,938 + 11,168 = 0,848 N 2 +   0,0191 N 2  

Resolvendo para N 2 , obtemos

N 2 = 599,822   r p m

A presença de atrito na ranhura é considerada uma força interna e, portanto, não interfere na quantidade de movimento angular. Assim, não altera a velocidade angular final do disco.

Resposta

N 2 = 599,822   r p m

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