Enunciado
Mecânica e Resistência dos Materiais - Mecânica para Engenharia: Dinâmica Volume 2 - 6ª Edição - James L. Meriam, L. Glenn Kraige- Ed: 6º - Capítulo 4.7 - Ex. 92
Uma extremidade da corrente empilhada cai através de um furo em seu suporte e puxa os elos restantes atrás de si em um fluxo permanente. Se os elos que estão inicialmente em repouso adquirem a velocidade da corrente subitamente e sem resistência ao atrito ou interferência do suporte ou dos elos adjacentes, encontre a velocidade da corrente como uma função de se quando . Encontre também a aceleração na queda da corrente e a energia perdida do sistema quando o último elo deixa a plataforma. (Sugestão: Aplique a Eq. e considere o produto como a variável durante a solução da equação diferencial. Observe também, no momento oportuno, que .) O comprimento total da corrente é , e sua massa por unidade de comprimento é .
Passo 1
Vamos seguir a recomendação do enunciado. Começamos com a seguinte equação:
é a soma das forças externas que agem sobre a corrente. Nesse caso temos apenas o próprio peso da parte que está caindo, então:
Pela mesma lógica, a massa da parte que está caindo é:
E podemos derivar isso em relação ao tempo para encontrar:
E a velocidade é simplesmente a velocidade da corrente:
Então ficamos com a seguinte equação:
Podemos dividir tudo por e reescrever as derivadas:
E agora multiplicamos tudo por :
E agora tomando a outra sugestão do enunciado, vamos usar o fato de que o lado direito dessa equação pode ser escrito como:
Passo 2
Beleza, chegamos em uma equação diferencial bem útil, vamos reorganizar um pouco para facilitar a solução:
Multipliacndo tudo por :
E mais uma vez usando a sugestão do enunciado, lembramos que , então:
E fazendo um último truque, vamos escrever o lado direito da equação:
Beleza, agora podemos integrar dos dois lados:
Agora é só isolar a velocidade:
Passo 3
Para encontrar a aceleração só precisamos derivar essa expressão em relação ao tempo:
Aqui é uma boa ideia separar a constante e depois aplicar a regra da cadeia:
Mas é justamente a velocidade :
Passo 4
Por último queremos saber qual foi a perda de energia do sistema quando o último elo deixa a plataforma. A massa total da corrente é:
Primeiro pensando na energia cinética. Quando a velocidade dos elos é:
E então a variação de energia cinética (considerando que o sistema começa em repouso) é:
Agora pensando na energia potencial gravitacional. Se colocarmos o zero da energia potencial na altura do suporte, inicialmente temos:
E quando o último elo deixa o suporte, o centro de massa está na posição em relação ao nosso zero, então:
E agora é só calcular a perda de energia:
Resposta
A velocidade é , a aceleração é e a perda de energia é .