Enunciado
Mecânica e Resistência dos Materiais - Mecânica para Engenharia: Dinâmica Volume 2 - 6ª Edição - James L. Meriam, L. Glenn Kraige- Ed: 6º - Capítulo 4.8 - Ex. 104
A extremidade superior da corrente de elos de comprimento e massa por unidade de comprimento é liberada a partir do repouso com a extremidade inferior quase tocando a plataforma da balança. Determine a expressão para a força registrada na balança em função da distância através da qual a extremidade superior cai. (Comentário: A corrente adquire uma velocidade de queda livre de porque os elos sobre a balança não exercem nenhuma força sobre aqueles acima, que ainda estão caindo livremente. Resolva o problema de duas formas: primeiro, pela avaliação da taxa de variação no tempo da quantidade de movimento para toda a corrente e, depois, considerando a força como sendo composta pelo peso dos elos em repouso sobre a balança acrescido da força necessária para desviar um escoamento equivalente de fluido.)
Passo 1
Vamos seguir a sugestão do enunciado: começamos avaliando a taxa de variação no tempo da quantidade de movimento para toda a corrente.
A massa da parte da corrente que está em movimento segue a seguinte expressão:
Já que dá o comprimento da corrente que ainda não chegou até a balança. E como o próprio enunciado também diz, a velocidade desse trecho da corrente varia em função da posição de acordo com a seguinte expressão:
E então a quantidade de movimento linear da corrente é:
Passo 2
Agora vamos usar o fato de que a derivada temporal é igual à soma das forças externas que agem sobre o sistema:
Nesse caso as duas forças que agem sobre a corrente são o peso (voltado para baixo) e a força que a balança exerce para cima (voltada para cima)
E agora vamos substiuir na equação de cima, e usar a expressão que encontramos para :
É uma boa ideia reescrever o parênteses da direita:
E agora tirando a derivada:
Mas , vamos substituir isso na expressão:
E então:
Ótimo, já resolvemos o problema pelo primeiro método.
Passo 3
Agora vamos resolver o problema considerando a força como uma reação à soma do peso dos elos em repouso sobre a balança e do força necessária para o “escoamento da corrente”.
Nesse caso:
Onde é a força “de escoamento” e é o peso da parte da corrente que já está sobre a balança. O peso é:
E usando a equação para a força de escoamento:
E então:
Agora é só substituir na expressão de cima:
E como esperado, o resultado é o mesmo do método anterior.
Resposta
A força registrada na balança é .