Enunciado
Mecânica e Resistência dos Materiais - Mecânica para Engenharia: Dinâmica Volume 2 - 6ª Edição - James L. Meriam, L. Glenn Kraige- Ed: 6º - Capítulo 3.7 - Ex. 181
O funicular é constituído por duas cabines de passageiros, cada uma com massa , uma em cada extremidade do cabo de comprimento total e massa por uma unidade de comprimento. O sistema é operado pela aplicação de um torque ao tambor de raio no topo da via férrea. Várias voltas do cabo em torno do tambor evitam o escorregamento, e o comprimento do cabo em torno do tambor pode ser desprezado em comparação com . Se as cabines partem do repouso em com constante, desenvolva uma expressão para a velocidade de cada cabine para um determinado valor de . Despreze a massa do tambor e todo atrito.
Passo 1
A grande dificuldade dessa questão está no fato de que o cabo também tem peso! Quando formos considerar a energia potencial gravitacional de um cabo, vamos utilizar o seguinte:
Onde é o comprimento do trech e é a altura do centro de massa do cabo em relação ao zero da energia potencial.
E por conveniência vamos dizer que o zero da energia potencial está na altura do tambor.
Passo 2
O enunciado diz que o sistema começa com , então a energia potencial gravitacional inicial é:
Nesse caso era a altura do centro de massa do cabo mais longo quando . Vamos continuar seguindo essa mesma lógica para montar as próximas expressões.
Olhando de novo para a figura do enunciado, quando temos algum a energia potencial é:
E então:
E então a variação da energia potencial é:
Passo 3
Considerando que o sistema parte do repouso, a energia cinética inicial é:
E a partir daí temos:
E como todas as partes do sistema se movem com a mesma velocidade:
Então a variação da energia total do sistema é:
E nesse caso a variação da energia não é zero, porque existe um torque agindo sobre o sistema e realizando trabalho.
Então:
Passo 4
Agora é só resolver essa equação para encontrar a velocidade:
E então a velocidade é:
Resolvido!
Resposta
A velocidade de cada cabine é .