Enunciado

O homem na bicicleta tenta dar a volta no loop elipsoidal sem sair da pista. Determine a velocidade que ele tem de manter em A imediatamente antes de entrar no loop a fim de realizar a proeza. A bicicleta o homem tem massa de 85   kg e um centro de massa de G. Despreze a massa das rodas.

Passo 1

Para determinar a velocidade em que a bicicleta tem que passar no ponto A, primeiramente pode ser aplicado as equações de conservação de energia. No entanto a variável v B 2 tem que ser determinada.

E C A + E g A =   E C B + E g B

1 2 m v A 2 + g m h A =   1 2 m v B 2 + g m h B

Passo 2

v B 2 pode ser determinado a partir da segunda lei de Newton para o momento em que a bicicleta passar em B , de acordo com o DCL a seguir.

∑ F n = m a n        

- N B - P = - m ( v B 2 ρ )

Como o raio de curvatura ρ ainda é desconhecido, pode se determinar a partir de

ρ = 1 + ( d y d x ) 2 3 2 | d 2 y d x 2 |

Sendo que para a geometria para esta situação, temos:

y =   4 3 9 - x 2

d y d x = - 4 3 x 9 - x 2 - 1 2 ​ x = 0 = 0

d 2 y d x 2 = - 4 3 x 2 9 - x 2 - 3 2 + 9 - x - 1 2 | x = 0 =   - 0.4444

O ângulo de inclinação no ponto B é dado por:

tan ⁡ θ = d y d x | x = 0 = 0 θ = 0 °

E o raio de curvatura no ponto B é:

ρ = 1 + ( d y d x ) 2 3 2 | d 2 y d x 2 | = 1 + 0 2 3 2 | - 0.4444 | | = 2,25   m

Como o centro de massa do ciclista fica a 1,2 m da pista, o raio de curvatura do ciclista é:

ρ ' = ρ - 1.2 = 1,05 m

Voltando para,

- N B - P = - m ( v B 2 ρ ' )

0 - P = - m ( v B 2 ρ ' )

        85 9.81 = 85 v B 2 1,05

v B 2 = 10,30   m 2 / s 2

Passo 3

Pela figura a seguir é possível notar que a altura do centro de massa do ciclista no ponto B é 8 - 1.2 - 1.2 = 5,6 m

Aplicando a conservação de energia:

E C A + E g A =   E C B + E g B

1 2 m v A 2 + g m h A =   1 2 m v B 2 + g m h B

1 2 85 v A 2 + 0 =   1 2 ( 85 ) 10,30 + 85 9.81 5.6

Então,

v A = 11,0   m / s

Resposta

A velocidade que o ciclista deve manter em A imediatamente antes de entrar no loop é 11,0   m / s

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