Enunciado
Mecânica e Resistência dos Materiais - Mecânica para Engenharia: Dinâmica Volume 2 - 6ª Edição - James L. Meriam, L. Glenn Kraige- Ed: 6º - Capítulo 3.4 - Ex. 29
Um jogador arremessa uma bola de beisebol horizontalmente em direção a um radar de mão, tipo pistola, para medição de velocidade. A bola de beisebol tem uma massa de e uma circunferência de . Se a velocidade em é , estime a velocidade como uma função de . Assuma que o arrasto aerodinâmico horizontal sobre a bola de beisebol é dado por , onde é o coeficiente de arrasto, é a massa específica do ar, é a velocidade, e é a área da seção transversal da bola de beisebol. Use um valor de para . Despreze a componente vertical do movimento, mas comente sobre a validade desta hipótese. Avalie sua resposta para , que é a distância aproximada entre a mão do arremessador e a base principal.
Passo 1
Pessoal, como a gente vai desprezar o movimento vertical, a única aceleração da bola será causada pela força de arrasto aerodinâmico . Consideramos o coeficiente de arrasto , a massa específica do ar , e a área da seção transversal da bola calculada assim:
Então, a força de arrasto será:
Aplicando a Segunda Lei de Newton, obtemos uma expressão para a aceleração da bola em termos de sua velocidade:
Passo 2
Como temos em função de , podemos utilizar a seguinte equação diferencial para obter em função de :
Integrando os dois lados, obtemos:
Passo 3
Considerando a velocidade inicial , para um deslocamento de a velocidade teria mudado para:
Agora, será mesmo que é uma boa hipótese desprezar a velocidade vertical? Vamos verificar isso para esses valores específicos de velocidade inicial e deslocamento. No pior dos casos, considerando uma velocidade horizontal constante em todo o trajeto de , o tempo pode ser dado por:
Com esse tempo, a velocidade vertical atingiria:
Então, no pior dos casos, o módulo da velocidade final seria dado por:
Ou seja, a mudança em relação ao valor calculado quando desprezamos o movimento vertical não chegou nem a . Isso significa que, pelo menos para esses valores de e considerados, considerar somente o movimento horizontal é uma hipótese muito válida.