Enunciado

41. O sistema apresentado é liberado a partir do repouso de uma posição inicial   x 0 . Determine o deslocamento x 1 que ultrapassa a posição de equilíbrio. Assuma um movimento de translação na direção x .

Passo 1

Primeiramente, dado que temos a nossa mola com constante elástica k ; o que temos que fazer é determinar a frequência angular natural do nosso sistema, que é dada pela seguinte relação abaixo:

ω n = k m

E substituindo os valores numéricos pertencentes a cada variável, chegamos à:

ω n = 108   N / m 3   k g

ω n = 6   r a d / s

Passo 2

E agora, vamos lembrar que o fator de amortecimento ξ está relacionado com a frequência natural ω n e o coeficiente de amortecimento viscoso c pela seguinte fórmula:

ξ = c 2 m ω n

Substituindo os valores numéricos que já temos, obtemos que:

ξ = 18   N ⋅ s m 2 3,0   k g ( 6   r a d / s )

ξ = 0,5

A partir desse fator de amortecimento, vamos então, tratar de obter o valor da frequência amortecida ω d , que é dada em função da frequência natural ω n e do fator de amortecimento ξ , por:

ω d = ω n 1 - ξ 2

ω d = ( 6   r a d / s ) ⋅ 1 - ( 0,5 ) 2

ω d ≅ 5,196   r a d / s

Passo 3

Obtido o valor da frequência angular real ω d do oscilador amortecido, vamos agora definir a equação de posição do nosso sistema, a qual é dada por:

x = ( A 1 cos ⁡ ω d t + A 2 sen ⁡ ω d t ) e - ξ ω n t

O valor de A 1 nós já temos, que é a posição inicial x 0 que o corpo é liberado a partir da posição de equilíbrio. Vamos então, derivar x para ver se podemos arranjar alguma coisa com a expressão da velocidade que dela advém:

x ˙ = [ - ξ ω n ( A 1 cos ⁡ ω d t + A 2 sen ⁡ ω d t ) + ω d ( - A 1 sen ⁡ ω d t + A 2 cos ⁡ ω d t ) ] e - ξ ω n t

Só que quando o corpo é liberado em t = 0 , a velocidade é nula. Logo, x ˙   nesse instante de tempo, vale zero:

0 = [ - ξ ω n ( A 1 cos ⁡ ω d t + A 2 sen ⁡ ω d t ) + ω d ( - A 1 sen ⁡ ω d t + A 2 cos ⁡ ω d t ) ] e - ξ ω n t

0 = - ξ ω n A 1 + ω d A 2

ω d A 2 = ξ ω n A 1

A 2 = ξ ω n A 1 ω d

Agora, vamos tratar de substituir o valor de A 2 na equação da posição de x :

x = ( A 1 cos ⁡ ω d t + A 2 sen ⁡ ω d t ) e - ξ ω n t

x = A 1 cos ⁡ ω d t + ξ ω n A 1 ω d sen ⁡ ω d t e - ξ ω n t

x = A 1 ⋅ cos ⁡ ω d t + ξ ω n ω d sen ⁡ ω d t e - ξ ω n t

Só que A 1 = x 0 :

x = x 0 ⋅ cos ⁡ ω d t + ξ ω n ω d sen ⁡ ω d t e - ξ ω n t

Por fim, bora substituir os valores numéricos das variáveis que conhecemos, na equação acima da posição:

x = x 0 ⋅ cos ⁡ 5,196 t + 0,5 ⋅ ( 6   r a d / s )   5,196   r a d / s sen ⁡ 5,196 t e - 5 ⋅ 0,6 t

x = x 0 ⋅ cos ⁡ 5,196 t + 0,577 sen ⁡ 5,196 t e - 3 t

Já achamos a nossa equação de posição! Falta agora o tempo no qual o corpo irá ultrapassar a posição de equilíbrio. Ele é dado a partir da seguinte fórmula:

t = τ d 2 = ω d 2 π ⋅ 1 2    

O tempo a partir do qual o corpo ultrapassa a posição de equilíbrio, é nada mais nada menos do que o tempo de meia oscilação do corpo, cujo valor é dado abaixo por:

t = τ d 2 = 5,196   r a d / s 2 π ⋅ 1 2

t ≅ 0,605   s

Vamos substituir esse tempo na nossa equação da posição e finalmente acabou:

x = x 0 ⋅ [ cos ⁡ ( 5,196 ⋅ 0,605 ) + 0,577 sen ⁡ ( 5,196 ⋅ 0,605 ) ] e - 3 ⋅ 0,605

x ≅ - 0,1630 x 0

Resposta

O deslocamento x 1 que ultrapassa a posição de equilíbrio é de - 0,1630 x 0 .

Ver Outros Exercícios desse livro

Exercícios de Livros Relacionados

Um pêndulo, em seu laboratório de física, tem um comprimento de 75c m e uma bolinha de 15g de massa. Para iniciar o balanço da bolinha, você coloca um ventilador próximo à ela, soprando uma corrente h
Para o cilindro do Prob. 8/8, determine o deslocamento vertical x, medido para baixo no sentido positivo em milímetros, a partir da posição de equilibro, em termos do tempo t, em segundos, medido a pa
Na posição de equilibro, o cilindro de 30 kg provoca uma deflexão estática de 50 mm na mola helicoidal. Se o cilindro é abaixo um adicional de 25 mm e liberado a partir do repouso, calcule a frequênci
Para o sistema do problema 8/3, determine a posição x como uma função do tempo se a massa é liberada no instante de tempo t = 0 a partir de uma posição 50m m à direita da posição de equilíbrio com uma
Para o sistema do Prob. 8/3, determine a posição x da massa como uma função do tempo se a amssa é liberada a partir do repouso no instante de tempo t = 0 de uma posição 50m m à esquerda da posição de