Enunciado

Substitua a corda do Prob. 4 / 90 por uma corrente de elos com a mesma massa ρ por unidade de comprimento. A extremidade livre recebe uma velocidade constante para cima v . Escreva expressões para P , para a tração T 1 na parte inferior da parte móvel, e para a força R que suporta a extremidade fixa em termos de x . Encontre também a perda de energia Q em termos de x .

Figura do Prob. 4 / 90 :

Passo 1

Vamos começar procurando uma expressão para a tração T 1 na parte inferior da parte móvel.

Bom, essa tração é uma reação ao fato de que a corrente está sendo puxada para cima, gerando um “escoamento” para o lado direito. Olhando para a figura podemos ver que a massa de corrente do lado direito é:

m = ρ x 2

E então a taxa m ' é:

m ' = d d t ρ x 2 = 1 2 ρ v

E já qua a corrente adquite uma velocidade constante v :

T 1 = m ' Δ v = 1 2 ρ v 2

Passo 2

Agora vamos olhar par a parte direita da corrente (a que está em movimento), como a sua velocidade é constante, podemos garantir que a soma das força externas é nula:

∑ F x = 0

E as forças que agem sobre essa parte da corrente são:

∑ F x = P - ρ g x 2 - 1 2 ρ v 2

P - ρ g x 2 - 1 2 ρ v 2 = 0

P = 1 2 ρ ( v 2 + g x )

Passo 3

Beleza, já temos a força P , agora vamos procurar R . Vamos fazer algo parecido com o passo 2 , mas aplicando ao lado esquerdo da corrente:

∑ F x = 0

∑ F x = R - ρ g L - x 2

Onde L - x 2 é o comprimento da parte esquerda (fixa) da corrente.

R - ρ g L - x 2 = 0

R = ρ g L - x 2

É interessante ver que, ao contrário do que acontece no problema 4 / 90 , em que tratamos de uma corda, a tensão sobre o lado esquerdo da corrente é nula.

Passo 4

Falta calcular a perda de energia Q em termos de x . Vamos começar pensar um pouco na energia do sistema. A variação da energia cinética é:

Δ T = 1 2 ρ x 2 v 2

Porque estamos considerando simplesmente a massa e a velocidade da parte móvel. Pela mesma lógica, a variação da energia potencial do sistema também se deve apenas à elevação dessa parte:

Δ V g = g   ρ x 2 x 2 = ρ g x 2 4

Como a única força produzindo deslocamento na direção da cordenada x é P , podemos considerar que o trabalho realizado sobre o sistema é:

P x = 1 2 ρ ( v 2 + g x ) x

E a diferença entre esse trabalho e a variação da energia mecânica é a perda de energia que estamos procurando:

Q = P x - ( Δ V g + Δ T )

Q = 1 2 ρ v 2 x + g x 2 - 1 4 ρ ( g x 2 + v 2 x )

Q = 1 4 ρ ( g x 2 + v 2 x )

Resposta

T 1 = 1 2 ρ v 2 , R = ρ g L - x 2 , P = 1 2 ρ ( v 2 + g x ) e Q = 1 4 ρ ( g x 2 + v 2 x ) .

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