Enunciado
Mecânica e Resistência dos Materiais - Dinâmica: Mecânica para Engenharia - 12ª Edição - Russel C. Hibbeler- Ed: 12º - Capítulo 13.Problemas - Ex. 39
Suponha que seja possível cavar um túnel liso por baixo da terra de uma cidade em A para uma cidade em B, como mostrado. Pela teoria da gravitação, qualquer veículo C de massa m colocado dentro estaria sujeito a uma força gravitacional que é sempre direcionada para o centro da Terra D. Esta força F tem uma intensidade que é diretamente proporcional à sua distância r do centro da Terra. Por conseguinte, se o veículo tem peso W = mg quando ele está localizado na superfície da Terra, então em uma posição arbitrária r a intensidade da força F é F = (mg/R)r, onde R = 6328 km, o raio da Terra. Se o veículo parte do repouso quando está em B, x = s = 2 Mm, determine o tempo necessário para ele chegar a A, e a velocidade máxima que ele alcança. Despreze o efeito da rotação da Terra no cálculo e suponha que a Terra tenha uma densidade constante. Dica: escreva a equação do movimento na direção x, observando que . Integre, utilizando a relação cinemática vdv = adx, em seguida, integre o resultado utilizando v = dx/dt.
Passo 1
Começaremos o exercício esquematizando o diagrama de corpo livre do sistema:
Agora iremos aplicar a equação do movimento:
Agora iremos aplicar a relação fornecida no enunciado :
Essa será nossa equação 1.
Passo 2
Agora iremos aplicar a equação
No instante x = -s:
Essa será nossa equação 2.
Passo 3
Substituindo o valor do raio da terra e da aceleração da gravidade na equação 2:
Agora, sabemos que a velocidade máxima ocorre para x = 0, então, da equação 1:
Substituindo os valor nessa última expressão: