Física IITA - dinâmica no movimento curvilíneo Tópico resolvido

Mecânica: Estática e Dinâmica

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leomaxwell
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ITA - dinâmica no movimento curvilíneo

Mensagem não lida por leomaxwell »

Um aro metálico circular e duas esferas são acoplados conforme mostra a figura ao lado. As esferas dispõem de um furo diametral que lhes permite circular pelo aro sem atrito. O aro começa a girar, a partir do repouso, em torno do diâmetro vertical [tex3]EE'[/tex3] , que passa entre as esferas, até atingir uma velocidade angular constante [tex3]\omega[/tex3] . Sendo [tex3]R[/tex3] o raio do aro, [tex3]m[/tex3] a massa de cada esfera e desprezando-se os atritos, pode-se afirmar que:
Screenshot_83.png
Screenshot_83.png (19.6 KiB) Exibido 1560 vezes
a) As esferas permanecem na parte inferior porque essa é a posição de mínima energia potencial
b) As esferas permanecem a distancia [tex3]r[/tex3] de [tex3]EE'[/tex3] tal que, se [tex3]2\theta[/tex3] for o ângulo central cujo vértice é o centro do aro e cujos lados passam pelo centro das esferas na posição de equilíbrio estável, então [tex3]tg\theta=\frac{\omega^2R}{g}[/tex3] , estando as esferas abaixo do diâmetro horizontal do aro
c) As esferas permanecem a distancia [tex3]r[/tex3] de [tex3]EE'[/tex3] tal que, se [tex3]2\theta[/tex3] for o ângulo central cujo vértice é o centro do aro e cujos lados passam pelo centro das esferas na posição de equilíbrio estável, então [tex3]tg\theta=\frac{\omega^2R}{g}[/tex3] , estando as esferas acima do diâmetro horizontal do aro
d) As alternativas (B) e (C) anteriores estão corretas
e) A posição de maior estabilidade ocorre quando as esferas estão no extremo de um mesmo diâmetro

Última edição: leomaxwell (Seg 11 Set, 2017 12:49). Total de 2 vezes.


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joaopcarv
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Re: ITA - dinâmica no movimento curvilíneo

Mensagem não lida por joaopcarv »

Seria legal, nesse exercício, se eu tivesse um esquema para explicar melhor...

Amanhã de tarde eu acho que consigo fazer um e daí eu dou upload... enfim, vou tentar explicar :

Antes de tudo, as esferas estão na Terra, então elas sentem a aceleração da gravidade [tex3]g[/tex3] .

Além disso, devido à rotação ("saindo do plano do papel - entrando no plano do papel") do aro metálico, as esferas sentem uma aceleração centrípeta [tex3]a_{cp} \ = \ \omega^2 . R[/tex3] .

Vetorialmente, o peso puxa para o centro da Terra (ou seja, para baixo) e a força centípeta da rotação do aro puxa para o eixo de rotação [tex3]EE'[/tex3] do mesmo.

Esses dois vetores não se cancelam! Isso porque as esferas têm força centípeta e, como dito, ela não está direcionada para o peso (logo, não faz sentido fazer [tex3]F_{cp} \ = \ P[/tex3] ...)

Logo, elas vão se distanciar "[tex3]r[/tex3] " do eixo [tex3]EE'[/tex3] .

Como o peso atua sobre elas, elas permanecem abaixo do diâmetro horizontal desse aro metálico.

Agora, faça o desenho :

Desenhe o aro e as duas esferas na parte de baixo, cada uma a uma distância [tex3]r[/tex3] do eixo [tex3]EE'[/tex3] .

Ligue o centro de cada esfera ao centro do aro. Essa ligação que você acabou de fazer é a resultante vetorial das esferas.

O ângulo entre esses dois vetores é [tex3]2 \ . \ \theta[/tex3] .

Temos um triângulo isósceles com dois vetores inclinados iguais e, na parte de baixo, o outro lado medindo [tex3]2 \ . \ r[/tex3] .

Agora, sobre o eixo [tex3]EE'[/tex3] , desenhe o vetor de peso [tex3]P[/tex3] , que contém a aceleração gravitacional [tex3]g[/tex3] .

Por fim, puxando para o eixo [tex3]EE'[/tex3] , sobre as distâncias [tex3]r[/tex3] , desenhe as acelerações centrípetas [tex3]a_{cp}[/tex3] .

Se eu descrevi bem, veja que você dividiu esse triângulo isósceles em dois triângulos retângulos.

O vetor da gravidade corta o ângulo central certinho em dois. Então, cada triângulo retângulo tem um ângulo [tex3]\theta[/tex3] .

Perceba que :

Hipotenusa [tex3]\rightarrow[/tex3] Resultante vetorial;
Cateto oposto ao [tex3]\theta[/tex3] [tex3]\rightarrow[/tex3] Vetor da centrípeta;
Cateto adjacente ao [tex3]\theta[/tex3] [tex3]\rightarrow[/tex3] Vetor da gravidade;

[tex3]tg(\theta) \ = \ \frac{Cateto \ oposto}{Cateto \ adjacente}[/tex3]

[tex3]tg(\theta) \ = \ \frac{a_{cp}}{g}[/tex3]

[tex3]tg(\theta) \ = \ \frac{\omega^2 \ . \ R}{g}[/tex3] [/tex3]

Logo, penso que é [tex3]B)[/tex3] .



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joaopcarv
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Re: ITA - dinâmica no movimento curvilíneo

Mensagem não lida por joaopcarv »

Você tem o gabarito para confirmar?

Questão do ITA é bem atípica mesmo... pelas descrições das alternativas eu fui montando o desenho... mas se você puder confirmar com o gabarito :D

(Ah, e eu não consigo imaginar o aro começando a girar e as esferas subindo "do nada" kkkk por isso acredito eu que não faz sentido elas irem pra cima do diâmetro horizontal)


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Andre13000
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Re: ITA - dinâmica no movimento curvilíneo

Mensagem não lida por Andre13000 »

Penso todo o sistema como uma pista inclinada em círculo... Tome as coordenadas polares do pêndulo. Suponha que uma das esferas, de massa m, se situe a uma distância R do centro, e faz ângulo teta positivo com o eixo vertical. É fácil de ver que a nossa "rampa" tem inclinação teta. A força normal compensa a gravidade e provoca a força centrípeta.

[tex3]F_n\cos \theta=mg\\
F_n=mg\sec \theta\\
F_n\sen\theta=m\omega^2 R\\
mg\tg \theta=m\omega^2R\\
\tg\theta=\frac{\omega^2R}{g}
[/tex3]

O Gabarito é B), pois se a bolinha estivesse acima do eixo horizontal, então a força normal não teria como compensar a gravitacional. De fato, só intensificaria a força para baixo.
Última edição: Andre13000 (Seg 18 Set, 2017 18:35). Total de 2 vezes.


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Re: ITA - dinâmica no movimento curvilíneo

Mensagem não lida por joaopcarv »

De fato, Andre13000, a sua resposta está bem mais completa que a minha, no sentido da teorização, por exemplo.

O jeito que eu pensei está parcialmente errado ou defasado? Só para saber mesmo, essas teorias de física no ITA são puxadas e tal


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Andre13000
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Re: ITA - dinâmica no movimento curvilíneo

Mensagem não lida por Andre13000 »

Olhei e parece tudo certo. Várias análises quanto ao jogo de forças são válidos, desde de que considerem todas as forças.


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joaopcarv
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Re: ITA - dinâmica no movimento curvilíneo

Mensagem não lida por joaopcarv »

Oi, Andre13000.

Obrigado pela verificação !

Você considerou a normal, etc, e eu nem a tinha mencionado. Foi por isso que pedi a sua opinião !

Questões do ITA são loucas mesmo kkkk



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