Série IV - Momento Angular (Resoluções Sucintas)

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1 Mecânica e Ondas, 0 Semestre , LEIC Série IV - Momento Angular (Resoluções Sucintas) 1. O momento angular duma partícula em relação à origem é dado por: L = r p a) Uma vez que no movimento uniforme uma partícula se desloca com velocidade constante e, portanto, em linha recta, pode fazer-se coincidir o eixo dos xx com a direcção do movimento, logo: { r = vo t e x + r o v = v o e x substituindo na expressão do momento angular: L = (v o t e x + r o ) mv o e x L = v o t e x mv o e x + r o mv o e x L = 0 + mv o r o e x L = mv o r o e x ou seja, o momento angular vai conservar-se ao longo do movimento, dependendo apenas das condições iniciais. b) No caso do movimento circular uniforme, usando coordenadas cilíndricas para descrever o movimento (sendo o plano polar o plano do movimento), tem-se: { r = ro e r v = v o e θ substituindo na expressão do momento angular: L = r o e r mv o e θ L = mr o v o ( e r e θ ) L = mr o v o e z ou seja, o momento angular vai conservar-se ao longo do movimento, dependendo apenas das condições iniciais.. Colocando a origem do sistema de coordenadas no centro, e descrevendo o sistema em coordenadas polares, tem-se: L = r p e, uma vez que apenas irá actuar uma força radial, o seu momento em relação à origem é nulo, logo o momento angular irá conservar-se. a) e b) Para cada um dos casos, tem-se: 1

2 { r1 = l o e r v 1 = l o θ1 e θ L1 = l o e r ml o θ1 e θ { r = l o e r v = l o θ e θ L = l o e r m l o θ e θ ou seja, { L1 = ml θ o 1 e z L = m ( l o ) θ e z e, uma vez que o momento angular se conserva, tem-se, que L 1 = L : ml o θ 1 = m l o 4 θ θ = 4 θ 1 e para a velocidade, ou seja, v = l o θ = l o 4 θ 1 = l o θ1 v = v 1 c) Se se cortar o fio deixa de actuar a força central e cai-se na situação da partícula livre que se irá deslocar com uma velocidade constante igual à velocidade que a partícula tinha no instante em que o fio foi cortado. 3. O movimento dá-se com velocidade angular constante ω m = 0.5 kg l = 0.90 m T r = = 196 N a) A condição de l = C te implica que a resultante das forças que actuam segundo a direcção radial seja igual a zero: T + F c + p cos θ = 0 T + m v l + mg cos θ = 0 com v = l ω T = mg cos θ m l ω l T = mlω mg cos θ a tensão é máxima no ponto inferior da trajectória, θ = 0: T r = mlωr mg 196 = ω r ω r = 0.6 rad/s b) Para que o movimento seja circular é necessário que T 0, logo: F c + P cos θ 0 ora a situação mais desfavorável corresponde a θ = π, θ mlω m mg = 0 ω m = g l ω m = 3.3 rad/s c) O momento da força gravítica (peso) é dado por:

3 N = r P com P = mg cos θ er mg sen θ e θ N = r e r (mg cos θ e r mg sen θ e θ ) N = mg r sen θ e z para que o movimento seja uniforme é necessário que o momento total seja nulo e, uma vez que o momento da força da gravidade é o único diferente de zero, tem-se: N + N = 0 N = N logo N = mg r sen θ e z 4. Sejam: m = 40 kg AC = 4.8 m d = 0.3 m No equilíbrio, a resistência em A terá de ser perpendicular à parede e em B perpendicular à barra. Colocando um sistema de coordenadas com origem em A e eixo dos xx horizontal e eixo dos yy s vertical, tem-se: R A = R A e x R B = R B sen α e x + R B cos α e y P = mg e y A resultante das forças que actuam a barra terá de ser zero bem como o momento das forças em relação a qualquer ponto (calculemos em relação ao ponto A): { RA + R B + P = 0 AB R AC B + P = 0 ou em componentes: R A R B sen α = 0 R B cos α = cos α R B cos α = 0 tem-se então, R B = cos α 0.3 cos α e como, cos α cos α = 0 cos 3 α = α = 60 o R B = = 784 N R A = = 674 N em resumo: R A = 674 N R B = 784 N α = 60 o 3

4 5. Não havendo forças exteriores a actuar o sistema, o quantidade de movimento total mantem-se constante. a) Colocando um sistema de eixos no centro do halter, sendo o eixo dos xx s o horizontal e o dos yy s o vertical, tem-se para o centro de massa do sistema: v CM = m v+ m 0+m 0 m = 1 4 v = 1 4 v e x v CM = 1.5 e x (m/s) b) No referencial do centro de massa tem-se imediatamente antes dos choque: v 1 = v e x v 4 e x = 3 v 4 e x v = 0 v 4 e x = v 4 e x v 3 = v 4 e x calculando o momento angular imediatamente antes da colisão, L antes = L 1 + L 1 + L ou seja, L antes = a e y m 3 v 4 e x + a e y m ( v 4 e x) a e y m( v 4 e x) L antes = 1 4 a mv e z No instante imediatamente a seguir ao choque, em coordenadas cilíndricas, tem-se logo, L depois = a e r m a θ e θ a e r m( a θ) e θ L depois = 1 4 ma θ er e θ ma θ er e θ L depois = 1 ma θ ez Uma vez que não há forças exteriores, o momento das forças exteriores é nulo, logo o momento angular conserva-se: logo L antes = L depois 1 4 a mv = 1 ma θ θ = 1 a v θ = ω = 5 rad/s c) Cálculo da variação da energia cinética no referencial laboratório: T antes = 1 m v = 5 4 m = 5.0 J T depois = 1 mv CM + T CM depois a energia cinética depois do choque, medida no referencial do centro de massa é: ( ) Tdepois CM = 1 mv mv = 1 m ( a ) θ + ( a ) θ = m a θ 4 = m logo Tdepois CM = 1.56 m (J) 4

5 e substituindo na expressão da energia cinética depois do choque, tem-se: T depois = m m =.5 J e, portanto, a variação da energia cinética é de: T = T depois T antes = =.5 J 6. O momento angular total do sistema é igual à soma dos momentos angulares das partículas. Usando coordenadas cilíndricas em que o eixo dos zz s é o eixo de rotação do sistema. L = L 1 + L e o sistema roda com velociadade angular: ω = ω e θ = θ e θ a) O movimento vai dar-se no plano polar: L = r 1 m v 1 + r m v como se tem: r = r 1 = r e r e v = v 1 = r θ e θ substituindo na expressão do momento angular, L = r 1 m v 1 = (r e r ) (r θ e θ ) L = mr θ ez = ( mr ) ω = I ω b) Escrevendo as expressões das posições e velocidades para este segundo caso, { r1 = r sen ϕ e r + r cos ϕ e z e v 1 = r sen ϕ θ e θ { r = r 1 = r sen ϕ e r r cos ϕ e z v = v 1 = r sen ϕ θ e θ substituindo na expressão do momento angular: L = r 1 m v 1 + r m v = r 1 m v 1 L = (r sen ϕ e r + r cos ϕ e z ) m(r sen ϕ θ e θ ) L = mr θ sen ϕ ( e r e θ ) + mr θ sen ϕ cos ϕ ( ez e θ ) L = ( mr sen ϕ) ( θ e z ) mr sen ϕ cos ϕ ( θ e r ) L = I ω mr sen ϕ cos ϕ ( θ e r ) 7. Seja por o movimento sobre a superfície do cone, com ω = 10 r.p.m = 10 π 60 = 1.05 rad/s l = 4.5 m α = 30 o a) Sendo R o raio da circurferência descrita pela massa: 5

6 sen α = R l 1 = R 4.5 R =.5 m v = ω R = v =.36 m/s b) As forças em jogo sobre a massa m são, em cada instante, sobre a direcção radial e vertical (plano rz), assim, P + T + N = m a em que P, T e N são, respectivamente, o peso, a força exercida pelo fio e a reacção normal: P = mg e z T = T sen α e r + T cos α e z N = N cos α e r + N sen α e z a = ω R e r substituindo então na expressão da lei de Newton e decompondo nas suas componentes: { { T sen α + N cos α = ω R m T 3 N = mg + T cos α + N sen α = 0 3 T + N = resolvendo o sistema: T + 3 T 3 = T = 58 N substituindo, tem-se N = N = 17 N c) Para que a reacção normal seja nula ( N = 0), tem-se substituindo nas equações { { T sen α = ω R m T sen α = ω R m mg + T cos α = 0 T cos α = mg dividindo ordenadamente, logo, tg α = ω R g ω = ω = 1.59 rad/s g tg α R 8. Designando por ϕ o ângulo que o pêndulo faz com a vertical, e por r a direcção radial do fio, tem-sem, para as forças em jogo: { T = T er P = mg cos ϕ e r mg sen ϕ e ϕ aplicando a lei de Newton em cada uma das componentes. Note-se que o pêndulo irá descrever uma circunferência de raio R = l sen ϕ e que a sua aceleração será a = v /R segundo a normal à circunferência, assim, esta aceleração será: a = v R sen ϕ e r v R cos ϕ e ϕ = a = v l e r v l cos ϕ sen ϕ e ϕ v l sen ϕ sen ϕ e r v l sen ϕ cos ϕ e ϕ 6

7 logo, { T + mg cos ϕ = m v l mg sen ϕ = m v cos ϕ l sen ϕ a) e b) Sendo o movimento circular, pode escrever-se: v = ω R = ω l sen ϕ de onde resulta para as equações do movimento { T + mg cos ϕ = mω l sen ϕ mg sen ϕ = mω l sen ϕ cos ϕ da segunda equação: resulta mg sen ϕ = mω l sen ϕ cos ϕ cos ϕ = g ω l e substituindo na primeira equação: obtem-se logo T + mg cos ϕ = mω l sen ϕ T = mg g ω l mω l (1 T = m g ω l mω l + m g ω l T = mω l g ω 4 l ) c) O momento angular da partícula será, L = r m v = (l e r ) m(l sen ϕ ω) e θ em que θ é a direcção correspondente ao movimento de rotação. Tem-se, então, L = l msen ϕ ω ( e r e θ ) = l msen ϕ ω e ϕ a sua projecção sobre o eixo, será: L sen ϕ = l msen ϕ ω 9. Sejam, M Sol = kg R Sol = m G = 6, Nm /kg v o = 500 m/s b = 10 1 m Uma vez que a única força em jogo é a força gravítica e ela é conservativa, a energia mecânica vai conservar-se. Por outro lado, uma vez que estamos perante uma força central, o momento angular total do sistema também se vai conservar. Dada a grande desproporção entre os dois corpos em jogo, podemos considerar o Sol em repouso: 7

8 E o = 1 mv o G M S m r o = 1 mv o (quando r o ) E 1 = 1 mv G M S m d L o = mr o v o sen α = mv o b L 1 = mv d (b = r o sen α parêmetro de impacto) logo { 1 mv o = 1 mv G M S m d mv o b = mv d { v o = v G M S d v o b = v d a) Para resolver o sistema anterior, tem-se a partir da segunda equação v = b d v o e substituindo na primeira equação b v d o = v o + G M S d b v o v o d G M S d = 0 v o d + G M S d b v o = 0 que tem como soluções: d = G M S v o ± ( G M S v o ) + b escolhendo a solução positiva ( ) d = G M S + G MS vo v + b o substituindo os valores, obtem-se d = m substituindo na expressão da velocidade v = b d v o = m/s b) A distância mínima formal para que não colida com o Sol será a distância mínima igual ao raio do Sol, logo, usando a equação obtida na alínea anterior em que d será agora o seu raio R S = G M S v o resolvendo em ordem a b: b = RS + R S G M S vo de onde se obtem b = m ( ) G M + S v + b o 8

9 10. A partir dos dados do problema: R = m M = kg F c = 10 5 N ω = 500 rot/min = 500 π 60 = 6 rad/s a) A partir dos resultados obtidos no anexo, tem-se para o momento de inércia do disco I disco = 1 M R I = I = kg m b) O momento angular é dado por: L = I ω L = L = kg m /s c) A energia cinética é dada por por: E c = 1 I ω E c = E c = J d) A partir da expressão da força de atrito F at = 0.3 F c = N Como a derivada do momento angular é igual ao momento da força de atrito, N = r F e d L dt = N r F = d L dt R F at t = L e, substituindo t = t = s = 18.9 min e) A energia dissipada será dada pela variação da energia cinética: E diss = E f c Ei c = E diss = J 11. Dados iniciais R = 0.15 m M o = 10 kg d = m M 1 = 1 kg a) A partir dos resultados obtidos no anexo, tem-se para o momento de inércia do disco I = I disco = 1 M R I = I = 0.11 kg m b) A partir da conservação da energia mecânica durante a descida da massa M 1, Ec i + Ep i = Ec f + Ep f Ep i = 0 Ec i = 0 Ep f = mg d Ef c = 1 I ω + 1 M 1 v uma vez que a relação entre ω e v é dada por v = ω R, tem-se: 9

10 E f c = 1 1 M o R ω + 1 M 1 ω R = 1 ( M o + M 1 ) R ω tem-se então para a conservação da energia: 0 = 1 ( M o + M 1 ) R ω M 1 g h ω = 1 4 M 1 g h R M o + M 1 ω = 17.1 rad/s c) Usando a relação entre a velocidade linear e angular: v = ω r v = v =.6 m/s d) Para o cálculo do momento angular final: L = I ω L = L = 1.93 kg m /s e) Para o cálculo da energia cinética final, usando a expressão obtida anteriormente E f c = 1 ( M o + M 1) R ω E f c = 1 (10 + 1) E f c = 19.7 J 1. Dados iniciais R = 0.05 m µ = 7.5 g/cm 3 = kg/m 3 A partir daqui pode calcular-se a massa: M = µ V = µ 4 3 π R3 M = π M = 3.9 kg a) A partir dos resultados obtidos no anexo, tem-se para o momento duma esfera I = I esf = 5 M R I = I = kg m b) Da relação entre a velocidade do centro de massa e a velocidade angular: v CM = ω r v CM = ω R e v CM = v o ω = v o R = ω = 60 rad/s c) Usando a expressão do momento angular L = I ω L = L = 0.34 kg m /s d) A partir da expressão da energia cinética: E i c = 1 M v o + 1 I ω = 1 M v o M R ω E i c = 7 10 M v o E i c = E i c = 4.7 J e) Para calcular a altura máxima, pode usar-se a conservação da energia mecânica na subida: E i c + Ei p = Ef c + Ef p 7 10 M v o + 0 = 0 + M g h max h max = 7 v o 10 g = h max = 0.64 m= 64 cm 10