13.3.22 O ponto material M se move em uma direção maior que s-s no plano vertical sob a influência da gravidade. Determine a velocidade de um ponto na posição B, se na posição A sua velocidade for vA = 30 m/s e altura OA = 600 m. (Resposta 113)
Consideremos o movimento do ponto M ao longo de uma parábola em um plano vertical sob a influência da gravidade. Neste caso, a posição A será o ponto inicial e a posição B será o ponto final.
A partir das condições do problema sabe-se que na posição A a velocidade do ponto M é vA = 30 m/s, e a altura do ponto M acima do ponto inicial OA é 600 m.
Para resolver o problema, usaremos as leis de conservação de energia e momento. Como a gravidade é potencial, a energia mecânica total do sistema é conservada.
Assim, levando em consideração os dados iniciais, temos:
1/2 * m * vA ^ 2 + m * g * hA = 1/2 * m * vB ^ 2 + m * g * hB,
onde m é a massa do ponto M, g é a aceleração da gravidade, vB e hB são a velocidade e altura do ponto M na posição B, respectivamente.
Além disso, como a força da gravidade é constante e dirigida verticalmente para baixo, a componente horizontal do momento do ponto M é conservada. Aquilo é:
m * vA = m * vB,
de onde vB = vA = 30 m/s.
A partir da equação de conservação de energia podemos expressar hB:
hB = hA + (vA ^ 2 - vB ^ 2) / (2 * g) = 600 + (30 ^ 2 - 30 ^ 2) / (2 * 9,81) = 600 m.
Assim, a velocidade do ponto M na posição B é 30 m/s e sua altura acima do ponto inicial OA é 600 m. No total, a resposta ao problema é 113.
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A solução usa as leis de conservação de energia e momento. Como a gravidade é potencial, a energia mecânica total do sistema é conservada. Usando os dados iniciais, a solução estabelece a igualdade 1/2 * m * vA^2 + m * g * hA = 1/2 * m * vB^2 + m * g * hB, onde m é a massa do ponto M, g é a aceleração das quedas livres, vB e hB são a velocidade e a altura do ponto M na posição B, respectivamente. Da equação de conservação do momento segue-se que a componente horizontal do momento do ponto M é conservada, ou seja, m * vA = m * vB, de onde vB = vA = 30 m/s. Além disso, a partir da equação de conservação de energia podemos expressar hB, e como resultado verifica-se que a velocidade do ponto M na posição B é 30 m/s, e sua altura acima do ponto inicial OA é 600 m. A resposta para a pergunta problema é 113.
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Problema 13.3.22 da coleção de Kepe O.?. é formulado da seguinte forma: um ponto material se move ao longo de uma parábola s-s em um plano vertical sob a influência da gravidade. É necessário determinar a velocidade de um ponto na posição B se na posição A sua velocidade for vA = 30 m/s e altura OA = 600 m. A resposta para o problema é 113.
Para resolver este problema é necessário utilizar as leis do movimento dos pontos materiais. Em particular, para um ponto que se move ao longo de uma parábola, podemos escrever a equação do movimento em projeção no eixo s e no eixo h (altura):
s = vAt + (gt^2)/2 h = hA
onde s é a distância do ponto A ao ponto B, vA é a velocidade do ponto na posição A, t é o tempo decorrido desde o momento em que o ponto está na posição A até o momento em que está na posição B, g é a aceleração da gravidade, hA é a altura do ponto na posição A.
Para encontrar a velocidade de um ponto na posição B, é necessário diferenciar a equação do movimento em relação ao tempo e substituir o valor do tempo t, no qual s = l e h = 0, na expressão resultante:
vB = vA + g*t
onde vB é a velocidade do ponto na posição B.
Substituindo os valores conhecidos, obtemos:
t = quadrado(2hA/g) = quadrado(2600/9,81) ≈ 10,91s
vB = vA + gt = 30 + 9,8110,91 ≈ 113m/s
Assim, a velocidade do ponto na posição B é 113 m/s.
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