Moyses - Curso de Física Básica, Mecânica, Problema Resolvido 13.2
13.2) Um bloco de massa $m=1kg$, capaz de deslizar com atrito desprezível sobre um carrinho, está preso a uma mola de constante $k=25N/m$, inicialmente relaxada figura 1. O carrinho é acelerado, a partir do repouso, com aceleração constante A, sendo $|A|=2,5m/s^2$. mostre que o bloco adquire um movimento harmônico simples e calcule. (a) a amplitude do movimento; (b) o período; (c) a compressão máxima da mola.
Adotando o referencial sobre o carinho existe uma força puxando-o para a direita com uma força $F_A$ que depende da aceleração $A$, porém no referencial do bloco existe uma força $-F_A$ puxando o bloco para a esquerda e consequentemente comprimindo a mola, a mola responde com uma força elástica $F_e$, sendo assim o diagrama de força do bloco será,
Usando a segunda lei de Newton escreveremos as equações de movimento, considerando a aceleração devida ao movimento do carrinho,
$$\left\lbrace \begin{array}{ll}
N-P=0\ \ \ (1)\\
F_e-F_A=ma'\ \ \ (2)\\
\end{array}\right. $$
Usando a equação (2) obtemos que,
$$F_e-F_A=ma'\Rightarrow$$
$$kx-mA=ma'\Rightarrow$$
$$kx=ma'+mA\Rightarrow$$
$$kx=m(a'+A)\Rightarrow$$
Fazendo $a=a'+A$,
$$kx=ma$$
Como a aceleração é a segunda derivada temporal da posição x então,
$$\frac{k}{m}x=\ddot{x}\Rightarrow$$
$$\ddot{x}-\frac{k}{m}x=0\ \ \ (3)$$
Se o movimento do bloco é um movimento harmônico simples então, $x=\gamma\cos\omega t$ é uma possível solução da equação (3), tomando as derivadas temporais da suposta solução obtemos,
$$\left\lbrace \begin{array}{ll}
x=\gamma\cos\omega t\ \ \ (4)\\
\ddot{x}=-\gamma\omega^2\cos\omega t\ \ \ (5)\\
\end{array}\right. $$
Substituindo (4) e (5) em (3) obtemos,
$$-\gamma\omega^2\cos\omega t+\frac{k}{m}\gamma\cos\omega t=0\Rightarrow$$
$$-\omega^2+\frac{k}{m}=0\Rightarrow$$
$$\omega=\sqrt{\frac{k}{m}}$$
O Período de uma movimento desse tipo é dado por $T=\frac{1}{f}=\frac{2\pi}{\omega}$, onde $\omega$ é a velocidade angular, no caso,
$$T=2\pi\sqrt{\frac{m}{k}}\ \ \ \ (6)$$
Sabendo que a compressão máxima é devida pela aceleração do carinho
$$F_e=-mA\Rightarrow$$
$$-k\Delta x=-mA\Rightarrow$$
$$\Delta x=\frac{mA}{k}\ \ \ \ (7)$$
As respostas são dadas pelas equações (6) e (7)
$$\left\lbrace \begin{array}{lll}
T=1,26s\\
\Delta x=0,1m\\
\end{array}\right. $$
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