Enunciado

Na parte inferior de uma acrobacia aérea na qual o avião descreve um círculo em um plano vertical ( r θ ) a uma altitude de 400 metros, o avião P tem uma velocidade horizontal de 600   k m / h e nenhuma aceleração horizontal. O raio de curvatura da trajetória é 1200   m . Para o radar de rastreamento em O , determine os valores de r ¨ e θ ¨ registrado para esse instante.

Passo 1

Vamos primeiro desenhar esse sistema mostrando os ângulos de interesse:

Quem é a aceleração a ? É a aceleração centrípeta do avião, já que ele está descrevendo uma curva. E v é a velocidade do próprio avião.

Quanto vale θ ^ ?

θ ^ = a r c t g 400 1000 = a r c t g 0,4 = 21,8 °

E r :

r = 1000 2 + 400 2 = 1077   m

Passo 2

Bom, a velocidade nós temos que passar para m / s :

v = 600   k m / h = 600 3,6 = 166,7   m / s

Com isso, podemos calcular a aceleração centrípeta:

a = a c t p = v 2 R = 166,7 2 1200 = 23,1   m / s 2

Vamos calcular primeiro v r :

v r = r ˙

Já que é a taxa de crescimento ou decrescimento do raio r . Vamos ter que decompor v na direção r :

Assim:

v r = v c o s 21,8 ° = 166,7 cos ⁡ 21,8 ° = 154,7   m / s

E v θ ? v θ é a velocidade na direção θ :

v θ = - 166,7 s e n 21,8 ° = - 61,9   m / s

Só que:

v θ = r θ ˙     →       - 61,9 = 1077 θ ˙

θ ˙ = - 0,0575 r a d / s

Passo 3

E a aceleração radial? Da mesma forma que a velocidade radial, podemos usar seno e cosseno para calcular:

a r = a s e n 21,8 ° = 23,1 s e n 21,8 ° = 8,58   m / s 2

Só que:

a r = r ¨ - r θ ˙ 2

Então:

8,58 = r ¨ - 1077 - 0,0575 2

r ¨ = 12,15 m / s 2

Passo 4

E a aceleração na direção θ ? Será:

a θ = acos ⁡ 21,8 ° = 23,1 cos ⁡ 21,8 ° = 21,45   m / s 2

Lembrando que:

a θ = r θ ¨ + 2 r ˙ θ ˙

Assim:

21,4 = 1077 θ ¨ + 2 . 154,7 - 0,0575 → θ ¨ = 0,0365   r a d / s 2

Resposta

r ¨ = 12,15   m / s 2

θ ¨ = 0,0365   r a d / s 2

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