Uma pequena bola de massa m é suspensa por um barbante de comprimento L. A bola gira com velocidade constante v em um círculo horizontal de raio r. (Como o barbante passa por toda a superfície de um cone, o sistema é chamado de pêndulo cônico.) Encontre uma expressão para v.
Passo 1
Beleza, vamos entender o que está acontecendo aqui. Temos uma bola pequenininha com massa m presa por um barbante de comprimento L. Essa bola está girando em um círculo horizontal com velocidade constante v e raio r. Esse sistema é chamado de pêndulo cônico. Nosso objetivo aqui é encontrar uma expressão para a velocidade v. Para resolver isso, vamos precisar entender um pouco de física, especialmente as forças envolvidas no movimento circular.
Passo 2
Primeiro, vamos visualizar as forças atuando na bola. Existem duas forças principais: a força da gravidade (mg) que puxa a bola para baixo, e a tensão no barbante (T) que tem duas componentes: uma vertical que equilibra a força da gravidade e outra horizontal que fornece a força centrípeta necessária para manter a bola em movimento circular.
Passo 3
Vamos decompor a tensão T no barbante em suas componentes vertical (T_y) e horizontal (T_x). A componente vertical é igual à força da gravidade:
A componente horizontal fornece a força centrípeta (F_c):
Passo 4
Precisamos relacionar o ângulo θ com os comprimentos dados. Sabemos que o raio r do círculo que a bola descreve está relacionado ao comprimento do barbante L e ao ângulo θ pela fórmula:
Isso nos ajuda a expressar T em termos de mg e v.
Passo 5
Dividindo a equação da componente horizontal pela vertical, temos:
Portanto:
Passo 6
Agora, usando a relação entre r, L e θ:
Substituindo na equação de v²:
Passo 7
Finalmente, isolando v, temos:
Mas para simplificar, mantemos a expressão anterior:
Resposta
A velocidade v da bola é dada por: