Exercícios Resolvidos de Rolamento com Deslizamento

Halliday, David, Fundamentos de física, volume I : mecânica, 8 ed. Rio de Janeiro : TLC, 2008, pp. 319-13.

Um jogador de boliche arremessa uma bola de raio R = 11   c m ao longo de uma pista. A bola (Fig. 11-37) desliza sobre a pista com velocidade inicial v c m , 0 = 8,5   m / s e a velocidade angular inicial ω 0 = 0 . O coeficiente de atrito cinético entre a bola e a pista é 0,21 . A força de atrito cinético f → , que age sobre a bola produz uma aceleração linear e uma aceleração angular. Quando a velocidade v c m diminui o suficiente e a velocidade angular ω aumenta o suficiente, a bola pára de deslizar e passa a rolar suavemente. (a) Qual é o valor de v c m em termos de ω nesse instante? Durante o deslizamento, quais são (b) a aceleração linear e (c) a aceleração angular da bola? (d) Por quanto tempo a bola desliza? (e) Que distância a bola desliza? (f) Qual é a velocidade linear da bola quando começa a rolar suavemente?

Passo 1

Como dito no enunciado, o movimento da bola é dividido em duas partes:

  • Deslizamento: A força de atrito age diminuindo a velocidade linear e aumentando a velocidade angular, até esta última chegar no valor certo para a bola começar a rolar;
  • Rolamento: A força de atrito cinético deixa de agir e a bola entra em um movimento regular de translação e rotação.

Se a velocidade linear e a velocidade angular estão mudando, temos aceleração linear e aceleração angular agindo! Vamos fazer o diagrama de corpo livre da bola pra tentar entender:

Agora vamos analisar como essas forças agem em cada movimento: rotação e translação.

MOSTRAR SOLUÇÃO COMPLETA

Passo 2

Na translação, temos que a bola não se move na vertical, portanto, pela primeira lei de Newton:

P - N = 0 → P = N

Vamos arbitrar que o eixo x cresce para a direita, no mesmo sentido da velocidade inicial da bola. Portanto, usando a segunda lei de Newton no eixo horizontal:

f = - M a

f é a força de atrito cinético, portanto, tem valor constante:

f = μ N → f = μ P

E então:

a = - μ P M → a = - μ g

Substituindo os valores:

a → = -   0,21   .   9,8   i ^ → a → = - 2,06 m s 2 i ^

Isso responde a letra (b), mas vamos guardar o nosso resultado!

Passo 3

Já para a rotação, temos que, em relação ao centro de massa da esfera, somente a força f realiza torque, portanto:

τ = - R f

Sabemos que f tem valor constante:

τ = - μ R N → τ = - μ R P

Se usarmos a segunda lei de Newton da rotação:

τ = I α

O momento de inércia da esfera é tabelado:

I = 2 5 M R 2

Portanto:

- μ R M g = 2 5 M R 2 α

E conseguimos o valor para a aceleração angular:

α = - 5 2 μ g R

Substituindo os valores:

α = - 5 2 0,21   .   9,8 0,11 → α = - 46,77   r a d / s 2

Isso responde a letra (c)!

Passo 4

Aprendemos que a característica principal do rolamento sem deslizamento é:

v C M = - ω R

Substituindo os valores:

v C M = - 0,11 ω

Isso nos responde a letra (a)!

Passo 5

Agora nós temos a relação entre v C M e ω , bem como essas duas grandezas variam com o tempo, saca só:

v c m = v 0 + a t

ω = ω 0 + α t

Juntando tudo, temos:

v 0 + a t = - 0,11 ( ω 0 + α t )

Dessa equação, já temos os valores de:

  • v 0 , dado no enunciado, é igual a 8 , 5   m / s
  • a , encontrado no Passo 2, é igual a - 2,06   m / s 2
  • ω 0 , dado no enunciado, é igual a 0
  • α , encontrado no Passo 3, é igual a - 46,77   r a d / s 2

Substituindo os valores:

8 , 5 - 2,06 t = 0,11   .   46,77 t

t = 8 , 5 7,2047 → t = 1,18   s

Show! Estamos quase lá! Isso aí já responde a letra (d).

Passo 6

Com o tempo que a bola fica deslizando, é fácil encontrar as respostas das letras (e) e (f).

Pra descobrirmos a distância, vamos usar a equação clássica da cinemática:

S = S 0 + v 0 t + a t 2 2

Com:

  • Queremos descobrir quanto ela andou, portanto, S 0 = 0
  • v 0 , dado no enunciado, é igual a 8 , 5   m / s
  • a , encontrado no Passo 2, é igual a - 2,06   m / s 2
  • t , encontrado no Passo 5, é igual a 1,18   s

Substituindo tudo:

S = 8 , 5   .   1,18 - 2,06   .   1,18 2 2

S = 8,60   m

Respondendo, assim, a letra (e).

Passo 7

É agora hein! Pra terminar! Só usar mais uma equação clássica da cinemática:

v C M = v 0 + a t

Onde:

  • v 0 , dado no enunciado, é igual a 8 , 5   m / s
  • a , encontrado no Passo 2, é igual a - 2,06   m / s 2
  • t , encontrado no Passo 5, é igual a 1,18   s

Substituindo:

v C M = 8 , 5 - 2,06   .   1,18

v C M = 6,07   m / s

Fechou! Respondemos o que faltava.

Resposta

  1. v C M = - 0,11 ω
  2. a = - 2,06   m / s 2
  3. α = - 46,77   r a d / s 2
  4. t = 8,5 7,2047 → t = 1,18   s
  5. S = 8,60   m
  6. v C M = 6,07   m / s

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