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sábado, 3 de março de 2012

Exercício resolvido - Quantidade de movimento

Duas bolas de boliche aproximam-se, ambas em movimento sobre um trilho. A primeira, de massa m1, se desloca com velocidade v1 e a segunda, de massa m2, com v2. Qual a velocidade do centro de massa? Qual a velocidade do centro de massa do sistema após as bolas colidirem elasticamente? Qual é a quantidade de movimento do sistema antes e qual passa a ser após a colisão e por quê?

Solução:
1ª pergunta
Considerando cada uma das bolas como sendo uma partícula onde sua massa esta concentrada em seu centro de massa, temos que para calcular o centro de massa do sistema, devemos utilizar a fórmula:


Onde CM é a localização do centro de massa, m1 e m2 as massas de cada uma das bolas e r1 e r2 as coordenadas da posição do centro de massa de cada uma das bolas.

Assim, devemos supor uma posição inicial para cada uma das bolas, tal procedimento não vai alterar o resultado, já que será irrelevante.

Posição da bola 1: Supondo que a bola 1 parte do ponto (0,0) e se desloca em direção à bola 2, podemos dizer que não há alteração da posição das bolas na direção y, e sim, somente na x. Logo, a posição da bola 1 em qualquer tempo pode ser descrita por:
r1 = (v1*t, 0 ), onde v1 é a velocidade da bola 1.

O mesmo deve ser feito para a bola 2
r2 = (v2*t, 0). 

CM = [m1*(v1*t, 0 ) + m2*(v2*t, 0)] / (m1 + m2)
CM = (m1*v1*t + m2*v2*t , 0) / (m1 + m2)
CM = t*(m1*v1 + m2*v2 , 0) / (m1 + m2)
Ou seja, o CM tem deslocamento somente no eixo x, pois o deslocamento no eixo y é nulo.
CM = t*(m1*v1 + m2*v2) / (m1 + m2)
Como o deslocamento é em apenas uma direção (x), basta dividir CM por t e obtemos a velocidade do centro de massa

Logo, a velocidade do centro de massa será VCM = CM/t = (m1*V1 + m2*V2) / (m1 + m2)

2ª Pergunta:
Em qualquer choque, há conservação da quantidade de movimento.
Conservação da quantidade de movimento:
m1*V1 + m2*V2 = m1*V1depois + m2*V2depois
Como a velocidade do centro de massa depois do choque será:
VCM = (m1*V1depois + m2*V2depois) / (m1 + m2) = (m1*V1 + m2*V2) / (m1 + m2). Ou seja, não há variação da velocidade do centro de massa do sistema.

3ª Pergunta:
A quantidade de movimento do sistema antes é m1*V1 + m2*V2 e depois passa a ser 
m1*V1depois + m2*V2depois, porém elas são iguais pois não há variação da quantidade de movimento.
O motivo disso é a segunda lei de newton que fala que a força é a variação infinitesimal da quantidade de movimento. Ou seja, para que ocorra variação na quantidade de movimento de qualquer corpo, é necessário que exista uma força externa agindo nele. Neste caso, considerando o sistema formado pelas duas bolas, nenhuma força externa age nelas e sim, somente o choque entre elas, porém esta força é interna. logo, a quantidade de movimento nunca vai se alterar em um choque, seja ele elástico, inelástico ou perfeitamente inelástico.

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