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1.1. Exercícios sobre Generalidades do MHS (Parte 2)

— 1. Oscilações —

— 1.1. Generalidades do MHS —

Exercício 5 .

Um MHS tem {x=5 \cos (10 \pi \ t+ \dfrac{\pi}{2})}.

Determine a velocidade máxima e a aceleração máxima deste movimento.

NÍVEL DE DIFICULDADE: Regular.

Resolução 5 .

O problema trata de um Movimento Harmónico Simples (MHS) cuja posição é descrita por uma função cosseno.

Nos é pedido para determinar a velocidade máxima (amplitude da velocidade) e a aceleração máxima (amplitude da aceleração).

Sendo um MHS, para obter as equações da velocidade e da aceleração, deveremos derivar a posição em função do tempo. A primeira derivada será a velocidade. A segunda derivada será a aceleração.

A amplitude da velocidade e da aceleração serão os coeficientes das funções seno ou cosseno nas equações da velocidade e aceleração.

Sendo que as grandezas estão no SI, os resultados obtidos dos cálculos também estarão no SI.

.

Pelas leis do movimento:

\displaystyle v= \dfrac{dx}{dt}

E:

\displaystyle a= \dfrac{dv}{dt}

Logo:

\displaystyle v= \dfrac{dx}{dt}=\dfrac{d [5 \cos (10 \pi \ t+ \dfrac{\pi}{2})]}{dt}

\displaystyle \Rightarrow v= [5 \cos (10 \pi \ t+ \dfrac{\pi}{2})]'

\displaystyle \Rightarrow v= 5 \cdot (10 \pi \ t+ \dfrac{\pi}{2})' \cdot [-sen (10 \pi \ t+ \dfrac{\pi}{2})]

\displaystyle \Rightarrow v= 5 \cdot 10\pi [- sen (10\pi \ t+ \dfrac{\pi}{2}) ]

\displaystyle \Rightarrow v=-50\pi sen (10 \pi \ t+ \dfrac{\pi}{2})

A partícula em oscilação harmónica atinge a velocidade máxima quando o factor da função seno ou cosseno é igual a {\pm 1}. Na velocidade, isso ocorre quando a partícula passa pela posição de equilíbrio. Neste caso, isso ocorre quando { sen (10\pi \ t+ \dfrac{\pi}{2})=\pm 1}. Para efeitos de cálculos, vamos trabalhar apenas com o valor absoluto.

Neste caso:

\displaystyle v_{max}=| -50 \pi \cdot 1|

Logo, o valor absoluto da velocidade máxima é:

\displaystyle v_{max} = \ 50 \pi \ m/s \approx \ 157,1 \ m/s

Para a aceleração:

\displaystyle a= \dfrac{dv}{dt}=\dfrac{d [-50\pi sen (10 \pi \ t+ \dfrac{\pi}{2})]}{dt}

\displaystyle \Rightarrow a= [-50\pi sen (10 \pi \ t+ \dfrac{\pi}{2})]'

\displaystyle \Rightarrow a= 50\pi \cdot (10 \pi \ t+ \dfrac{\pi}{2})' \cdot [cos (10 \pi \ t+ \dfrac{\pi}{2})]

\displaystyle \Rightarrow a=-50\pi \cdot (10 \pi) \ \cos(10\pi \ t+ \dfrac{\pi}{2} )

\displaystyle \Rightarrow a=-500\pi^2 \ \cos(10\pi \ t+ \dfrac{\pi}{2} )

A partícula em oscilação harmónica atinge a aceleração máxima quando o factor da função seno ou cosseno é igual a {\pm 1}.Na aceleração, isso ocorre quando a partícula passa pela posição de desvio máximo. Neste caso, atinge quando {\cos(10\pi \ t+ \dfrac{\pi}{2})= \pm 1 }. De igual modo, para efeitos de cálculos, vamos trabalhar apenas com o valor absoluto.

Logo, o valor absoluto da aceleração máxima é:

\displaystyle a_{max}= |-500\pi^2 \ \cdot 1 |

\displaystyle \Rightarrow a_{max}=500\pi^2 \ m/s^2 \approx 4934,8 \ m/s^2

.

Exercício 6 .

Um sistema realiza oscilações harmónicas com amplitude de { 2 \ cm} e frequência {10 \ Hz}.

Considerando que oscilação inicia na posição de equilíbrio; Determine a equação desta MHS, se descrito por uma função seno.
NÍVEL DE DIFICULDADE: Elementar.

Resolução 6 .

O problema dado apresenta um MHS onde nos é dado a frequência e a amplitude. Atenção que a amplitude está em {cm} que não é a unidade no SI. Então, teremos de converte-la para o SI.

Nos é pedido para determinar a equação deste MHS.

Para determinar a equação do MHS, precisamos de conhecer a amplitude, a frequência angular e a fase inicial. Usaremos a equação geral do MHS já conhecida.

A frequência angular será determinada pela relação entre frequência angular e linear.

A fase é obtida por análise da posição inicial do movimento e a função trigonométrica a ser usada na descrição desta oscilação.

Dados

{A= \ 2 \ cm= \ 2 \cdot 10 ^{-2} \ m}

{ f= \ 10 \ Hz}

Do estudo generalizado da função seno, conhecemos o gráfico genérico da figura a seguir.

Sabemos a partir dos dados que, no momento inicial, a partícula se encontrava na posição de equilíbrio ({x=0}).

Do gráfico anterior da função seno, observamos que a função seno atinge o zero para vários ângulos ({\varphi = 0}, {\varphi = 180^o}, {\varphi = 360^o}, etc.).Qualquer um dos ângulos anteriores é válido, pois não nos deram nenhuma referência do sentido da oscilação ou da velocidade.

Neste contexto, é costume optarmos pelo primeiro valor.

Pelos argumentos apresentados anteriormente, como a oscilação inicia na posição de equilíbrio,logo { \varphi_0 = \ 0 ^o = \ 0 \ rad }

A euação geral do MHS é:

\displaystyle x= A sen (\omega \cdot t+\varphi_0)

Para escrevermos a equação, temos de saber qual é o valor de {\omega} .

Sabemos que:

\displaystyle \omega = \ 2 \cdot \pi \cdot f

Logo, substituindo {f}, temos:

\displaystyle \omega =2 \cdot \pi \cdot 10

\displaystyle \Rightarrow \omega =20 \pi \ rad/s

Neste caso, substituindo os valores na equação da oscilação,temos:

\displaystyle x= A sen (\omega \cdot t+\varphi_0)

\displaystyle \Rightarrow x= 2 \cdot 10^{-2} sen (20 \pi \cdot t+0)

\displaystyle \Rightarrow x=2 \cdot 10^{-2} \cdot sen (20 \pi \ t)

Exercício 7 .

Numa oscilação, o corpo sai de um extremo outro em { 5 \ s } e chega com uma aceleração de {10 \ cm/s^2}. Determine a equação deste MHS.

NÍVEL DE DIFICULDADE: Regular.

Resolução 7 .

O problema trata de um MHS. Nos é dado directamente o valor da aceleração com que o corpo chega no outro extremo. Na realidade, do conhecimento do MHS, a aceleração que o corpo tem quando atinge o extremo é a aceleração máxima ou amplitude da aceleração.

Também foi fornecida uma informação do tempo de duração da oscilação. Essa informação foi dada de modo indirecto, pelo que, carece de alguma interpretação.

Sabemos que um movimento oscilatório é um movimento de sucessivas aproximação e afastamentos de uma posição fixa chamada de posição de equilíbrio. Então, num MHS o corto move-se ciclicamente do seguinte modo:

  • Sai da posição de equilíbrio para um dos extremos (1º Extremo).
  • Sai deste 1º extremos para a posição de equilíbrio.
  • Sai da posição de equilíbrio para o outro extremos (2º Extremo, no lado oposto).
  • Sai deste 2º extremos para a posição de equilíbrio.

Esta é a descrição de um ciclo completo.

O tempo que a partícula leva a completar o ciclo acima é o período {T}.

Cada um dos movimentos descritos acima tem a mesma duração, para o MHS. Esta duração é de {0,25 \cdot T} ou seja, {\dfrac{T}{4}}.

Para sair de um extremo ao outro, a partícula tem de fazer dois destes movimento. Então, o tempo que a partícula leva a sair de um extremo para outro corresponde então a metade do período.

.

Dados

{a_{max}= \ 10 \ cm/s^2= \ 10 \cdot 10 ^{-2} \ m/s^2= \ 0,1 \ m/s^2}

{ \dfrac{T}{2}= \ 5 \ s}

.

A equação de uma MHS é a seguinte:

\displaystyle x=A sen ( \omega t+\varphi_0)

Precisamos saber qual é o valor da amplitude A, da frequência angular {\omega} e da fase inicial { \varphi_0}.

O fenómeno pode ser analisado conforme a ilustração abaixo:

Onde:

{E_1} – Extremo 1.

{E_2} – Extremo 2.

Pela ilustração é possível observar que os { 5 \ s} levados pelo corpo para sair de um extremo para o outro corresponde à metade do período da oscilação.

Logo:

\displaystyle T=2 \cdot 5=10 \ s

Além disso,nota-se que no momento do inicio da oscilação, o corpo de encontra num dos extremos (Ver figura anterior).

A função seno atinge os extremos quando {\varphi = 90^o}, {\varphi = 207^o}, {\varphi = 450^o}, etc. Reveja o gráfico genérico da função seno.

Sabemos que podemos adoptar qualquer um dos ângulos, visto que não nos é dada nenhuma referência sobre o sentido do movimento ou a velocidade.

Então, o ângulo de fase inicial é:

\displaystyle \varphi_0= \ 90^o= \ \dfrac{\pi}{2} \ rad

Sabemos que:

\displaystyle \omega= \dfrac{2 \pi}{T}

Logo:

\displaystyle \omega= \dfrac{2 \pi}{10}= \dfrac{\pi}{5}

Falta-nos saber o valor da amplitude da oscilação.

O enunciado afirma que o corpo atinge uma aceleração de { 10 \ cm/s^2} quando chega ao outro extremo.

Lembrar que, a aceleração máxima de um movimento é:

\displaystyle a_{max}=A \omega^2

Pretendemos determinar a amplitude. Isolando a amplitude, teremos:

\displaystyle \dfrac{a_{max}}{\omega^2}= \ A

\displaystyle \Rightarrow A= \ \dfrac{a_{max}}{\omega^2}

Substituindo valores, teremos:

\displaystyle A= \ \dfrac{0,1}{(\dfrac{\pi}{5})^2}

\displaystyle \Rightarrow A= \dfrac{0,1}{( \pi / 5)^2}= 0,253 \ m

Substituindo na equação geral, temos:

\displaystyle x=A sen ( \omega t+\varphi_0)

\displaystyle \Rightarrow x = 0,253 \cdot sen ( \dfrac{ \pi}{5} t + \dfrac{\pi}{2})

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