Física - Ideia 16

Escrito por Paulo Henrique

Introdução à parábola de segurança

Nessa ideia, trabalharemos com uma poderosa ferramenta para resolução de problemas que envolvem lançamentos de projéteis: a parábola de segurança. Em muitos casos, quando o problema trata de casos limites, não é necessário recorrer ao cálculo para resolvê-lo: a parábola de segurança dá conta.

Resolvendo as equações de movimento

Considere que um projétil, denominado p, seja lançado a partir da origem do sistema de coordenadas sujeito somente à gravidade, suposta constante. Se definirmos um plano \Sigma tal que a velocidade inicial V_0 de p seja paralelo a ele, evidentemente, o movimento se dá no plano \Sigma. Sendo assim, adotemos coordenadas cartesianas, conforme a figura abaixo:

Defina \vec{r}(t)=x\hat{x}+y\hat{y} como a posição de p em relação à origem adotada. Como p está sujeito apenas a força m\vec{g}, a segunda lei de Newton nos diz que

m\vec{a}(t)=m\vec{g}          (1)

A equação vetorial acima equivale a duas equações escalares, uma para cada eixo coordenado

ma_{y}=-mg         (2)

ma_{x}=0          (3)

Sujeita as condições iniciais

x(0)=y(0)=0          (4)

\vec{v}(0)=\vec{V_0}          (5)

Depois de resolvidas, e aplicado as condições iniciais (4) e (5), as equações de movimento são reduzidas a:

y(t)=(\vec{V_0}\cdot{\hat{y}})t-\frac{gt^2}{2}          (6)

x(t)=(\vec{V_0}\cdot{\hat{x}})t          (7)

Seja \alpha o ângulo que V_0 faz com o eixo x.  Com essa definição em mãos as velocidades inciais em (6) e (7) tornam-se, respectivamente: \vec{V_0}\cdot{\hat{y}}=V_0\sin{\alpha} e \vec{V_0}\cdot{\hat{x}}=V_0\cos{\alpha}. Isolemos t em (7) e substituemos em (6), o resultado é

y(\tan{\alpha},x)=x\tan{\alpha}-\frac{gx^2}{2V_0^2}-\frac{gx^2}{2V_0^2}{\tan{\alpha}}^2   (8)

Observe que foi usada a identidade trigonométrica

\sec{\theta}^2=1+\tan{\theta}^2          (9)

E, além disso, evidenciei que y é função explícita de \tan{\alpha} e x, apesar dos dois poderem ser escritos como função do tempo apenas.

Veja que (9) representa uma equação quadrática para \tan{\alpha}. Portanto, resolvendo para \tan{\alpha}

\tan{\alpha}=\dfrac{-x\pm\sqrt{x^2+2\frac{gx^2}{V_0^2}(-\frac{gx^2}{2V_0^2}-y)}}{-\frac{gx^2}{V_0^2}}          (10)

Condição subsidiária da solução da equação quadrática

Se considerarmos apenas as soluções fisicamente viáveis, o termo dentro da raiz quadrada deve ser não negativo. Isso nos remete a seguinte condição

y\le{\frac{V_0^2}{2g}-\frac{gx^2}{2V_0^2}}          (11)

Um fato interessante é que (11) representa, assim como y(x), uma parábola.

Ánalise incial da equação da parábola de segurança

Nesse ponto, devemos nos questionar a respeito do significado de (11).  Primeiramente, consideremos a equação (8): ela representa a trajetória real do projétil p, dado o ângulo de lançamento \alpha e a velocidade incial V_0. No intervalo \frac{\pi}{2}\le{\alpha}\le{\frac{\pi}{2}} a equação (8) define uma família de trajetórias parabólicas F(V_0), que depende de V_0, de acordo com a figura abaixo

Todas as trajétorias da figura possuem em comum a velocidade incial V_0, enquanto o ângulo de lançamento é variado. De acordo com (11), independentemente do ângulo \alpha, a altura de p está restrita e tem um valor máximo, dependendo da posição escolhida (x)

Y=\frac{V_0^2}{2g}-\frac{gx^2}{2V_0^2}          (12)

Onde, na nossa notação, Y se refere ao caso em que é tornada a identidade em (11). Veja, dada uma velocidade inicial, a equação (12) determina a altura máxima possível para cada valor de x. Sendo assim, a equação (12) é a envoltória de F(V_0). A envoltória define o lugar geométrico dos pontos acessíveis para p: a área abaixo da curva no gráfico Y(x) versus x. Os pontos fora da parábola de segurança jamais serão atingidos, daí o nome da curva. Vale ressaltar que para obter a região de segurança no espaço tridimensional deve ser feita a rotação da parábola em torno do seu eixo de simetria, visto que \vec{V_0} pode não ser paralelo a \Sigma, o plano escolhido para a análise. Nesse caso, o lugar geométrico dos pontos acesséveis à p é o volume varrido pela parábola de segurança numa volta completa. Antes de prosseguirmos com nossa análise, façamos uma explicação do que foi feito até aqui:

"Dado um ponto A no espaço e fixada uma velocidade inicial V_0, com qual ângulo \alpha_0 deve-se lançar p de forma a atingir esse ponto?"

Essa pergunta é respondida atráves de (10), fornecido as coordenadas do ponto A: (x_A,y_A)

\tan{\alpha_0}=\dfrac{-x_A \pm\sqrt{x^2_A+2\frac{gx_A^2}{V_0^2}(-\frac{gx_A^2}{2V_0^2}-y_A)}}{-\frac{gx_A^2}{V_0^2}}          (13)

Dessa forma, temos três possibilidades, dependendo da quantidade \Delta\equiv{x_A^2+2\frac{gx_A^2}{V_0^2}(-\frac{gx_A^2}{2V_0^2}-y_A)}:

Se \Delta>0

Teremos duas soluções distintas em (13), de tal forma que as trajetórias descritas y(x) estão localizadas na região de segurança.

Se \Delta<0

A equação (13) não possui solução real e não há nenhum ângulo que faça a trajetória passar pelo ponto A. Isso é de se esperar. Se p é lançado com uma velocidade suficientemente pequena não há ângulo que o faça atingir A. Assim como você não consegue atingir uma pedra na lua escolhendo o ângulo certo. O ponto A, nesse caso, está fora da região de segurança.

Se \Delta=0

As duas soluções em (13) são iguais, portanto, apenas um ângulo deve ser escolhido a fim de atingir A. Nesse caso, o ponto A está sobre a parábola de segurança, como deveria estar, visto que a parábola de segurança é definida tomando \Delta=0.

Obtendo as coordenadas do ponto A

Conforme vimos, as coordenadas do ponto A, no caso em que \Delta=0 são obtidas por meio de (12)

Y_A=\frac{V_0^2}{2g}-\frac{gx_A^2}{2V_0^2}          (14)

A equação (14) é comumente chamada de equação da parábola de segurança. Observe que ela nos fornece os pontos limites que podem ser atingidos por p. A palavra limite no sentido que, para um mesmo ângulo de lançamento \alpha_0 uma velocidade um pouco maior V_{0k}=V_0+\delta faria p ultrapassar a zona de segurança.

O angulo de lançamento \alpha_0

Notação: A partir de agora, o ângulo de lançamento \alpha_0 se refere somente aos caso limite em que \Delta=0. Portanto, se algum poblema trata de otmização de ângulo, é nele em que devemos focar.

Na análise das duas seções anteriores, focamos na determinação das coordenadas do ponto A, e quanto ao ângulo, como calcular explicitamente? Ora, dado que \Delta=0 (correspondendo aos casos limites), temos, de acordo com (13)

Ideia 1  \tan{\alpha_0}=\frac{V_0^2}{gx_A}          (15)

A equação acima junto com a equação da parábola de segurança formam uma poderosa ferramenta, que serão usadas para exemplicar o poderio dessa ideia

Exemplo 1

Você joga uma bola com velocidade V_0 em uma parede vertical, a uma distância l. Qual deve ser o ângulo de lançamento tal que a bola atinge a parede o mais alto possível?

Solução:

Aplicação direta de (15), visto que, no caso limite o ponto atingido pertence à parábola de segurança.

\tan{\alpha_0}=\frac{V_0^2}{gl}          (16)

Observe que, como o alcance máximo do projétil é \frac{V_0^2}{g}, devemos ter

l<\frac{V_0^2}{g}          (17)

Caso contrário, a bola nem chegaria na parde.

Velocidade mínima

Talvez o caso de mais interesse em problemas de olímpiadas seja esse: determinar a velocidade mínima que um projétil deve ser lançado a fim de atingir certa região. Observe o seguinte fato

Ideia 2 "Se um projétil é lançado com velocidade inicial mínima (necessária para atingir o ponto A), a trajetória é tangente à parábola de segurança no ponto A"

Para mostrar que isso é verdade considere que você almeje atingir um dado ponto B do espaço. Para atingir tal meta, você estipula uma velocidade inicial V_1. Essa velocidade define uma família de trajetórias F(V_1). Suponha que o ponto B está fora da região de segurança. Sendo assim, você precisa aumentar sua região de segurança. Como fazer isso? Ora, basta aumentar a velocidade de V_1 para um certo valor V_2, que define outra familía de trajetórias F(V_2) mais abrangente. Suponha que o ponto B ainda esteja fora dessa nova região de segurança. Novamente, você aumenta a velocidade incial de V_2 até V_3, e assim sucessivamente, o processo se repete n vezes até que a velocidade inicial V_n seja tal que a região de segurança definida por F(V_n) englobe o ponto B. Dessa forma, fica claro que o ponto B tangencia a parábola de segurança correspondente a F(V_n), onde V_n\equiv{V_{min}}, visto que gradativamente aumentamos a região até que a envoltória (a parábola de segurança) apenas toque o ponto B.

Exemplo 2

Você deseja lançar uma bola por cima de uma parde vertical de altura h, a uma distância l. Qual a velocidade mínima requerida?

Solução:

Analogamente ao argumento que justificou a ideia 2, afirmo que para a velocidade mínima a trajetória física tangencia o ponto C mais alto da parede, por onde a bola deve passar. Se não tangenciasse e passase um pouco acima de C, você poderia diminuir a velocidade gradativamente até que tangenciasse. Utilizando a ideia 2 vemos que a trajetória física tangencia a parábola de segurança de F(V_0) no ponto C, logo, aplicando (12)

h=\frac{V_0^2}{2g}-\frac{gl^2}{2V_0^2}          (18)

Resolvendo a equação biquadrática para V_0, obtemos

V_0=\sqrt{g(h+\sqrt{h^2+l^2})}          (19)

Ideia 3 "Se um projétil é lançado com velocidade mínima para atingir um dado ponto A, a velocidade em A é perpendicular a velocidade inicial."

Prova: Por hipótese a velocidade é mínima, logo:

\tan{\alpha}=\frac{V_0^2}{gx_A}          (20)

Seja V_{0x}=V_0\cos{\alpha} a velocidade em x do movimento, que é constante. Dessa forma

x_A=V_0\cos{\alpha}\delta{t}           (21)

Onde \delta{t} é o tempo de voo (até o ponto A). Combinando (20) e (21), temos

\sin{\alpha}=\frac{V_0}{g\delta{t}}          (22)

Multiplicando os dois lados de (22) porV_0, obtemos

V_0^2=V_{0y}g\delta{t}    \to    V_{0x}^2+V_{0y}^2-V_{0y}g\delta{t}=0            (23)

Observe que V_{0y}-g\delta{t} é o módulo da componente vertical da velocidade do ponto A. Logo

(V_{0y}-g\delta{t})V_{0y}+V_{0x}^2=0   \to   V_{Ay}V_{0y}+V_{0x}^2=0                 (24)

Pela definição de produto escalar

V_{Ay}V_{0y}+V_{0x}^2=(V_{Ay}\hat{y}+V_{0x}\hat{x})\cdot(V_{0y}\hat{y}+V_{0x}\hat{x})=0=\vec{V_A}\cdot{\vec{V_0}}=0          (25)

Se o produto escalar de dois vetores é zero, eles são perpendiculares entre si.

Obs: O produto escalar entre dois vetores é definido da seguinte forma:

\vec{A} \cdot \vec{B}=A_{x}B_{x}+A_{y}B_{y}+A_{z}B_{z}

Mas existe ainda outra definição que é:

\vec{A} \cdot \vec{B}=|A| |B| cos{\theta}

Onde \theta é o ângulo entre os dois vetores. Da primeira definição podemos notar o motivo de termos reescrito a nossa expressão como um produto escalar. Da segunda definição notamos o porquê de o produto escalar ser zero indicar a perpendicularidade dos vetores. Prove você mesmo que as duas definições são coincidentes!

Ideia 4 Em muito problemas não é suficiente usar as ideias 2 e 3. Alguns aspectos da trajetória física devem ser levados em conta, utilizando o fato que: para achar o mínimo (ou o máximo) de uma certa quantidade \Theta, devemos variar parâmetros livres (como por exemplo o ângulo de lançamento/posição de lançamento) por quantidades infinitesimais e ver o que acontece com a quantia de interesse. Se \Theta cresce para todas as variações possíveis, a configuração inicial do sistema impõe um mínimo para \Theta.

Ideia 5 Algumas vezes podemos inferir que a trajetória parabólica de projéteis pode ser revertida. De fato, dado que a energia mecânica se conserva, cada ponto do espaço, definido pela a altura y admite apenas um valor de velocidade vertical

V_{0y}^2=V_{y}^2+2gy        (26)

Se cada ponto do espaço está bem representado por um vetor velocidade específico (a velocidade em x é a mesma), a trajetória também está bem definida, e podemos lançar p de qualquer ponto: a trajetória, em sua totalidade, não sofrerá alterações. Reverter a trajetória de um ponto a outro pode, apenas, alterar o sentido em que ocorre: imagine gravar o lançamento real do projétil, reverter a trajetória corresponderia a passar o filme ao contrário.

As ideia 4 e 5 serão úteis para analisar pontos de tangência em problema de velocidade mínima. Para exemplificar, considere os dois exemplos abaixo.

Exemplo 3 (Esse exemplo é um pouco mais complicado, estudantes do nível 1 podem omitir esse exemplo em um primeira leitura)

Um gafanhoto deseja saltar por cima de um tronco de árvore cilíndrico que encontra-se apoiado no solo. Se a gravidade local vale g e o raio da secção transversal circular vale R, qual a velocidade mínima para o salto do gafanhoto lhe permitirá galgar o tronco de árvore?

Solução:

Diante a ideia 4, sabemos que haverá um ponto de tangência. Se não houvesse, poderíamos manter o mesmo ângulo de lançamento e diminuir gradativamente a velocidade até que tangenciasse, correspondendo ao caso limite. Mas, pela simetria do problema, haverão, na verdade, dois pontos de tangência, simétricos em relação à reta vertical que passa pelo centro do tronco: a velocidade mínima é a mesma se lançarmos de qualquer um dos lados do tronco, isso corresponde a um ponto de lançamento e um ângulo de lançamento específicos. Se revertemos a trajetória entre os pontos final e inicial, a trajetória será a mesma, porém refletida, por isso a simetria dos pontos. Seja B um ponto de tangência, sabemos que o lançamento, a partir de B, com velocidade inicial V_B e um certo ângulo de lançamento \alpha_0 deverá passar pelo seu simétrico B_S. O caso limite, de acordo com a ideia 2, será aquele em que a parábola de segurança de F(V_B) tangenciar o ponto B_S. Logo, adotando um sistema de coordenadas com origem no ponto B.

y=\frac{V_B^2}{2g}-\frac{gx_B^2}{2V_B^2}=0             (27)

Como queremos a velocidade mínima

\tan{\alpha_0}=\frac{V_B^2}{gx_B}          (28)

Substituindo (28) em (27), obtemos

\tan{\alpha_0}=1      \to       V_B=\sqrt{\sqrt{2}Rg}          (29)

Observe que essa é a velocidade no ponto B, para obter a velocidade mínima requerida conservemos a energia

V_0^2=V_B^2+2gh_B           (30)

Como B é um ponto de tangência, o ângulo de lançamento a partir de B é o mesmo que o arco descrito do topo do tronco até esse ponto. Sendo assim, a altura do ponto B, a partir do solo é:

h_B=R+\frac{\sqrt{2}}{2}R          (31)

Resolvendo para V_0

V_0=\sqrt{2Rg(\sqrt{2}+1)}          (32)

Exemplo 4 (Esse exemplo é um pouco mais complicado, estudantes do nível 1 podem omitir esse exemplo em um primeira leitura)

Mesma situação do exemplo 3, só que agora determine a velocidade mínima necessária para atingir o ponto mais alto do tronco.

Solução

Primeiramente, devido a reversibilidade da trajetória, a pergunta equivale a determinar qual a velocidade mínima que o projétil deve ser lançado, a partir do ponto mais alto do tronco, a fim de atingir o solo, evidentemente sem tocar (apenas tangenciar) a superfície do tronco. Da mesma forma que no exemplo anterior, a trajetória deverá tangenciar a superfície. Caso contrário, com o mesmo ângulo de lançamento, poderíamos reduzir a velocidade gradativamente até que apenas tocasse o tronco. A trajetória física será algo do tipo

Não apenas a trajetória, mas a parábola de segurança também tangenciará o ponto na figura. De fato, se a região de segurança fosse mais abrangente, seria possível atingir um ponto logo acima do ponto de contato: nessa trajetória, o projétil não tocaria nenhum ponto do tronco. Isso configuraria uma contradição direta do parágrafo anterior, que afirma que se a trajetória é ótima, haverá um ponto de tangência. Conforme dito acima, imaginemos o processo reverso, onde o projétil é lançado do topo da esfera. Adotando sistema de coordenadas cartesianas com origem no ponto de lançamento, acha-se os pontos de intersecção entre a parábola de segurança e a trajetória física da seguinte forma

(x-0)^2+(y-(-R))^2=R^2       com    y=\frac{V_0^2}{2g}-\frac{gx^2}{2V_0^2}          (33)

Dessa forma, obtemos uma equação biquadrática para x

x^{4}\Big(\dfrac{g}{2V_0^2}\Big)^2+x^2\Big(\dfrac{1}{2}-\dfrac{gR}{V_0^2}\Big)+\Big(\dfrac{V_0^2}{4g}+R\Big)\dfrac{V_0^2}{g}=0          (34)

Como de costume, a situação crítica é obtida fazendo o delta da equação ser identicamente igual a zero.

V_0^2=\dfrac{gR}{2}          (35)

Observe que essa é a velocidade no ponto mais alto, para obter a velocidade a partir do solo, conservemos a energia mecânica

V_{0}^2+4gR=V^{2}_{min}    \to    V_{min}=3\sqrt{\frac{gR}{2}}          (36)

Exercícios

1- Qual a velocidade mínima necessária para que uma pedra atinga o outro lado do prédio da figura abaixo?

 

Como proceder: Para mostrar que a trajetória física tangencia os dois pontos do prédio (de alturas a e c) observe que: só há três possibilidades para a trajetória da pedra: (1) tangenciar um ponto, (2) tangenciar dois pontos ou (3) não tangenciar nenhum. (3) é claramente incorreta: poderíamos, mantendo um ângulo de lançamento fixo, diminuir a velocidade gradativamente, a pedra ainda galgaria o prédio. (1) Suponha que esse ponto seja o direito (sem perda de generalidade: depois só é reverter a trajetória). Imagine o ponto de lançamento sendo deslocado infinitesimalmente para a direita. Nessa configuração, a pedra ainda galgaria o prédio, evidentemente sem tangenciar nenhum ponto. Ou seja, (1) e (3) são equivalentes, correspondendo apenas a um deslocamento no ponto de lançamento. Logo, a única possibilidade é (2): tangenciar os dois pontos. Como a velocidade no ponto de altura c é função crescente de V_0 devido a conservação de energia (c é constante), vemos que a velocidade mínima V_0 corresponde a velocidade mínima V_c. Logo, temos a seguinte configuração: pedra lançada em c com velocidade mínima com a condição de passar em a. Portanto, aplique a ideia 2 para obter o resultado.

RESPOSTA: V_{min}=\sqrt{g(a+b+c)}

 

2- Esse problema não trata de parábola de segurança, mas otimização de trajetórias em geral.

Um garoto corre em um grande lago congelado com velocidade de módulo V_0 em direção ao norte. O coeficiente de atrito entre seu pé e o gelo é \mu. Assuma que a força de contato entre o pé do garoto e o solo permanece constante (isso não é verdade, em geral, pois enquanto o garoto pisa no solo, a força será maior).

a) Qual o menor tempo possível para que o garoto passe da situação inicial para a situação final onde está caminhando para o leste com o velocidade de módulo V_0?

b) Qual a trajetória descrita pelo garoto?

RESPOSTA: t=\sqrt{2}\frac{V_0}{g\mu}; Parabola

 

 

3- Determinar a velocidade mínima para galgar as seguintes figuras.

 

 

4- Um cilindro de raio r é posicionado com seu eixo paralelo ao solo, a uma altura h. Qual a velocidade mínima (a partir do solo) necessária para que uma bola possa galgar o cilindro? Considere os dois casos:

a) A bola pode tocar o cilindro

b) A bola não pode tocar o cilindro

 

 

Desafio: Sabendo que a zona de segurança é obtida através de uma equação quadrática. Mostre que o canhão de onde se lança o projétil (origem do sistema de coordenadas) está localizado no foco da parábola.