(UNIFESP 2017) - QUESTÃO

Um avião, logo após a aterrissagem, está em movimento retilíneo sobre a pista horizontal, com sua hélice girando com uma frequência constante de 4 Hz.

Considere que em um determinado intervalo de tempo a velocidade escalar desse avião em relação ao solo é constante e igual a 2 m/s, que cada pá da hélice tem 1 m de comprimento e que π = 3. Calcule:

a) a distância, em metros, percorrida pelo avião enquanto sua hélice dá 12 voltas completas.
b) o módulo da velocidade vetorial instantânea, em m/s, de um ponto da extremidade de uma das pás da hélice do avião, em relação ao solo, em determinado instante desse intervalo.

Resolução:                                                                                                                                     
a) Como a frequência da hélice é 4 Hz, isso significa que ela executa 4 voltas a cada segundo. Assim:
«math style=¨font-family:Tahoma¨ xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«mstyle mathsize=¨14px¨»«mo»§#xA0;«/mo»«mo»§#xA0;«/mo»«mn»4«/mn»«mo»§#xA0;«/mo»«mi»voltas«/mi»«msup»«mo»§#xA0;«/mo»«mi»______«/mi»«/msup»«mo»§#xA0;«/mo»«mn»1«/mn»«mi mathvariant=¨normal¨»s«/mi»«mo»§#xA0;«/mo»«mspace linebreak=¨newline¨/»«mn»12«/mn»«mo»§#xA0;«/mo»«mi»voltas«/mi»«msup»«mo»§#xA0;«/mo»«mi»______«/mi»«/msup»«mo»§#xA0;«/mo»«mo»§#x2206;«/mo»«mi mathvariant=¨normal¨»t«/mi»«mspace linebreak=¨newline¨/»«mo»§#x2234;«/mo»«mo»§#xA0;«/mo»«mo»§#xA0;«/mo»«mo»§#xA0;«/mo»«mo»§#x2206;«/mo»«mi mathvariant=¨normal¨»t«/mi»«mo»§#xA0;«/mo»«mo»=«/mo»«mo»§#xA0;«/mo»«mn»3«/mn»«mo»§#xA0;«/mo»«mi mathvariant=¨normal¨»s«/mi»«mspace linebreak=¨newline¨/»«/mstyle»«/math»
A distância (d) percorrida pelo avião durante esse intervalo de tempo pode assim ser calculada:

«math style=¨font-family:Tahoma¨ xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«mstyle mathsize=¨14px¨»«mi mathvariant=¨normal¨»d«/mi»«mo»§#xA0;«/mo»«mo»=«/mo»«mo»§#xA0;«/mo»«mi mathvariant=¨normal¨»v«/mi»«mo»§#xA0;«/mo»«mo»§#xB7;«/mo»«mo»§#xA0;«/mo»«mo»§#x2206;«/mo»«mi mathvariant=¨normal¨»t«/mi»«mo»§#xA0;«/mo»«mo»=«/mo»«mo»§#xA0;«/mo»«mn»2«/mn»«mo»§#xA0;«/mo»«mo»§#xB7;«/mo»«mo»§#xA0;«/mo»«mn»3«/mn»«mo»§#xA0;«/mo»«mo»§#xA0;«/mo»«mo»§#xA0;«/mo»«mo»§#xA0;«/mo»«mo»§#x2234;«/mo»«mo»§#xA0;«/mo»«mo»§#xA0;«/mo»«mo»§#xA0;«/mo»«mi mathvariant=¨normal¨»d«/mi»«mo»§#xA0;«/mo»«mo»=«/mo»«mo»§#xA0;«/mo»«mn»6«/mn»«mo»§#xA0;«/mo»«mi mathvariant=¨normal¨»m«/mi»«/mstyle»«/math»
A intensidade da velocidade vetorial instantânea de um ponto P na extremidade de uma das pás da hélice do avião, em relação ao solo, é a mesma em qualquer instante; logo, para obtê-la, podemos analisar a situação dada no enunciado em qualquer instante. Tome-se o instante no qual a hélice se encontra na direção vertical.

Visão Superior
Sendo que:
«math style=¨font-family:Tahoma¨ xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«mstyle mathsize=¨14px¨»«msub»«mover»«mi mathvariant=¨normal¨»V«/mi»«mo»§#x2192;«/mo»«/mover»«mfrac bevelled=¨true¨»«mi mathvariant=¨normal¨»A«/mi»«mi mathvariant=¨normal¨»T«/mi»«/mfrac»«/msub»«mo»§#xA0;«/mo»«mo»:«/mo»«mo»§#xA0;«/mo»«mi»velocidade«/mi»«mo»§#xA0;«/mo»«mi»do«/mi»«mo»§#xA0;«/mo»«mi»avi§#xE3;o«/mi»«mo»§#xA0;«/mo»«mi»em«/mi»«mo»§#xA0;«/mo»«mi»rela§#xE7;§#xE3;o«/mi»«mo»§#xA0;«/mo»«mi mathvariant=¨normal¨»§#xE0;«/mi»«mo»§#xA0;«/mo»«mi»Terra«/mi»«mo».«/mo»«mspace linebreak=¨newline¨/»«msub»«mover»«mi mathvariant=¨normal¨»V«/mi»«mo»§#x2192;«/mo»«/mover»«mfrac bevelled=¨true¨»«mi mathvariant=¨normal¨»P«/mi»«mi mathvariant=¨normal¨»A«/mi»«/mfrac»«/msub»«mo»§#xA0;«/mo»«mo»:«/mo»«mo»§#xA0;«/mo»«mi»velocidade«/mi»«mo»§#xA0;«/mo»«mi»do«/mi»«mo»§#xA0;«/mo»«mi»ponto«/mi»«mo»§#xA0;«/mo»«mi mathvariant=¨normal¨»P«/mi»«mo»§#xA0;«/mo»«mi»em«/mi»«mo»§#xA0;«/mo»«mi»rela§#xE7;§#xE3;o«/mi»«mo»§#xA0;«/mo»«mi»ao«/mi»«mo»§#xA0;«/mo»«mi»avi§#xE3;o«/mi»«mo».«/mo»«mspace linebreak=¨newline¨/»«msub»«mover»«mi mathvariant=¨normal¨»V«/mi»«mo»§#x2192;«/mo»«/mover»«mfrac bevelled=¨true¨»«mi mathvariant=¨normal¨»P«/mi»«mi mathvariant=¨normal¨»T«/mi»«/mfrac»«/msub»«mo»§#xA0;«/mo»«mo»:«/mo»«mo»§#xA0;«/mo»«mi»velocidade«/mi»«mo»§#xA0;«/mo»«mi»do«/mi»«mo»§#xA0;«/mo»«mi»ponto«/mi»«mo»§#xA0;«/mo»«mi mathvariant=¨normal¨»P«/mi»«mo»§#xA0;«/mo»«mi»em«/mi»«mo»§#xA0;«/mo»«mi»rela§#xE7;§#xE3;o«/mi»«mo»§#xA0;«/mo»«mi mathvariant=¨normal¨»§#xE0;«/mi»«mo»§#xA0;«/mo»«mi»Terra«/mi»«mo».«/mo»«mspace linebreak=¨newline¨/»«mo»§#xA0;«/mo»«/mstyle»«/math»
A velocidade do ponto P em relação ao avião «math style=¨font-family:Tahoma¨ xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«mstyle mathsize=¨14px¨»«mfenced»«msub»«mover»«mi mathvariant=¨normal¨»V«/mi»«mo»§#x2192;«/mo»«/mover»«mrow»«mi mathvariant=¨normal¨»P«/mi»«mo»/«/mo»«mi mathvariant=¨normal¨»A«/mi»«/mrow»«/msub»«/mfenced»«/mstyle»«/math» está associada à rotação da hélice. Logo:

«math style=¨font-family:Tahoma¨ xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«mstyle mathsize=¨14px¨»«mrow»«msub»«mi mathvariant=¨normal¨»V«/mi»«mrow»«mfrac bevelled=¨true¨»«mi mathvariant=¨normal¨»P«/mi»«mi mathvariant=¨normal¨»A«/mi»«/mfrac»«mo»§#xA0;«/mo»«/mrow»«/msub»«mo»=«/mo»«mo»§#xA0;«/mo»«mfrac»«mrow»«mo»§#x2206;«/mo»«mi mathvariant=¨normal¨»S«/mi»«/mrow»«mrow»«mo»§#x2206;«/mo»«mi mathvariant=¨normal¨»t«/mi»«/mrow»«/mfrac»«mo»§#xA0;«/mo»«mo»=«/mo»«mo»§#xA0;«/mo»«mfrac»«mrow»«mn»2«/mn»«mi»§#x3C0;R«/mi»«/mrow»«mi mathvariant=¨normal¨»T«/mi»«/mfrac»«mo»§#xA0;«/mo»«mo»=«/mo»«mo»§#xA0;«/mo»«mfrac»«mrow»«mn»2«/mn»«mi»§#x3C0;R«/mi»«/mrow»«mfenced»«mstyle displaystyle=¨true¨»«mfrac bevelled=¨true¨»«mn»1«/mn»«mi mathvariant=¨normal¨»f«/mi»«/mfrac»«/mstyle»«/mfenced»«/mfrac»«mo»§#xA0;«/mo»«mo»§#xA0;«/mo»«mo»§#xA0;«/mo»«mo»§#x2234;«/mo»«mo»§#xA0;«/mo»«mo»§#xA0;«/mo»«mo»§#xA0;«/mo»«msub»«mi mathvariant=¨normal¨»V«/mi»«mfrac bevelled=¨true¨»«mi mathvariant=¨normal¨»P«/mi»«mi mathvariant=¨normal¨»A«/mi»«/mfrac»«/msub»«mo»§#xA0;«/mo»«mo»=«/mo»«mo»§#xA0;«/mo»«mn»24«/mn»«mo»§#xA0;«/mo»«mfrac»«mi mathvariant=¨normal¨»m«/mi»«mi mathvariant=¨normal¨»s«/mi»«/mfrac»«/mrow»«/mstyle»«/math»

Analisando a figura 1 e utilizando o teorema de Pitágoras;

«math style=¨font-family:Tahoma¨ xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«mstyle mathsize=¨14px¨»«mrow»«msubsup»«mi mathvariant=¨normal¨»V«/mi»«mfrac bevelled=¨true¨»«mi mathvariant=¨normal¨»P«/mi»«mi mathvariant=¨normal¨»T«/mi»«/mfrac»«mn»2«/mn»«/msubsup»«mo»§#xA0;«/mo»«mo»=«/mo»«mo»§#xA0;«/mo»«msubsup»«mi mathvariant=¨normal¨»V«/mi»«mfrac bevelled=¨true¨»«mi mathvariant=¨normal¨»A«/mi»«mi mathvariant=¨normal¨»T«/mi»«/mfrac»«mn»2«/mn»«/msubsup»«mo»§#xA0;«/mo»«mo»+«/mo»«mo»§#xA0;«/mo»«msubsup»«mi mathvariant=¨normal¨»V«/mi»«mfrac bevelled=¨true¨»«mi mathvariant=¨normal¨»P«/mi»«mi mathvariant=¨normal¨»A«/mi»«/mfrac»«mn»2«/mn»«/msubsup»«mo»§#xA0;«/mo»«mo»=«/mo»«mo»§#xA0;«/mo»«msup»«mn»2«/mn»«mn»2«/mn»«/msup»«mo»§#xA0;«/mo»«mo»+«/mo»«mo»§#xA0;«/mo»«msup»«mn»24«/mn»«mn»2«/mn»«/msup»«mo»§#xA0;«/mo»«mo»§#xA0;«/mo»«mo»§#xA0;«/mo»«mo»§#xA0;«/mo»«mo»§#x2234;«/mo»«mo»§#xA0;«/mo»«mo»§#xA0;«/mo»«mo»§#xA0;«/mo»«msub»«mi mathvariant=¨normal¨»V«/mi»«mfrac bevelled=¨true¨»«mi mathvariant=¨normal¨»P«/mi»«mrow»«mi mathvariant=¨normal¨»T«/mi»«mo»§#xA0;«/mo»«/mrow»«/mfrac»«/msub»«mo»§#xA0;«/mo»«mo»§#xA0;«/mo»«mo»§#x2248;«/mo»«mo»§#xA0;«/mo»«mn»24«/mn»«mo»,«/mo»«mn»08«/mn»«mo»§#xA0;«/mo»«mfrac»«mi mathvariant=¨normal¨»m«/mi»«mi mathvariant=¨normal¨»s«/mi»«/mfrac»«/mrow»«/mstyle»«/math»