www.fisicaexe.com.br Uma locomotiva elétrica de 100 toneladas é impulsionada por quatro motores elétricos alimentados com uma tensão de 1000 volts e se move a uma velocidade de 72 km/h. Adotando-se o coeficiente de atrito entre as rodas da locomotiva e os trilhos como sendo igual 2 a 0,5 e a aceleração da gravidade como g = 10 m/s , determinar: a) A corrente elétrica que circula em cada motor; b) Se em cada motor circular uma corrente de 4000 ampères quantos vagões, de 15 toneladas cada, a locomotiva será capaz de puxar? Esquema do problema figura 1 Dados do problema • • • • • • massa da locomotiva: massa dos vagões: velocidade da locomotiva: coeficiente de atrito: tensão da rede: aceleração da gravidade: M = 100 t; M V = 15 t; v = 72 km/h; µ = 0,5; U = 1000 V; 2 g = 10 m/s . Solução Em primeiro lugar devemos transformar as unidades de massa, dada em toneladas, e de velocidade, dada em quilômetros por hora, para quilogramas e metros por segundo, respectivamente, usadas no Sistema Internacionais (S.I.). M = 100 t = 100 .1000 kg = 100 000 kg M V = 15 t = 15 .1000 kg = 15 000 kg v = 72 km/h = 72 m/s = 20 m/s 3,6 a) A potência gerada por um dos motores será dada por P =U i (I)r A potência total gerada pelos quatro motores, será PT = 4 P (II) PT = 4 U i (III) substituindo (I) em (II), vem 1 www.fisicaexe.com.br Da Mecânica Clássica temos a potência total necessária para fazer a locomotiva se mover PT = F v (IV) 4U i =F v (V) igualando (III) e (IV) vem Para fazer a locomotiva andar os motores devem vencer a força de atrito. Pela figura 1, as rodas do trem empurram os trilhos r para trás com a força F , os trilhos reagem nas r rodas com a força de atrito F A t para frente fazendo o trem andar (3.ª Lei de Newton), assim F = FAt = µ N (VI) figura 2 substituindo (VI) em (V), obtemos 4U I =µN v (VII) r r Pela figura 2 temos que a força normal ( N ) é igual ao peso ( P ) da locomotiva, assim em módulo podemos escrever N =P =M g (VIII) substituindo (VIII) em (VII), temos 4U i =µM g v i = µMgv 4U substituindo os valores fornecidos no problema obtemos finalmente i = 0,5 . 100 000 .10 . 20 4 . 1000 10 000 000 i = 4 000 i = 2 500 A b) Usando a expressão para a corrente obtida no item anterior e usando os dados deste item, temos i = µM gv 4U invertendo esta expressão para isolar a massa total que pode ser impulsionada pelos motores (MT), ficamos com MC = 4U i µgv 2 www.fisicaexe.com.br MC = 4 .1000 . 4 000 0,5 .10 . 20 16 000 000 100 = 160 000 kg MC = MC figura 3 Desta massa total, temos que 100 000 kg representam a massa da própria locomotiva, então sobra para os vagões 160 000 − 100 000 = 60 000 kg , como cada vagão tem uma massa de 15 000 kg, o número de vagões será n= 60 000 kg kg 15 000 vagão n = 4 vagões 3