a)
Llamamos A al punto inicial de la trayectoria, y llamamos C al punto más alto del rizo.
Observa que en el punto A la altura es H y la velocidad es nula, y observa que en el punto C la altura es 2*R y la velocidad no es nula, ya que el móvil debe tener aceleración centrípeta para mantener el giro, y observa que has consignado correctamente que la acción normal de la pista sobre el móvil es nula en el punto C (el móvil "apenas" se desprende de la pista en este punto).
Luego, planteas conservación de la energía mecánica entre los puntos A y C, y tienes la ecuación:
EMA = EMC, sustituyes expresiones, y queda (observa que la energía cinética en el punto A es igual a cero), y queda:
M*g*H = (1/2)*M*vC2 + M*g*2*R, divides por M en todos los términos, y queda:
g*H = (1/2)*vC2 + 2*g*R (1).
Luego, has aplicado correctamente la Segunda Ley de Newton en el punto C (recuerda que la acción normal de la pista sobre el móvil es nula en este punto, y observa que expresamos a la aceleración centrípeta del móvil en función del módulo de su velocidad tangencial y del radio de la trayectoria circunferencial), y te ha quedado la ecuación:
M*g = M*vC2/R, multiplicas por R y divides por M en ambos miembros, y queda:
g*R = vC2 (2).
Luego, sustituyes la expresión señalada (2) en la ecuación señalada (1), reduces términos semejantes, y queda:
g*H = (5/2)*g*R, divides por g en ambos miembros, y queda:
H = (5/2)*R, que es tu resultado.
b)
Planteas la ecuación de conservación de la energía (observa que indicamos con B al nuevo punto inicial y con D al punto en el cuál el móvil "apenas" se despega de la pista, y observa que en este punto la acción normal de la pista es nula), y queda:
M*g*(5/4)*R = (1/2)*M*vB2 + M*g*HB, multiplicas por 4 y divides por M en todos los términos, y queda:
5*g*R = 2*vB2 + 4*g*HB (3).
Luego, aplicas la Segunda Ley de Newton en el punto B (recuerda que la acción normal de la pista sobre el móvil es nula en este punto, y observa que expresamos a la aceleración centrípeta del móvil en función del módulo de su velocidad tangencial y del radio de la trayectoria circunferencial, y observa además que consideramos positivo el sentido de la dirección radial que va desde el punto B hacia el centro de la trayectoria, y que consideramos que el punto B se encuentra en la parte superior de la misma, por lo que el ángulo θ pertenece al segundo cuadrante, por lo que cosθ es negativo), y queda la ecuación:
-M*g*cosθ = M*vB2/R, multiplicas por R y divides por M en ambos miembros, y queda:
-g*R*cosθ = vB2 (4).
Luego, sustituyes la expresión señalada (4) en la ecuación señalada (3), y queda:
5*g*R = 2*(-g*R*cosθ) + 4*g*HB,
sustituyes la expresión de la altura del punto B en función del ángulo θ y del radio de la trayectoria, y queda:
5*g*R = 2*(-g*R*cosθ) + 4*g*R*(1 - cosθ), divides por g y por R en todos los términos, y queda:
5 = -2*cosθ + 4*(1 - cosθ), distribuyes el último término, y queda:
5 = -2*cosθ + 4 - 4*cosθ, restas 4 en ambos miembros, reduces términos semejantes, y queda:
1 = -6*cosθ, y de aquí despejas:
cosθ = -1/6, aquí compones en ambos miembros con la función inversa del coseno, y queda: θ ≅ 99,594º;
luego, planteas la expresión de la altura del punto B en función del ángulo θ y del radio de la trayectoria, y queda:
HB = R*(1 - cosθ), reemplazas el valor del coseno del ángulo girado por el móvil en la pista circular, resuelves, y queda:
HB = (7/6)*R;
luego, reemplazas el valor del coseno del ángulo girado por el móvil en la pista circular en la ecuación señalada (4), y queda:
-g*R*(-1/6) = vB2, resuelves el primer miembro, y luego despejas:
vB = √(g*R/6),
que es la expresión del módulo de la velocidad del móvil, cuyo valor no es suficiente para obtener el valor del módulo de la aceleración centrípeta necesaria para mantener el giro en el punto B.
Espero haberte ayudado.