Vamos con la primera etapa (movimiento horizontal).
Observa que la única fuerza que actúa en la dirección de desplazamiento es la fuerza de rozamiento, y observa además que esta fuerza no es constante, por lo que aplicas la Segunda Ley de Newton, y queda:
M*a(x) = -fr, sustituyes la expresión de la fuerza de rozamiento, y queda:
M*a(x) = -β*(L2 - x2)*M*g, divides por M en ambos miembros, y queda
a(x) = -β*(L2 - x2)*g, expresas a la aceleración como función de la velocidad y de la posición, y queda:
v(x)*dv/dx = -β*(L2 - x2)*g, ordenas factores en el segundo miembro, separas variables, y queda:
v(x)*dv = -β*g*(L2 - x2)*dx, multiplicas por 2 en ambos miembros, y queda:
2*v(x)*dv = -2*β*g*(L2 - x2)*dx, integras en ambos miembros, y queda:
v(x)2 = -2*β*g*(L2*x - (1/3)*x3) + C (1),
que es la expresión general del cuadrado de la velocidad de móvil en función de su posición;
luego, reemplazas los valores de la condición inicial: v(0) = v0, resuelves el segundo miembro, y queda:
v02 = C,
sustituyes esta expresión en la expresión señalada (1), ordenas términos, y queda:
v(x)2 = v02 - 2*β*g*(L2*x - (1/3)*x3) (1*),
que es la expresión del cuadrado de la velocidad del móvil;
luego, evalúas la expresión señalada (1*) para el punto B, cuya posición es: x = L, resuelves el último término, y queda:
vB2 = v02 - (4/3)*β*g*L3 (2),
que es la expresión del cuadrado de la velocidad del móvil en el punto B.
a)
Extraes raíz cuadrada positiva en ambos miembros de la ecuación señalada (2), y queda:
vB = √(v02 - (4/3)*β*g*L3),
que es la expresión de la velocidad del móvil en el punto B.
b)
Planteas la expresión del módulo de la acción normal que ejerce la pista circular en un punto genérico (es muy conveniente que hagas un esquema de fuerzas, y observa que indicamos con θ al ángulo que forma la vertical con el radio en el punto en estudio), y queda:
N(θ) = M*g*cosθ;
luego, planteas la expresión de la fuerza de rozamiento, y queda:
fr(θ) = -β*R2*M*g*cosθ,
y observa que tienes que la fuerza de rozamiento no es constante, y depende del ángulo θ;
luego, planteas la expresión del trabajo de la fuerza de rozamiento (observa que consideramos: θ = -π/2 para el punto B, y θ = π/2 para el punto más a la derecha de la pista semicircular), y queda:
Wfr = -π/2∫π/2 fr(θ)*dθ, sustituyes la expresión de la fuerza de rozamiento, extraes factores constantes, y queda:
Wfr = -β*R2*M*g*-π/2∫π/2 cosθ*dθ = -β*R2*M*g*[ senθ ] = evalúas = -β*R2*M*g*(1 - (-1)) = -2*β*R2*M*g (3).
Luego, planteas las expresiones de la energía potencial y de la energía cinética en el punto más alto de la pista circular, y queda:
EP1 = M*g*2*R = 2*M*g*R,
EC1 = (1/2)*M*v12;
y la expresión de la energía mecánica en el punto más alto queda:
EM1 = EP1 + EC1 = 2*M*g*R + (1/2)*M*v12 (4).
Luego, planteas la expresión de a energía mecánica en el punto B (observa que consideramos que su altura es igual a cero, por lo que su energía potencial también es igual a cero), y queda:
EMB = ECB = (1/2)*M*vB2, sustituyes la expresión señalada (2), y queda:
EMB = (1/2)*M*(v02 - (4/3)*β*g*L3) (5),
Luego, planteas la ecuación energía-trabajo entre el punto B y el punto más alto de la trayectoria semicircular, y queda:
EM1 - EMB = Wfr,
sustituyes las expresiones señaladas (4) (5) (3), y queda:
2*M*g*R + (1/2)*M*v12 - (1/2)*M*(v02 - (4/3)*β*g*L3) = -2*β*R2*M*g,
multiplicas por 2/M en todos los términos, y queda:
4*g*R + v12 - (v02 - (4/3)*β*g*L3) = -4*β*R2*g,
distribuyes el signo en el tercer término, y queda:
4*g*R + v12 - v02 + (4/3)*β*g*L3 = -4*β*R2*g,
multiplicas por 3en todos los términos, y queda:
12*g*R + 3*v12 - 3*v02 + 4*β*g*L3 = -12*β*R2*g (6).
Luego, planteas la condición crítica: la acción normal de la pista circular en el punto más alto es igual a cero, por lo que tienes que la única fuerza que actúa sobre el cuerpo es su peso, aplicas la Segunda Ley de Newton, y queda:
M*g = M*acp, y de aquí despejas:
acp = g, sustituyes la expresión de la aceleración centrípeta en función de la velocidad lineal, y queda:
v12/R = g, multiplicas por R en ambos miembros, y queda:
v12 = g*R (7).
Luego, sustituyes la expresión señalada (7) en el segundo término de la ecuación señalada (6), y queda:
12*g*R + 3*g*R - 3*v02 + 4*β*g*L3 = -12*β*R2*g,
reduces términos semejantes, y queda:
15*g*R - 3*v02 + 4*β*g*L3 = -12*β*R2*g,
restas 15*g*R y restas 4*β*g*L3 en ambos miembros, y queda:
-3*v02 = -12*β*R2*g - 15*g*R - 4*β*g*L3,
divides por -3 en todos los términos de la ecuación, y queda:
v02 = 4*β*R2*g + 5*g*R + (4/3)*β*g*L3,
extraes raíz cuadrada positiva en ambos miembros, y queda:
v0 = √(4*β*R2*g + 5*g*R + (4/3)*β*g*L3),
que es la expresión de la velocidad inicial mínima para que el móvil pueda recorrer la trayectoria circular, en función de los datos que tienes en tu enunciado.
Espero haberte ayudado.