Considera un sistema de referencia con eje OX paralelo a la superficie de agua, con dirección y sentido positivo acordes al desplazamiento del bloque, y con eje OY vertical con sentido positivo hacia arriba.
Luego, observa que sobre el conjunto bote-pasajero están aplicadas cuatro fuerzas: Peso, Empuje, Fuerza del motor y Fuerza de resistencia, por lo que aplicas la Segunda Ley de Newton, y quedan las Ecuaciones:
F - FR = M*a (1),
E - P = 0, de aquí despejas: E = P, o sea: E = 320 + 160, resuelves, y queda: E = 480 lb.
Luego, sustituyes las expresiones de la fuerza de resistencia y de la aceleración en función de la velocidad y del tiempo, y queda:
F - k*v = M*dv/dt,
expresas a la masa en función del peso y del módulo de la aceleración gravitatoria terrestre (g = 32 p/s2), y queda:
F - k*v = (P/g)*dv/dt, multiplicas por g en todos los términos, y queda:
g*F - g*k*v = P*dv/dt, reemplazas datos, y queda:
32*50 - 32*k*v = 480*dv/dt, resuelves el primer miembro, y queda:
1600 - 32*k*v = 480*dv/dt, divides por 32 en todos los términos, y queda:
50 - k*v = 15*dv/dt, separas variables, y queda:
dt = 15*dv/(50 - k*v), multiplicas por -k en amos miembros, y queda:
-k*dt = 15*[-k*dv/(50 - k*v)], integras en ambos miembros, y queda:
-k*t + C = 15*Ln(50 - k*v) (2).
Luego, tienes en tu enunciado: v = 20 p/s, FR = 40 lb, reemplazas valores, y la expresión del módulo de la fuerza de resistencia queda:
40 = k*20, y de aquí despejas: k = 2 lb*s/p, reemplazas ese ultimo valor en la ecuación señalada (2), y queda:
-2*t + C = 15*Ln(50 - 2*v) (3).
Luego, puedes considerar el instante inicial: ti = 0 correspondiente a la velocidad vi = 0 (observa que el conjunto bote-pasajero parte desde el reposo), reemplazas estos valores en la ecuación señalada (3), y queda:
-2*0 + C = 15*Ln(50 - 2*0), resuelves términos, cancelas el término nulo, y queda: C = 15*Ln(50);
luego, reemplazas este último valor en la ecuación señalada (3), y queda:
-2*t + 15*Ln(50) = 15*Ln(50 - 2*v), restas 15*Ln(50) en ambos miembros, extraes factor común, y queda:
-2*t = 15*[Ln(50 - 2*v) - Ln(50)], aplicas la propiedad del logaritmo de una división, y queda:
-2*t = 15*Ln([50 - 2*v]/50), distribuyes el denominador en el argumento del logaritmo, y queda:
-2*t = 15*Ln(1 - 0,04*v), divides por 15 en ambos miembros, y queda:
-(2/15)*t = Ln(1 - 0,04*v), compones en ambos miembros con la función exponencial natural, y queda:
e-(2/15)*t = 1 - 0,04*v, multiplicas por 25 en todos los términos, y queda:
25*e-(2/15)*t = 25 - v, y de aquí despejas:
v = 25 - 25*e-(2/15)*t (4),
que es la expresión de la velocidad del conjunto bote-pasajero en función del tiempo.
a)
Planteas el límite para t tendiendo a +infinito de la expresión señalada (4), resuelves (te dejo la tarea), y queda:
vL = 25 p/s,
que es la expresión de la velocidad límite que alcanza el conjunto bote-pasajero.
b)
Expresas a la velocidad en función de la posición y del tiempo en la ecuación remarcada y señalad (4), y queda:
dx/dt = 25 - 25*e-(2/15)*t, separas variables, y queda:
dx = (25 - 25*e-(2/15)*t)*dt, integras en ambos miembros, y queda:
x = 25*t + (375/2)*e-(2/15)*t + D, resuelves el coeficiente en el segundo término, y queda:
x = 25*t + 187,5*e-(2/15)*t + D (5);
luego, evalúas la ecuación señalada (5) para la condición inicial: ti = 0, xi = 0, resuelves términos, cancelas términos nulos, y queda:
0 = 187,5 + D, y de aquí despejas: D = -187,5;
luego, reemplazas este último valor en la ecuación señalada (5), y queda:
x = 25*t + 187,5*e-(2/15)*t - 187,5.
Espero haberte ayudado.