La primera (doble) ecuación que planteas no es correcta. Si consideras el sistema completo, la ley de Newton es

, es decir,

.
Si consideras sólo el cuerpo de arriba:

, es decir,

.
Si no hay deslizamiento, la aceleración

es la misma para ambos. Despéjala en una ecuación, sustituye en la otra y tienes el resultado.