Dinâmica: pacote de revisão

Formulários, as principais etapas dos métodos de cada tópico e 20 exercícios, com soluções completas no final.

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1Fórmulas e métodos

Cinemática

Velocidade
v = v0 + a·t
Deslocamento
s = v0·t + ½·a·t²
Sem o tempo
v² = v0² + 2·a·s
Unidades
1 m/s = 3,6 km/h

Método

  1. Liste o que você sabe: v₀, v, a, t e s, com unidades.
  2. Escolha a equação que contém suas três grandezas conhecidas e a incógnita.
  3. Escolha um sentido positivo e dê sinal negativo às grandezas no sentido oposto.
  4. Resolva e verifique se a resposta faz sentido físico.

Leis de Newton

Segunda lei
ΣF = m·a
Peso
W = m·g
Atrito cinético
Ff = μ·N
Em um plano inclinado
ao longo: m·g·sin θ, normal: m·g·cos θ

Método

  1. Desenhe um diagrama de corpo livre com todas as forças sobre o corpo.
  2. Escolha um sentido positivo ao longo do movimento.
  3. Decomponha as forças em componentes ao longo do movimento e perpendiculares a ele (em um plano inclinado: m·g·sin θ ao longo, m·g·cos θ contra o plano).
  4. Aplique ΣF = m·a ao longo do movimento; o atrito é μ·N contra o movimento.

Movimento de projéteis

Componentes
vx = v0cos θ, vy = v0sin θ
Posição
x = vxt, y = h + vyt − ½gt²
Altura máxima
H = h + vy²/(2g)
Alcance (solo plano)
R = v0²·sin 2θ/g

Método

  1. Decomponha a velocidade de lançamento em componentes: vx = v₀·cos θ e vy = v₀·sin θ.
  2. O movimento horizontal tem velocidade constante; o movimento vertical tem aceleração −g.
  3. Encontre o tempo de voo a partir do movimento vertical.
  4. Use esse tempo no movimento horizontal para encontrar o alcance.

Movimento circular

Aceleração centrípeta
a = v²/r = ω²·r
Força centrípeta
F = m·v²/r
Velocidade angular
ω = v/r = 2π/T
Curva plana, atrito
vmax = √(μ·g·r)

Trabalho e energia

Energia cinética
Ek = ½mv²
Energia potencial
Ep = mgh
Balanço de energia
Ek1 + Ep1 + W = Ek2 + Ep2 + losses
Trabalho do atrito
W = μ·N·d
Potência
P = W/t

Quantidade de movimento e colisões

Quantidade de movimento
p = m·v
Conservação
Σm·v (before) = Σm·v (after)
Perfeitamente inelástica
v′ = (m1v1 + m2v2)/(m1 + m2)
Impulso
J = F·Δt = m·Δv

Método

  1. Escolha um sentido positivo e dê a cada velocidade o seu sinal.
  2. Escreva a quantidade de movimento total antes: Σm·v.
  3. Em uma colisão perfeitamente inelástica os corpos se movem juntos depois; em uma colisão elástica a energia cinética também se conserva.
  4. Iguale a quantidade de movimento antes à quantidade de movimento depois e resolva.

Rotação de corpo rígido

Momentos de inércia em relação a G
barra mL²/12, disco ½mR², anel mR², esfera maciça (2/5)mR², esfera oca (2/3)mR²
Teorema dos eixos paralelos
I = IG + m·d²
Raio de giração
I = m·k²
Barra em relação à extremidade
I = mL²/3
Equação do movimento
ΣM = I·α
Velocidade em rad/s
ω = 2π·n/60
Energia cinética
E = ½·I·ω²
Trabalho e potência
W = T·θ, P = T·ω
Rolamento sem deslizamento
v = ω·r, E = ½mv²(1 + I/(mr²)), a = g·sin θ/(1 + I/(mr²))
Quantidade de movimento angular
L = I·ω, I1ω1 = I2ω2
Impacto em torno de um pivô
m·v·d = I·ω

Método

  1. Escolha o eixo: um pivô fixo, ou o centro de massa para corpos que rolam.
  2. Encontre o momento de inércia em relação a esse eixo a partir dos resultados usuais, usando I = IG + m·d² para um eixo deslocado.
  3. Escolha o método: ΣM = I·α para acelerações e forças, energia (½·I·ω² + ½·m·v² + m·g·h) para velocidades, quantidade de movimento angular para impactos e mudanças bruscas.
  4. Relacione o movimento linear e o angular com v = ω·r e a = α·r, e converta rpm em rad/s.

Engrenagens e trens de engrenagens

Engrenagens acopladas
n1·N1 = n2·N2
Torque
T2 = T1·(N2/N1)·η
Potência
P = T·ω, ω = 2π·n/60
Trem composto
relação total = produto das relações de cada estágio

Molas e pêndulos

Massa em uma mola
T = 2π·√(m/k)
Pêndulo
T = 2π·√(L/g)
Frequência angular
ω = √(k/m) = 2π/T
Velocidade e aceleração máximas
vmax = A·ω, amax = A·ω²
Energia
E = ½·k·A²

Vibrações mecânicas

Frequência natural
ωn = √(k/m), fn = ωn/(2π)
A partir da deflexão estática
ωn = √(g/δst)
Amortecimento crítico
cc = 2√(km) = 2mωn
Fator de amortecimento
ζ = c/cc
Frequência amortecida
ωd = ωn√(1 − ζ²)
Decremento logarítmico
δ = (1/n)·ln(x0/xn), ζ = δ/√(4π² + δ²)
Molas em paralelo
k = k1 + k2
Molas em série
1/k = 1/k1 + 1/k2

2Exercícios

1.CinemáticaMédia
t (s)v (m/s)4,274 s27,78

Um carro a 100 km/h freia com desaceleração constante de 6,5 m/s² até parar. Calcule a distância de frenagem s.

v₀ = 100 km/ha = −6,5 m/s²v = 0
s = m
2.CinemáticaDifícil
d = ?

Uma pedra é solta do repouso em um poço. O som do impacto na água é ouvido 3 s depois que a pedra é solta. A velocidade do som é 343 m/s; despreze a resistência do ar e use g = 9,81 m/s². Encontre a profundidade d do poço.

ttotal = 3 svsound = 343 m/sg = 9,81 m/s²
d = m
3.Leis de NewtonMédia
20 kg20°F = 140 Nμ = 0,25

Um trenó de 20 kg é puxado sobre neve plana por uma corda a 20° acima da horizontal com uma força de 140 N. O coeficiente de atrito cinético é 0,25. Use g = 9,81 m/s². Encontre a aceleração a do trenó.

m = 20 kgF = 140 Nθ = 20°μ = 0,25g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Leis de NewtonDifícil
m1​ = 9 kg4 kgsem atrito

Um bloco de 9 kg sobre uma mesa horizontal está ligado por um fio leve, que passa por uma polia sem atrito, a uma massa suspensa de 4 kg. A mesa não tem atrito. Use g = 9,81 m/s². Calcule a aceleração a do sistema.

m1 = 9 kgm2 = 4 kgμ = 0g = 9,81 m/s²
a = m/s²
5.Movimento de projéteisMédia
v0​ = 30 m/s70°x = ?

Uma bola é lançada a 70° acima da horizontal do chão plano. Despreze a resistência do ar. Encontre a distância horizontal x percorrida antes de a bola atingir o chão.

v0 = 30 m/sθ = 70°g = 9,81 m/s²
x = m
6.Movimento de projéteisDifícil
h = 30 mv0​ = 32 m/s20°x = ?

Uma bola é lançada a 20° acima da horizontal do topo de um penhasco de 30 m. Despreze a resistência do ar. Encontre a distância horizontal x percorrida antes de a bola atingir o chão.

v0 = 32 m/sθ = 20°h = 30 mg = 9,81 m/s²
x = m
7.Movimento circularMédia
r = 60 mvmax​ = ?

Um carro passa pelo topo de uma lombada, que é um arco de circunferência de raio 60 m. Use g = 9,81 m/s². Acima de que velocidade vmax as rodas perdem contato com a estrada no topo?

r = 60 mg = 9,81 m/s²
vmax = m/s
8.Movimento circularDifícil
r = 1,3 mv = 7,5 m/s

Uma bola de 0,6 kg presa a um fio de 1,3 m de comprimento gira em um círculo vertical. No ponto mais baixo, ela se move a 7,5 m/s. Use g = 9,81 m/s². Calcule a tração T no fio no ponto mais baixo.

m = 0,6 kgr = 1,3 mv = 7,5 m/sg = 9,81 m/s²
T = N
9.Trabalho e energiaMédia
40°d = 15 mμ = 0,15

Um bloco de 4 kg desliza 15 m por uma rampa a 40° da horizontal, com coeficiente de atrito cinético de 0,15. Encontre o trabalho Wf realizado contra o atrito.

m = 4 kgθ = 40°μ = 0,15d = 15 mg = 9,81 m/s²
Wf = J
10.Trabalho e energiaDifícil
h = 4,5 mR = 1 mN = ?

Um carrinho de 1 kg é solto do repouso a uma altura de 4,5 m em um trilho liso que leva a um loop circular vertical de raio 1 m. Encontre a força normal N que o trilho exerce sobre o carrinho no topo do loop.

m = 1 kgh = 4,5 mR = 1 mg = 9,81 m/s²
N = N
11.Quantidade de movimento e colisõesMédia
15 kg40 m/s2 kgv′2​ = ?

Um projétil de 17 kg que se move horizontalmente a 20 m/s explode em dois fragmentos que se movem ao longo da mesma reta. O fragmento de 15 kg continua para a frente a 40 m/s. Encontre a velocidade v′2 do fragmento de 2 kg (positiva no sentido original).

M = 17 kgu = 20 m/sm1 = 15 kgv′1 = 40 m/sm2 = 2 kg
v′2 = m/s
12.Quantidade de movimento e colisõesDifícil
1,5 kgv = ?20 g30°L = 0,5 m

Um projétil de 20 g é disparado horizontalmente contra um bloco de 1,5 kg pendurado por fios leves de 0,5 m e fica alojado nele. Os fios oscilam até um ângulo máximo de 30° com a vertical. Use g = 9,81 m/s². Encontre a velocidade v do projétil antes do impacto.

m = 20 gM = 1,5 kgL = 0,5 mθ = 30°g = 9,81 m/s²
v = m/s
13.Rotação de corpo rígidoMédia
9,5 kgaαM = 11 kgR = 0,45 m

Um bloco de 9,5 kg está pendurado em um cabo leve enrolado em uma polia, um disco maciço uniforme de massa 11 kg e raio 0,45 m que gira em um eixo horizontal sem atrito. O bloco é solto a partir do repouso. Use g = 9,81 m/s². Encontre a tração T no cabo.

m = 9,5 kgM = 11 kgR = 0,45 mg = 9,81 m/s²
T = N
14.Rotação de corpo rígidoDifícil
disco: 14 kganel: 9 kgn1​ = 900 rpm

Um disco maciço uniforme (massa 14 kg, raio 0,25 m) gira livremente a 900 rpm em torno de um eixo vertical sem atrito. Um anel fino de massa 9 kg e mesmo raio é solto sobre ele a partir do repouso, centrado no eixo, e os dois logo passam a girar juntos. Encontre a velocidade comum n2 deles em rpm.

Mdisc = 14 kgMring = 9 kgR = 0,25 mn1 = 900 rpm
n2 = rpm
15.Engrenagens e trens de engrenagensMédia
d1​ = 100 mmd2​ = 300 mm2880 rpmn2​ = ?

Uma polia de 100 mm a 2880 rpm aciona uma polia de 300 mm por uma correia com 2,5 % de escorregamento. Encontre a velocidade n2 da polia movida.

n1 = 2880 rpmd1 = 100 mmd2 = 300 mms = 2,5 %
n2 = rpm
16.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
A = 50B = 80C = 12D = 60

Em um trem de engrenagens composto, a engrenagem A (50 dentes), no eixo de entrada girando a 3000 rpm, aciona a engrenagem B (80 dentes). A engrenagem C (12 dentes) está fixada no mesmo eixo que B e aciona a engrenagem D (60 dentes) no eixo de saída. Calcule a rotação de saída nout.

nin = 3000 rpmA = 50B = 80C = 12D = 60
nout = rpm
17.Molas e pêndulosMédia
1,1 kgk = 290 N/mA = 5 cmx = 2 cm

Uma massa de 1,1 kg presa a uma mola com k = 290 N/m oscila sobre uma superfície sem atrito com amplitude de 5 cm. Encontre sua velocidade v quando ela está a 2 cm do equilíbrio.

m = 1,1 kgk = 290 N/mA = 5 cmx = 2 cm
v = m/s
18.Molas e pêndulosDifícil
1 kgk = 480 N/m

Uma massa de 1 kg é presa à extremidade inferior de uma mola vertical não deformada com k = 480 N/m e solta do repouso. Use g = 9,81 m/s². Encontre o maior alongamento xmax da mola em cm.

m = 1 kgk = 480 N/mg = 9,81 m/s²
xmax = cm
19.Vibrações mecânicasMédia
k = 5 kN/mζ = 0,5m = 2 kg

Uma massa de 2 kg sobre uma mola com rigidez de 5 kN/m tem um amortecedor viscoso que dá um fator de amortecimento de 0,5. Encontre a frequência natural amortecida fd da sua vibração livre em Hz.

m = 2 kgk = 5 kN/mζ = 0,5
fd = Hz
20.Vibrações mecânicasDifícil
k1​ = 40k2​ = 60m = 50 kg

Uma massa de 50 kg está pendurada em duas molas ligadas uma após a outra (em série): a mola superior tem k₁ = 40 kN/m e a inferior k₂ = 60 kN/m. Encontre a rigidez equivalente keq do sistema de molas em kN/m.

m = 50 kgk1 = 40 kN/mk2 = 60 kN/m
keq = kN/m

3Soluções

1.Cinemática

Resposta: s = 59,35 m

Movimento com aceleração constante: v = v₀ + a·t, s = v₀·t + ½·a·t² e v² = v₀² + 2·a·s. Escolha a equação que contém as três grandezas que você conhece e a que você procura, e mantenha os sinais coerentes com um único sentido positivo.

Unidades

v₀ = 100/3,6 = 27,78 m/s

Distância de frenagem

0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 27,78²/(2·6,5) = 59,35 m

Resposta

s = 59,35 m
2.Cinemática

Resposta: d = 40,72 m

Movimento com aceleração constante: v = v₀ + a·t, s = v₀·t + ½·a·t² e v² = v₀² + 2·a·s. Escolha a equação que contém as três grandezas que você conhece e a que você procura, e mantenha os sinais coerentes com um único sentido positivo.

Duas partes do tempo

½·9,81·t₁² = 343·(3 − t₁)
4,905·t₁² + 343·t₁ − 1029 = 0

Tempo de queda

Só a raiz positiva tem sentido físico.

t₁ = (−343 + √(343² + 4·4,905·1029))/(2·4,905) = 2,881 s

Profundidade

d = ½·9,81·2,881² = 40,72 m

Resposta

d = 40,72 m
3.Leis de Newton

Resposta: a = 4,724 m/s²

Segunda lei de Newton: a força resultante sobre um corpo é igual à sua massa vezes sua aceleração, ΣF = m·a. Desenhe um diagrama de corpo livre, escolha um sentido positivo ao longo do movimento e some todas as forças nesse sentido: forças aplicadas, o atrito μ·N contrário ao movimento e as componentes da gravidade.

Força normal

N = m·g − F·sin θ = 196,2 − 140·sin 20° = 148,3 N

Forças horizontais

m·a = F·cos θ − μ·N = 131,6 − 37,08
a = 94,48/20 = 4,724 m/s²

Resposta

a = 4,724 m/s²
4.Leis de Newton

Resposta: a = 3,018 m/s²

Segunda lei de Newton: a força resultante sobre um corpo é igual à sua massa vezes sua aceleração, ΣF = m·a. Desenhe um diagrama de corpo livre, escolha um sentido positivo ao longo do movimento e some todas as forças nesse sentido: forças aplicadas, o atrito μ·N contrário ao movimento e as componentes da gravidade.

Aceleração do sistema

a = (m2·g − μ·m1·g)/(m1 + m2) = (39,24 − 0)/13 = 3,018 m/s²

Resposta

a = 3,018 m/s²
5.Movimento de projéteis

Resposta: x = 58,97 m

Movimento de projéteis: sem resistência do ar, x = vxt e y = h + vyt − ½gt². As duas direções são independentes, exceto por compartilharem o mesmo tempo.

Decomponha a velocidade de lançamento

A velocidade horizontal é constante; o movimento vertical tem aceleração constante g = 9,81 m/s² para baixo.

vx = v0·cos θ = 30·cos 70° = 10,26 m/s
vy = v0·sin θ = 30·sin 70° = 28,19 m/s

Tempo no ar

Partindo e chegando na mesma altura: t = 2vy/g.

t = 2·28,19/9,81 = 5,747 s

Distância horizontal

x = vx·t = 10,26·5,747 = 58,97 m

Resposta

x = 58,97 m
6.Movimento de projéteis

Resposta: x = 115,1 m

Movimento de projéteis: sem resistência do ar, x = vxt e y = h + vyt − ½gt². As duas direções são independentes, exceto por compartilharem o mesmo tempo.

Decomponha a velocidade de lançamento

A velocidade horizontal é constante; o movimento vertical tem aceleração constante g = 9,81 m/s² para baixo.

vx = v0·cos θ = 32·cos 20° = 30,07 m/s
vy = v0·sin θ = 32·sin 20° = 10,94 m/s

Tempo no ar

Resolva y(t) = h + vy·t − ½gt² = 0 para a raiz positiva.

0 = 30 + 10,94·t − 4,905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (10,94 + √(119,8 + 588,6))/9,81 = 3,829 s

Distância horizontal

x = vx·t = 30,07·3,829 = 115,1 m

Resposta

x = 115,1 m
7.Movimento circular

Resposta: vmax = 24,26 m/s

Movimento circular uniforme: um objeto que se move com velocidade v em um círculo de raio r acelera em direção ao centro com a = v²/r, então precisa de uma força resultante para dentro F = m·v²/r. Essa força é fornecida por algo real: atrito, tração, gravidade ou uma força normal.

Força normal nula

m·g = m·v²/r → v = √(g·r) = √(9,81·60) = 24,26 m/s

Resposta

vmax = 24,26 m/s
(87,34 km/h)
8.Movimento circular

Resposta: T = 31,85 N

Movimento circular uniforme: um objeto que se move com velocidade v em um círculo de raio r acelera em direção ao centro com a = v²/r, então precisa de uma força resultante para dentro F = m·v²/r. Essa força é fornecida por algo real: atrito, tração, gravidade ou uma força normal.

Forças no ponto mais baixo

Em direção ao centro (para cima) é positivo.

T − m·g = m·v²/r
T = 0,6·9,81 + 0,6·7,5²/1,3 = 5,886 + 25,96 = 31,85 N

Resposta

T = 31,85 N
9.Trabalho e energia

Resposta: Wf = 67,63 J

Princípio trabalho–energia: a variação da energia cinética é igual ao trabalho de todas as forças. Escrever gravidade e molas como energia potencial (mgh e ½kx²) transforma isso em um balanço: energia inicial = energia final + energia perdida por atrito (μN·d).

Força de atrito

N = mg·cos θ = 39,24·0,766 = 30,06 N
F = μN = 0,15·30,06 = 4,509 N

Trabalho contra o atrito

Wf = F·d = 4,509·15 = 67,63 J

Resposta

Wf = 67,63 J
10.Trabalho e energia

Resposta: N = 39,24 N

Princípio trabalho–energia: a variação da energia cinética é igual ao trabalho de todas as forças. Escrever gravidade e molas como energia potencial (mgh e ½kx²) transforma isso em um balanço: energia inicial = energia final + energia perdida por atrito (μN·d). Em uma trajetória circular a força resultante em direção ao centro deve ser igual a mv²/r.

Velocidade no topo

v² = 2g(h − 2R) = 2·9,81·(4,5 − 2) = 49,05 m²/s²

Forças no topo

m·g = 1·9,81 = 9,81 N
N = mv²/R − mg = 1·49,05/1 − 9,81 = 39,24 N

Resposta

N = 39,24 N

O carrinho completa o loop no limite quando h = 2,5R; então N = 0 no topo.

11.Quantidade de movimento e colisões

Resposta: v′2 = −130 m/s

Conservação da quantidade de movimento: quando nenhuma força externa atua durante uma colisão, a quantidade de movimento total Σm·v antes é igual à total depois. As velocidades têm sentido, então escolha um sentido positivo e dê sinal negativo às velocidades no outro sentido. Em uma colisão elástica a energia cinética também se conserva; em uma perfeitamente inelástica os corpos ficam unidos.

Quantidade de movimento antes

p = M·u = 17·20 = 340 kg·m/s

Quantidade de movimento depois

340 = 15·40 + 2·v′2
v′2 = (340 − 600)/2 = −130 m/s

Resposta

v′2 = −130 m/s

O sinal de menos significa que o segundo fragmento voa para trás.

12.Quantidade de movimento e colisões

Resposta: v = 87,13 m/s

Conservação da quantidade de movimento: quando nenhuma força externa atua durante uma colisão, a quantidade de movimento total Σm·v antes é igual à total depois. As velocidades têm sentido, então escolha um sentido positivo e dê sinal negativo às velocidades no outro sentido. Em uma colisão elástica a energia cinética também se conserva; em uma perfeitamente inelástica os corpos ficam unidos.

Subida do bloco

h = L·(1 − cos θ) = 0,5·(1 − cos 30°) = 0,06699 m

Velocidade após o impacto

V = √(2·9,81·0,06699) = 1,146 m/s

Colisão

v = (m + M)·V/m = 1,52·1,146/0,02 = 87,13 m/s

Resposta

v = 87,13 m/s
13.Rotação de corpo rígido

Resposta: T = 34,17 N

Rotação em torno de um eixo fixo: a soma dos momentos em relação ao eixo é igual a I·α (ΣM = I·α), assim como ΣF = m·a na translação. Na forma de energia, um torque T que gira um ângulo θ (em radianos) realiza o trabalho T·θ, que altera a energia cinética ½·I·ω²; a gravidade acrescenta ou retira m·g·Δh do centro de massa. A potência é P = T·ω.

Bloco e polia

bloco: m·g − T = m·a
polia: T·R = I·α = ½·M·R²·(a/R) → T = ½·M·a

Aceleração

a = m·g/(m + M/2) = 9,5·9,81/(9,5 + 5,5) = 6,213 m/s²

Tração

T = m·(g − a) = 9,5·(9,81 − 6,213) = 34,17 N

Resposta

T = 34,17 N
14.Rotação de corpo rígido

Resposta: n2 = 393,8 rpm

Rolamento e quantidade de movimento angular: um corpo que rola sem deslizar tem v = ω·r, então sua energia cinética é ½·m·v² + ½·I·ω² = ½·m·v²·(1 + I/(m·r²)). Em um plano inclinado isso dá a = g·sin θ/(1 + I/(m·r²)). Quando nenhum momento externo atua em relação a um eixo, a quantidade de movimento angular em relação a esse eixo permanece constante, I₁·ω₁ = I₂·ω₂, mesmo que se perca energia cinética.

Momentos de inércia

I1 = ½·14·0,25² = 0,4375 kg·m²
I2 = 9·0,25² = 0,5625 kg·m²

Conservação da quantidade de movimento angular

n2 = n1·I1/(I1 + I2) = 900·0,4375/1 = 393,8 rpm

Resposta

n2 = 393,8 rpm
15.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: n2 = 936 rpm

Transmissões por correia: sem escorregamento, as duas polias têm a mesma velocidade periférica v = π·d·n/60, de modo que n₁·d₁ = n₂·d₂ e a relação de velocidades é d₂/d₁. O escorregamento s torna a polia movida um pouco mais lenta: n₂ = n₁·(d₁/d₂)·(1 − s). A potência transmitida é P = (T₁ − T₂)·v, com T₁ a tração no lado tracionado e T₂ no lado frouxo. O atrito limita a razão das trações: T₁/T₂ = eμθ, em que θ é o ângulo de abraçamento em radianos na polia menor; para uma correia aberta, θ = π − 2·asen((d₂ − d₁)/(2C)) com distância entre centros C.

Velocidade sem escorregamento

2880·100/300 = 960 rpm

Com escorregamento

n2 = 960·0,975 = 936 rpm

Resposta

n2 = 936 rpm
16.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: nout = 375 rpm

Trens de engrenagens: engrenagens acopladas têm a mesma velocidade nos dentes, então n₁·N₁ = n₂·N₂: a engrenagem com menos dentes gira mais rápido. Engrenagens no mesmo eixo giram com a mesma rotação. A potência é transmitida (menos as perdas), então o torque aumenta quando a rotação diminui: T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η, e P = T·ω com ω = 2π·n/60.

Primeiro estágio

nB = 3000·50/80 = 1875 rpm = nC

Segundo estágio

nout = 1875·12/60 = 375 rpm

Resposta

nout = 375 rpm

relação total = 8 : 1

17.Molas e pêndulos

Resposta: v = 0,7441 m/s

Movimento harmônico simples: uma massa m presa a uma mola de constante elástica k oscila com frequência angular ω = √(k/m) e período T = 2π/ω = 2π·√(m/k). Um pêndulo simples de comprimento L tem T = 2π·√(L/g). Com amplitude A, a maior velocidade é A·ω, a maior aceleração é A·ω² e a energia é ½·k·A².

Frequência angular

ω = √(290/1,1) = 16,24 rad/s

Velocidade em x

v = ω·√(A² − x²) = 16,24·√(0,05² − 0,02²) = 0,7441 m/s

Resposta

v = 0,7441 m/s
18.Molas e pêndulos

Resposta: xmax = 4,088 cm

Movimento harmônico simples: uma massa m presa a uma mola de constante elástica k oscila com frequência angular ω = √(k/m) e período T = 2π/ω = 2π·√(m/k). Um pêndulo simples de comprimento L tem T = 2π·√(L/g). Com amplitude A, a maior velocidade é A·ω, a maior aceleração é A·ω² e a energia é ½·k·A².

Equilíbrio e amplitude

x₀ = m·g/k = 1·9,81/480 = 0,02044 m = A

Ponto mais baixo

xmax = 2A = 0,04088 m = 4,088 cm

Resposta

xmax = 4,088 cm
19.Vibrações mecânicas

Resposta: fd = 6,892 Hz

Vibração livre de um sistema massa–mola: a frequência natural não amortecida é ωn = √(k/m) em rad/s, e fn = ωn/(2π) em Hz. Um amortecedor viscoso c dá o fator de amortecimento ζ = c/cc, com amortecimento crítico cc = 2·√(k·m) = 2·m·ωn. Um sistema subamortecido (ζ < 1) oscila em ωd = ωn·√(1 − ζ²). Molas em paralelo se somam, k = k₁ + k₂; molas em série se somam pelos inversos, 1/k = 1/k₁ + 1/k₂.

Frequência natural não amortecida

ωn = √(5000/2) = 50 rad/s
fn = 50/(2π) = 7,958 Hz

Frequência natural amortecida

fd = fn·√(1 − ζ²) = 7,958·√(1 − 0,5²) = 6,892 Hz

Resposta

fd = 6,892 Hz
20.Vibrações mecânicas

Resposta: keq = 24 kN/m

Vibração livre de um sistema massa–mola: a frequência natural não amortecida é ωn = √(k/m) em rad/s, e fn = ωn/(2π) em Hz. Um amortecedor viscoso c dá o fator de amortecimento ζ = c/cc, com amortecimento crítico cc = 2·√(k·m) = 2·m·ωn. Um sistema subamortecido (ζ < 1) oscila em ωd = ωn·√(1 − ζ²). Molas em paralelo se somam, k = k₁ + k₂; molas em série se somam pelos inversos, 1/k = 1/k₁ + 1/k₂.

Rigidez equivalente

Molas em série compartilham a mesma força e somam suas deflexões, então se combinam pelos inversos: 1/k = 1/k1 + 1/k2.

1/keq = 1/40 + 1/60 → keq = 40·60/(40 + 60) = 24 kN/m

Resposta

keq = 24 kN/m

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