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)t = ?13,89

Um carro a 50 km/h freia com desaceleração constante de 6,5 m/s² até parar. Quanto tempo dura a frenagem? Calcule t.

v₀ = 50 km/ha = −6,5 m/s²v = 0
t = s
2.CinemáticaDifícil
v₀ = 11 m/s5 m

Uma bola é lançada verticalmente para cima a 11 m/s da beira de um telhado a 5 m do chão. Despreze a resistência do ar e use g = 9,81 m/s². Quanto tempo após o lançamento ela atinge o chão? Calcule t.

v₀ = 11 m/sh₀ = 5 mg = 9,81 m/s²
t = s
3.Leis de NewtonMédia
8,5 kg2,5 kg

Massas de 8,5 kg e 2,5 kg estão penduradas dos dois lados de uma polia leve e sem atrito, ligadas por um fio leve. O sistema é solto do repouso. Use g = 9,81 m/s². Calcule a tração T no fio.

m1 = 8,5 kgm2 = 2,5 kgg = 9,81 m/s²
T = N
4.Leis de NewtonDifícil
m1​ = 1,5 kg4,5 kgsem atrito

Um bloco de 1,5 kg sobre uma mesa horizontal está ligado por um fio leve, que passa por uma polia sem atrito, a uma massa suspensa de 4,5 kg. A mesa não tem atrito. Use g = 9,81 m/s². Calcule a aceleração a do sistema.

m1 = 1,5 kgm2 = 4,5 kgμ = 0g = 9,81 m/s²
a = m/s²
5.Movimento de projéteisMédia
v0​ = 30 m/sθ = ?R = 85 m

Uma bola é lançada a partir do chão plano a 30 m/s e deve cair a 85 m de distância. Despreze a resistência do ar e use g = 9,81 m/s². Encontre o menor dos dois ângulos de lançamento possíveis θ.

v₀ = 30 m/sR = 85 mg = 9,81 m/s²
θ = °
6.Movimento de projéteisDifícil
h = 20 mv0​ = 15 m/s50°x = ?

Uma bola é lançada a 50° acima da horizontal do topo de um penhasco de 20 m. Despreze a resistência do ar. Encontre a distância horizontal x percorrida antes de a bola atingir o chão.

v0 = 15 m/sθ = 50°h = 20 mg = 9,81 m/s²
x = m
7.Movimento circularMédia
r = 75 mvmax​ = ?

Um carro faz uma curva plana de raio 75 m. O coeficiente de atrito estático entre os pneus e a pista é 0,7. Use g = 9,81 m/s². Calcule a maior velocidade vmax com que o carro pode fazer a curva sem derrapar.

r = 75 mμs = 0,7g = 9,81 m/s²
vmax = m/s
8.Movimento circularDifícil
r = 0,9 mv = 7,5 m/s

Uma bola de 1,6 kg presa a um fio de 0,9 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 = 1,6 kgr = 0,9 mv = 7,5 m/sg = 9,81 m/s²
T = N
9.Trabalho e energiaMédia
45°d = 16 mμ = 0,25

Um bloco de 10 kg desliza 16 m por uma rampa a 45° da horizontal, com coeficiente de atrito cinético de 0,25. Encontre o trabalho Wf realizado contra o atrito.

m = 10 kgθ = 45°μ = 0,25d = 16 mg = 9,81 m/s²
Wf = J
10.Trabalho e energiaDifícil
3 kg2 kgμ = 0,3d = 3 m

Um bloco de 3 kg repousa sobre uma mesa horizontal áspera (μ = 0,3). Um fio leve vai dele, passando por uma polia lisa na borda da mesa, até um bloco pendurado de 2 kg. O sistema é solto do repouso. Encontre a velocidade v dos blocos depois que o bloco pendurado desceu 3 m.

m1 = 3 kgm2 = 2 kgμ = 0,3d = 3 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
11.Quantidade de movimento e colisõesMédia
1300 kg22 m/s700 kg

Um carro de 1300 kg a 22 m/s colide com um carro parado de 700 kg e os dois ficam presos um ao outro. Quanta energia cinética ΔK é perdida na colisão?

m1 = 1300 kgv1 = 22 m/sm2 = 700 kgv2 = 0
ΔK = J
12.Quantidade de movimento e colisõesDifícil
5 kgv = ?8 g25°L = 1,6 m

Um projétil de 8 g é disparado horizontalmente contra um bloco de 5 kg pendurado por fios leves de 1,6 m e fica alojado nele. Os fios oscilam até um ângulo máximo de 25° com a vertical. Use g = 9,81 m/s². Encontre a velocidade v do projétil antes do impacto.

m = 8 gM = 5 kgL = 1,6 mθ = 25°g = 9,81 m/s²
v = m/s
13.Rotação de corpo rígidoMédia
v = ?L = 0,6 mm = 4 kg

Uma barra esbelta uniforme de massa 4 kg e comprimento 0,6 m está articulada em uma extremidade e é solta do repouso na posição horizontal. Despreze o atrito e use g = 9,81 m/s². Encontre a velocidade v da extremidade livre quando a barra passa pela posição vertical.

m = 4 kgL = 0,6 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
14.Rotação de corpo rígidoDifícil
θ = 25°vs = 1 m

Um corpo (aro fino) parte do repouso e rola sem deslizar por um plano inclinado de 25° em relação à horizontal. Use g = 9,81 m/s². Encontre sua velocidade v depois de rolar 1 m ao longo do plano.

θ = 25°s = 1 mI = m·r²g = 9,81 m/s²
v = m/s
15.Engrenagens e trens de engrenagensMédia
Nw​ = 72z = 1, 1450 rpm

Um parafuso sem-fim com 1 entrada(s) gira a 1450 rpm e aciona uma coroa com 72 dentes. Encontre a rotação nw da coroa.

z = 1Nw = 72n = 1450 rpm
nw = rpm
16.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
d1​ = 200 mmd2​ = 300 mm960 rpmC = 800 mmθ = ?

Uma correia aberta liga uma polia de 200 mm e uma polia de 300 mm cujos centros estão a 800 mm de distância. Encontre o ângulo de abraçamento θ na polia menor, em graus.

d1 = 200 mmd2 = 300 mmC = 800 mm
θ = °
17.Molas e pêndulosMédia
L = 0,2 m

Um pêndulo simples tem comprimento de 0,2 m. Use g = 9,81 m/s². Calcule seu período T para pequenas oscilações.

L = 0,2 mg = 9,81 m/s²
T = s
18.Molas e pêndulosDifícil
mk = 340 N/mA = 8 cmx = 2 cm

Uma massa presa a uma mola com k = 340 N/m oscila sobre uma superfície sem atrito com amplitude de 8 cm. Encontre a energia U armazenada na mola quando a massa está a 2 cm do equilíbrio.

k = 340 N/mA = 8 cmx = 2 cm
U = J
19.Vibrações mecânicasMédia
tx40 mm5 ciclos8,3 mm

Em um ensaio de vibração livre de um sistema massa–mola amortecido, um pico de deslocamento de 40 mm é seguido, 5 ciclos depois, por um pico de 8,3 mm. Encontre o fator de amortecimento ζ.

x0 = 40 mmx5 = 8,3 mmn = 5
ζ =
20.Vibrações mecânicasDifícil
k1​ = 40k2​ = 20k3​ = 12m = 10 kg

Uma massa de 10 kg está pendurada na mola k₃ = 12 kN/m. O topo de k₃ está preso a uma barra rígida que está pendurada em duas molas lado a lado, k₁ = 40 kN/m e k₂ = 20 kN/m; a barra permanece nivelada. Despreze o amortecimento e as massas das molas e da barra. Encontre a frequência natural fn da vibração vertical em Hz.

m = 10 kgk1 = 40 kN/mk2 = 20 kN/mk3 = 12 kN/m
fn = Hz

3Soluções

1.Cinemática

Resposta: t = 2,137 s

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 = 50/3,6 = 13,89 m/s

Tempo de frenagem

0 = v₀ − a·t → t = v₀/a = 13,89/6,5 = 2,137 s

Resposta

t = 2,137 s
2.Cinemática

Resposta: t = 2,63 s

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.

Equação do movimento

Para cima é positivo e o chão está h₀ abaixo do ponto de partida.

−5 = 11·t − ½·9,81·t²
4,905·t² − 11·t − 5 = 0

Resolva a equação do segundo grau

Só a raiz positiva tem sentido físico.

t = (11 + √(11² + 2·9,81·5))/9,81 = 2,63 s

Resposta

t = 2,63 s
3.Leis de Newton

Resposta: T = 37,9 N

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

A força motriz resultante é a diferença dos pesos; ela move a massa total.

a = (8,5 − 2,5)·9,81/(8,5 + 2,5) = 5,351 m/s²

Tração pela massa mais leve

T − m2·g = m2·a → T = 2,5·(9,81 + 5,351) = 37,9 N

Resposta

T = 37,9 N
4.Leis de Newton

Resposta: a = 7,358 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) = (44,15 − 0)/6 = 7,358 m/s²

Resposta

a = 7,358 m/s²
5.Movimento de projéteis

Resposta: θ = 33,95 °

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.

Fórmula do alcance

R = v₀²·sin 2θ/g → sin 2θ = 9,81·85/30² = 0,9265

Ângulo

2θ = 67,9° → θ = 33,95°

Resposta

θ = 33,95°

A outra solução é 90° − θ = 56,05°.

6.Movimento de projéteis

Resposta: x = 33,8 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 = 15·cos 50° = 9,642 m/s
vy = v0·sin θ = 15·sin 50° = 11,49 m/s

Tempo no ar

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

0 = 20 + 11,49·t − 4,905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (11,49 + √(132 + 392,4))/9,81 = 3,506 s

Distância horizontal

x = vx·t = 9,642·3,506 = 33,8 m

Resposta

x = 33,8 m
7.Movimento circular

Resposta: vmax = 22,69 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.

O atrito fornece a força centrípeta

m·v²/r = μ·m·g
v = √(μ·g·r) = √(0,7·9,81·75) = 22,69 m/s

Resposta

vmax = 22,69 m/s (81,7 km/h)
8.Movimento circular

Resposta: T = 115,7 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 = 1,6·9,81 + 1,6·7,5²/0,9 = 15,7 + 100 = 115,7 N

Resposta

T = 115,7 N
9.Trabalho e energia

Resposta: Wf = 277,5 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 = 98,1·0,7071 = 69,37 N
F = μN = 0,25·69,37 = 17,34 N

Trabalho contra o atrito

Wf = F·d = 17,34·16 = 277,5 J

Resposta

Wf = 277,5 J
10.Trabalho e energia

Resposta: v = 3,598 m/s

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).

Energia liberada e perdida

m₂g·d = 19,62·3 = 58,86 J
μ·m₁g·d = 0,3·29,43·3 = 26,49 J

Energia cinética dos dois blocos

½(m₁ + m₂)v² = 32,37 → v = √(2·32,37/5) = 3,598 m/s

Resposta

v = 3,598 m/s
11.Quantidade de movimento e colisões

Resposta: ΔK = 110110 J

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.

Velocidade comum

v′ = m1·v1/(m1 + m2) = 1300·22/2000 = 14,3 m/s

Energia cinética antes e depois

Kbefore = ½·1300·22² = 314600 J
Kafter = ½·2000·14,3² = 204490 J

Energia perdida

ΔK = 314600 − 204490 = 110110 J

Resposta

ΔK = 110110 J

A energia perdida vira deformação, calor e som.

12.Quantidade de movimento e colisões

Resposta: v = 1074 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) = 1,6·(1 − cos 25°) = 0,1499 m

Velocidade após o impacto

V = √(2·9,81·0,1499) = 1,715 m/s

Colisão

v = (m + M)·V/m = 5,008·1,715/0,008 = 1074 m/s

Resposta

v = 1074 m/s
13.Rotação de corpo rígido

Resposta: v = 4,202 m/s

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.

Perda de energia potencial

m·g·L/2 = 4·9,81·0,3 = 11,77 J

Momento de inércia em relação ao pino

IO = m·L²/3 = 4·0,6²/3 = 0,48 kg·m²

Balanço de energia

½·IO·ω² = 11,77 → ω = √(2·11,77/0,48) = 7,004 rad/s
v = ω·L = 7,004·0,6 = 4,202 m/s

Resposta

v = 4,202 m/s
14.Rotação de corpo rígido

Resposta: v = 2,036 m/s

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.

Altura da queda

h = s·sin θ = 1·sin 25° = 0,4226 m

Balanço de energia com rolamento

Rolamento sem deslizamento: ω = v/r, e o atrito não realiza trabalho no ponto de contato.

m·g·h = ½·m·v²·(1 + 1)
v = √(2·9,81·0,4226/2) = 2,036 m/s

Resposta

v = 2,036 m/s
15.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: nw = 20,14 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.

Rotação da coroa

nw = n·z/Nw = 1450·1/72 = 20,14 rpm

Resposta

nw = 20,14 rpm
16.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: θ = 172,8 °

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.

Ângulo da correia

asin(0,0625) = 3,583°

Ângulo de abraçamento

θ = 180 − 2·3,583 = 172,8°

Resposta

θ = 172,8°
17.Molas e pêndulos

Resposta: T = 0,8971 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.

Período do pêndulo

T = 2π·√(0,2/9,81) = 0,8971 s

Resposta

T = 0,8971 s
18.Molas e pêndulos

Resposta: U = 0,068 J

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.

Energia total

E = ½·k·A² = ½·340·0,08² = 1,088 J

Energia da mola em x

U = ½·k·x² = ½·340·0,02² = 0,068 J

Resposta

U = 0,068 J
19.Vibrações mecânicas

Resposta: ζ = 0,05

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.

Decremento logarítmico

δ = (1/5)·ln(40/8,3) = 0,3145

Fator de amortecimento

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,3145/√(39,48 + 0,09893) = 0,05

Resposta

ζ = 0,05
20.Vibrações mecânicas

Resposta: fn = 5,033 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.

Rigidez equivalente

Só k1 e k2 estão em paralelo. Esse par está em série com k3, então combine-os pelos inversos.

k12 = 40 + 20 = 60 kN/m
keq = 60·12/(60 + 12) = 10 kN/m

Frequência natural

ωn = √(10000/10) = 31,62 rad/s
fn = 31,62/(2π) = 5,033 Hz

Resposta

fn = 5,033 Hz

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