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)7,5 s30

Um carro a 108 km/h freia com desaceleração constante de 4 m/s² até parar. Calcule a distância de frenagem s.

v₀ = 108 km/ha = −4 m/s²v = 0
s = m
2.CinemáticaDifícil
v₀ = 6 m/s5 m

Uma bola é lançada verticalmente para cima a 6 m/s da beira de um telhado a 5 m do chão. Despreze a resistência do ar e use g = 9,81 m/s². Calcule a altura máxima hmax em relação ao chão.

v₀ = 6 m/sh₀ = 5 mg = 9,81 m/s²
hmax = m
3.Leis de NewtonMédia
θ = 20°35 kgF = ?

Uma caixa de 35 kg é empurrada rampa acima, inclinada a 20° em relação à horizontal, com velocidade constante, por uma força paralela à rampa. O coeficiente de atrito cinético é 0,25. Use g = 9,81 m/s². Encontre a força de empurrão F.

m = 35 kgθ = 20°μ = 0,25g = 9,81 m/s²
F = N
4.Leis de NewtonDifícil
m1​ = 5,5 kg4 kgμ = 0,25

Um bloco de 5,5 kg sobre uma mesa horizontal está ligado por um fio leve, que passa por uma polia sem atrito, a uma massa suspensa de 4 kg. O coeficiente de atrito cinético entre o bloco e a mesa é 0,25. Use g = 9,81 m/s². Calcule a aceleração a do sistema.

m1 = 5,5 kgm2 = 4 kgμ = 0,25g = 9,81 m/s²
a = m/s²
5.Movimento de projéteisMédia
v0​ = 26 m/s25°alcanceH = ?

Uma bola é lançada a 25° acima da horizontal do chão plano. Despreze a resistência do ar. Encontre a altura máxima H que a bola alcança.

v0 = 26 m/sθ = 25°g = 9,81 m/s²
H = m
6.Movimento de projéteisDifícil
h = 20 mv0​ = 12 m/s25°x = ?

Uma bola é lançada a 25° 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 = 12 m/sθ = 25°h = 20 mg = 9,81 m/s²
x = m
7.Movimento circularMédia
θ = ?para o centro120 km/h

Um engenheiro rodoviário quer que os carros façam uma curva de raio 210 m a 120 km/h sem depender do atrito. Use g = 9,81 m/s². Encontre o ângulo de sobrelevação θ.

r = 210 mv = 120 km/hg = 9,81 m/s²
θ = °
8.Movimento circularDifícil
R = 9 mh = ?

Um pequeno carrinho é solto do repouso em um trilho sem atrito e entra em um loop vertical de raio 9 m. De que altura mínima hmin acima da base do loop ele deve partir para permanecer no trilho no topo do loop?

R = 9 mv₀ = 0
hmin = m
9.Trabalho e energiaMédia
45°d = 2 mμ = 0,15

Um bloco desliza a partir do repouso por uma rampa a 45° da horizontal. O coeficiente de atrito cinético é 0,15. Encontre sua velocidade v depois de deslizar 2 m ao longo da rampa.

θ = 45°μ = 0,15d = 2 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
10.Trabalho e energiaDifícil
F = 20 N30°μ = 0,252 kg

Um bloco de 2 kg parte do repouso na base de uma rampa de 30° e é puxado rampa acima por uma força constante de 20 N paralela à rampa. O coeficiente de atrito cinético é 0,25. Encontre a velocidade v do bloco depois de ele subir 8 m pela rampa.

m = 2 kgF = 20 Nθ = 30°μ = 0,25d = 8 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
11.Quantidade de movimento e colisõesMédia
4 kg32 m/s4 kgv′2​ = ?

Um projétil de 8 kg que se move horizontalmente a 17 m/s explode em dois fragmentos que se movem ao longo da mesma reta. O fragmento de 4 kg continua para a frente a 32 m/s. Encontre a velocidade v′2 do fragmento de 4 kg (positiva no sentido original).

M = 8 kgu = 17 m/sm1 = 4 kgv′1 = 32 m/sm2 = 4 kg
v′2 = m/s
12.Quantidade de movimento e colisõesDifícil
900 kg15 m/s1500 kg13 m/sv′ = ?

Em um cruzamento, um carro de 900 kg que vai para leste a 15 m/s colide com um carro de 1500 kg que vai para norte a 13 m/s. Os carros ficam presos um ao outro. Encontre a velocidade v′ dos destroços logo após a colisão.

m1 = 900 kgv1 = 15 m/s (E)m2 = 1500 kgv2 = 13 m/s (N)
v′ = m/s
13.Rotação de corpo rígidoMédia
v = ?L = 2,3 mm = 1 kg

Uma barra esbelta uniforme de massa 1 kg e comprimento 2,3 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 = 1 kgL = 2,3 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
14.Rotação de corpo rígidoDifícil
θ = 35°a

Um corpo (esfera oca) rola sem deslizar por um plano inclinado de 35° em relação à horizontal. Use g = 9,81 m/s². Encontre a aceleração a do seu centro.

θ = 35°I = (2/3)·m·r²g = 9,81 m/s²
a = m/s²
15.Engrenagens e trens de engrenagensMédia
d1​ = 160 mmd2​ = 315 mm1440 rpmn2​ = ?

Uma polia de 160 mm a 1440 rpm aciona uma polia de 315 mm por uma correia com 1 % de escorregamento. Encontre a velocidade n2 da polia movida.

n1 = 1440 rpmd1 = 160 mmd2 = 315 mms = 1 %
n2 = rpm
16.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
A = 16B = 18C = 12D = 16

Em um trem de engrenagens composto, a engrenagem A (16 dentes), no eixo de entrada girando a 1450 rpm, aciona a engrenagem B (18 dentes). A engrenagem C (12 dentes) está fixada no mesmo eixo que B e aciona a engrenagem D (16 dentes) no eixo de saída. Calcule a rotação de saída nout.

nin = 1450 rpmA = 16B = 18C = 12D = 16
nout = rpm
17.Molas e pêndulosMédia
L = 1,2 mT = 2,06 s

Um astronauta em outro planeta verifica que um pêndulo simples de 1,2 m tem período de 2,06 s para pequenas oscilações. Encontre a aceleração da gravidade g nesse planeta.

L = 1,2 mT = 2,06 s
g = m/s²
18.Molas e pêndulosDifícil
3,9 kgk = 300 N/mA = 14 cm

Uma massa de 3,9 kg presa a uma mola com k = 300 N/m é deslocada 14 cm da posição de equilíbrio e solta. Calcule sua velocidade máxima vmax.

m = 3,9 kgk = 300 N/mA = 14 cm
vmax = m/s
19.Vibrações mecânicasMédia
k = 5 kN/mc = 60 N·s/mm = 20 kg

Uma massa de 20 kg é sustentada por uma mola com rigidez de 5 kN/m e por um amortecedor viscoso com coeficiente de amortecimento de 60 N·s/m. Encontre o fator de amortecimento ζ.

m = 20 kgk = 5 kN/mc = 60 N·s/m
ζ =
20.Vibrações mecânicasDifícil
k1​ = 10k2​ = 80k3​ = 40m = 5 kg

Uma massa de 5 kg está pendurada na mola k₃ = 40 kN/m. O topo de k₃ está preso a uma barra rígida que está pendurada em duas molas lado a lado, k₁ = 10 kN/m e k₂ = 80 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 = 5 kgk1 = 10 kN/mk2 = 80 kN/mk3 = 40 kN/m
fn = Hz

3Soluções

1.Cinemática

Resposta: s = 112,5 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 = 108/3,6 = 30 m/s

Distância de frenagem

0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 30²/(2·4) = 112,5 m

Resposta

s = 112,5 m
2.Cinemática

Resposta: hmax = 6,835 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.

Subida acima do telhado

0 = v₀² − 2·g·Δh → Δh = 6²/(2·9,81) = 1,835 m

Altura em relação ao chão

hmax = 5 + 1,835 = 6,835 m

Resposta

hmax = 6,835 m
3.Leis de Newton

Resposta: F = 198,1 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.

Forças ao longo do plano

Velocidade constante: as forças se equilibram.

F = m·g·sin θ + μ·m·g·cos θ

Força de empurrão

F = 117,4 + 80,66 = 198,1 N

Resposta

F = 198,1 N
4.Leis de Newton

Resposta: a = 2,711 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 − 13,49)/9,5 = 2,711 m/s²

Resposta

a = 2,711 m/s²
5.Movimento de projéteis

Resposta: H = 6,154 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 = 26·cos 25° = 23,56 m/s
vy = v0·sin θ = 26·sin 25° = 10,99 m/s

Ponto mais alto

No topo a velocidade vertical é zero: vy² = 2gH.

H = vy²/(2g) = 10,99²/(2·9,81) = 6,154 m

Resposta

H = 6,154 m
6.Movimento de projéteis

Resposta: x = 28,29 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 = 12·cos 25° = 10,88 m/s
vy = v0·sin θ = 12·sin 25° = 5,071 m/s

Tempo no ar

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

0 = 20 + 5,071·t − 4,905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (5,071 + √(25,72 + 392,4))/9,81 = 2,601 s

Distância horizontal

x = vx·t = 10,88·2,601 = 28,29 m

Resposta

x = 28,29 m
7.Movimento circular

Resposta: θ = 28,34 °

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.

Unidades

v = 120/3,6 = 33,33 m/s

Ângulo de sobrelevação

tan θ = v²/(r·g) = 33,33²/(210·9,81) = 0,5393
θ = 28,34°

Resposta

θ = 28,34°
8.Movimento circular

Resposta: hmin = 22,5 m

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.

Condição no topo

m·g = m·v²/R → v² = g·R

Conservação da energia

g·h = g·2R + ½·g·R → h = 2,5·R = 2,5·9 = 22,5 m

Resposta

hmin = 22,5 m
9.Trabalho e energia

Resposta: v = 4,856 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).

Balanço de energia ao longo da rampa

O bloco desce uma altura d·sin θ enquanto o atrito remove μmg·cos θ·d. A massa se cancela.

½v² = g·d·(sin θ − μ·cos θ)
v = √(2·9,81·2·(0,7071 − 0,15·0,7071)) = 4,856 m/s

Resposta

v = 4,856 m/s
10.Trabalho e energia

Resposta: v = 6,895 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).

Forças ao longo do plano

m·g = 2·9,81 = 19,62 N
mg·sin θ = 9,81 N
μ·mg·cos θ = 4,248 N

Trabalho–energia

½mv² = (20 − 14,06)·8 = 47,54 J
v = √(2·47,54/2) = 6,895 m/s

Resposta

v = 6,895 m/s
11.Quantidade de movimento e colisões

Resposta: v′2 = 2 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 = 8·17 = 136 kg·m/s

Quantidade de movimento depois

136 = 4·32 + 4·v′2
v′2 = (136 − 128)/4 = 2 m/s

Resposta

v′2 = 2 m/s
12.Quantidade de movimento e colisões

Resposta: v′ = 9,882 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.

Componentes da quantidade de movimento

px = 900·15 = 13500 kg·m/s
py = 1500·13 = 19500 kg·m/s

Velocidade dos destroços

v′ = √(px² + py²)/(m1 + m2) = 23717/2400 = 9,882 m/s

Resposta

v′ = 9,882 m/s
13.Rotação de corpo rígido

Resposta: v = 8,227 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 = 1·9,81·1,15 = 11,28 J

Momento de inércia em relação ao pino

IO = m·L²/3 = 1·2,3²/3 = 1,763 kg·m²

Balanço de energia

½·IO·ω² = 11,28 → ω = √(2·11,28/1,763) = 3,577 rad/s
v = ω·L = 3,577·2,3 = 8,227 m/s

Resposta

v = 8,227 m/s
14.Rotação de corpo rígido

Resposta: a = 3,376 m/s²

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.

Equações do movimento

m·g·sin θ − f = m·a
f·r = I·α = 0,6667·m·r²·(a/r) → f = 0,6667·m·a

Aceleração

a = g·sin θ/(1 + c) = 9,81·sin 35°/1,667 = 3,376 m/s²

Resposta

a = 3,376 m/s²
15.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: n2 = 724,1 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

1440·160/315 = 731,4 rpm

Com escorregamento

n2 = 731,4·0,99 = 724,1 rpm

Resposta

n2 = 724,1 rpm
16.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: nout = 966,7 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 = 1450·16/18 = 1289 rpm = nC

Segundo estágio

nout = 1289·12/16 = 966,7 rpm

Resposta

nout = 966,7 rpm

relação total = 1,5 : 1

17.Molas e pêndulos

Resposta: g = 11,16 m/s²

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.

Resolver para g

g = 4π²·L/T² = 4π²·1,2/2,06² = 11,16 m/s²

Resposta

g = 11,16 m/s²
18.Molas e pêndulos

Resposta: vmax = 1,228 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 = √(300/3,9) = 8,771 rad/s

Velocidade máxima

vmax = A·ω = 0,14·8,771 = 1,228 m/s

Resposta

vmax = 1,228 m/s
19.Vibrações mecânicas

Resposta: ζ = 0,09487

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.

Amortecimento crítico

cc = 2·√(k·m) = 2·√(5000·20) = 632,5 N·s/m

Fator de amortecimento

ζ = c/cc = 60/632,5 = 0,09487

Resposta

ζ = 0,09487

ζ < 1, então o sistema é subamortecido e oscila enquanto decai.

20.Vibrações mecânicas

Resposta: fn = 11,84 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 = 10 + 80 = 90 kN/m
keq = 90·40/(90 + 40) = 27,69 kN/m

Frequência natural

ωn = √(27692/5) = 74,42 rad/s
fn = 74,42/(2π) = 11,84 Hz

Resposta

fn = 11,84 Hz

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