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)2,083 s16,67

Um carro a 60 km/h freia com desaceleração constante de 8 m/s² até parar. Calcule a distância de frenagem s.

v₀ = 60 km/ha = −8 m/s²v = 0
s = m
2.CinemáticaDifícil
a = 34 m/s²

Um foguete-modelo é lançado verticalmente para cima a partir do repouso. Seu motor lhe dá uma aceleração constante para cima de 34 m/s² durante 2 s, depois disso o motor desliga e o foguete se move livremente. Despreze a resistência do ar e use g = 9,81 m/s². Encontre a altura máxima hmax que o foguete atinge.

a = 34 m/s²t1 = 2 sg = 9,81 m/s²
hmax = m
3.Leis de NewtonMédia
θ = 30°a = ?m = 18 kg

Um bloco de 18 kg desliza para baixo em um plano inclinado a 30° da horizontal. O coeficiente de atrito cinético é 0,25. Use g = 9,81 m/s². Calcule a aceleração a do bloco ao longo do plano.

m = 18 kgθ = 30°μ = 0,25g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Leis de NewtonDifícil
5 kg12 kgTF = 45 Nμ = 0,2

Dois blocos sobre um piso horizontal estão ligados por um fio horizontal leve. Uma força horizontal de 45 N puxa o bloco da frente, de 12 kg; o bloco de 5 kg é rebocado atrás. O coeficiente de atrito cinético é 0,2 para os dois blocos. Use g = 9,81 m/s². Encontre a aceleração a dos blocos.

m1 = 5 kgm2 = 12 kgF = 45 Nμ = 0,2g = 9,81 m/s²
a = m/s²
5.Movimento de projéteisMédia
v0​ = ?75°R = 125 m

Uma bola é lançada a partir do chão plano a 75° acima da horizontal e cai a 125 m de distância. Despreze a resistência do ar e use g = 9,81 m/s². Encontre a velocidade de lançamento v0.

θ = 75°R = 125 mg = 9,81 m/s²
v0 = m/s
6.Movimento de projéteisDifícil
7 mv0​ = 32 m/s55°x = ?

Uma bola é lançada do nível do chão a 32 m/s e 55° acima da horizontal. Ela cai no telhado plano de um prédio de 7 m de altura, já descendo. Despreze a resistência do ar e use g = 9,81 m/s². Encontre a distância horizontal x do ponto de lançamento até onde ela cai.

v₀ = 32 m/sθ = 55°hroof = 7 mg = 9,81 m/s²
x = m
7.Movimento circularMédia
r = 3,3 mn = ?

Em um rotor de parque de diversões, as pessoas ficam encostadas na parede de um cilindro vertical de raio 3,3 m. Quando ele gira rápido o bastante, o piso desce e o atrito as segura. O coeficiente de atrito estático é 0,8. Use g = 9,81 m/s². Encontre a menor frequência de rotação n em rotações por minuto.

r = 3,3 mμs = 0,8g = 9,81 m/s²
n = rpm
8.Movimento circularDifícil
r = 1,2 m12 m/svtop​ = ?

Uma bola de 0,8 kg presa a um fio leve de 1,2 m é girada em um círculo vertical. No ponto mais baixo sua velocidade é 12 m/s. Despreze a resistência do ar e use g = 9,81 m/s². Encontre a tração Ttop no fio no ponto mais alto.

m = 0,8 kgr = 1,2 mvbottom = 12 m/sg = 9,81 m/s²
Ttop = N
9.Trabalho e energiaMédia
30°d = 13 mμ = 0,15

Um bloco desliza a partir do repouso por uma rampa a 30° da horizontal. O coeficiente de atrito cinético é 0,15. Encontre sua velocidade v depois de deslizar 13 m ao longo da rampa.

θ = 30°μ = 0,15d = 13 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
10.Trabalho e energiaDifícil
h = 4 mL = 4 mμ = 0,3k = 500 N/m

Um bloco de 1 kg é solto do repouso na altura 4 m em uma rampa lisa. Embaixo ele atravessa uma faixa horizontal áspera de 4 m (μ = 0,3) e depois encontra uma mola (k = 500 N/m) em uma superfície lisa. Encontre a compressão máxima x da mola.

m = 1 kgh = 4 mL = 4 mμ = 0,3k = 500 N/mg = 9,81 m/s²
x = cm
11.Quantidade de movimento e colisõesMédia
3,5 kg11 m/s4,5 kg

Um carrinho de 3,5 kg a 11 m/s sofre uma colisão frontal perfeitamente elástica com um carrinho de 4,5 kg em repouso em um trilho sem atrito. Calcule a velocidade v′1 do primeiro carrinho após a colisão (positiva no seu sentido original).

m1 = 3,5 kgm2 = 4,5 kgv1 = 11 m/sv2 = 0
v′1 = m/s
12.Quantidade de movimento e colisõesDifícil
1100 kg21 m/s1500 kg20 m/sv′ = ?

Em um cruzamento, um carro de 1100 kg que vai para leste a 21 m/s colide com um carro de 1500 kg que vai para norte a 20 m/s. Os carros ficam presos um ao outro. Encontre a velocidade v′ dos destroços logo após a colisão.

m1 = 1100 kgv1 = 21 m/s (E)m2 = 1500 kgv2 = 20 m/s (N)
v′ = m/s
13.Rotação de corpo rígidoMédia
5,5 kgaαM = 6 kgR = 0,1 m

Um bloco de 5,5 kg está pendurado em um cabo leve enrolado em uma polia, um disco maciço uniforme de massa 6 kg e raio 0,1 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 velocidade v do bloco depois de cair 5 m.

m = 5,5 kgM = 6 kgR = 0,1 mg = 9,81 m/s²h = 5 m
v = m/s
14.Rotação de corpo rígidoDifícil
0,65 m0,25 mn1​ = 45 rpm

Uma pessoa está em uma plataforma giratória sem atrito e segura um haltere de 3 kg em cada mão, a 0,65 m do eixo. A pessoa e a plataforma sozinhas têm momento de inércia de 4 kg·m² em relação ao eixo. Elas giram a 45 rpm e então puxam os halteres para 0,25 m do eixo. Trate os halteres como massas pontuais. Encontre a nova velocidade n2 em rpm.

I0 = 4 kg·m²m = 2 × 3 kgr1 = 0,65 mr2 = 0,25 mn1 = 45 rpm
n2 = rpm
15.Engrenagens e trens de engrenagensMédia
N1​ = 18N2​ = 45

Um motor de 11 kW girando a 1450 rpm aciona um pinhão com 18 dentes, que engrena com uma engrenagem de 45 dentes. O par de engrenagens tem rendimento de 96%. Calcule o torque de saída T2 no eixo da engrenagem.

P = 11 kWn1 = 1450 rpmN1 = 18N2 = 45η = 96%
T2 = N·m
16.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
d1​ = 125 mmd2​ = 400 mm1500 rpmC = 1200 mmT1​ = 1200 NT2​P = ?

Uma correia aberta liga uma polia motora de 125 mm a 1500 rpm a uma polia de 400 mm; os centros estão a 1200 mm de distância. O coeficiente de atrito é 0,3 e a tração no lado tracionado não pode exceder 1200 N. Encontre a maior potência P que a correia pode transmitir sem escorregar, em kW (ignore os efeitos centrífugos).

d1 = 125 mmn1 = 1500 rpmd2 = 400 mmC = 1200 mmμ = 0,3T1 = 1200 N
P = kW
17.Molas e pêndulosMédia
L = 1,8 mT = 4,37 s

Um astronauta em outro planeta verifica que um pêndulo simples de 1,8 m tem período de 4,37 s para pequenas oscilações. Encontre a aceleração da gravidade g nesse planeta.

L = 1,8 mT = 4,37 s
g = m/s²
18.Molas e pêndulosDifícil
2,7 kgk = 470 N/mA = 13 cm

Uma massa de 2,7 kg presa a uma mola com k = 470 N/m é deslocada 13 cm da posição de equilíbrio e solta. Calcule a energia total E da oscilação.

m = 2,7 kgk = 470 N/mA = 13 cm
E = J
19.Vibrações mecânicasMédia
k = 20 kN/mζ = 0,6m = 8 kg

Uma massa de 8 kg sobre uma mola com rigidez de 20 kN/m tem um amortecedor viscoso que dá um fator de amortecimento de 0,6. Encontre a frequência natural amortecida fd da sua vibração livre em Hz.

m = 8 kgk = 20 kN/mζ = 0,6
fd = Hz
20.Vibrações mecânicasDifícil
k1​ = 100k2​ = 12m = 50 kg

Uma massa de 50 kg está pendurada em duas molas lado a lado (em paralelo), com rigidezes k₁ = 100 kN/m e k₂ = 12 kN/m. A massa permanece nivelada. Encontre a rigidez equivalente keq do sistema de molas em kN/m.

m = 50 kgk1 = 100 kN/mk2 = 12 kN/m
keq = kN/m

3Soluções

1.Cinemática

Resposta: s = 17,36 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 = 60/3,6 = 16,67 m/s

Distância de frenagem

0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 16,67²/(2·8) = 17,36 m

Resposta

s = 17,36 m
2.Cinemática

Resposta: hmax = 303,7 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.

Fase propulsada

v₁ = 34·2 = 68 m/s
h₁ = ½·34·2² = 68 m

Voo livre subindo

No topo a velocidade é zero.

Δh = v₁²/(2g) = 68²/(2·9,81) = 235,7 m
hmax = 68 + 235,7 = 303,7 m

Resposta

hmax = 303,7 m
3.Leis de Newton

Resposta: a = 2,781 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.

Forças ao longo do plano

Para baixo ao longo do plano é positivo.

m·a = m·g·sin θ − μ·m·g·cos θ

Aceleração

a = 9,81·(sin 30° − 0,25·cos 30°) = 9,81·(0,5 − 0,2165) = 2,781 m/s²

Resposta

a = 2,781 m/s²
4.Leis de Newton

Resposta: a = 0,6851 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.

Sistema inteiro

a = (F − μ·(m1 + m2)·g)/(m1 + m2) = (45 − 33,35)/17 = 0,6851 m/s²

Resposta

a = 0,6851 m/s²
5.Movimento de projéteis

Resposta: v0 = 49,52 m/s

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.

Resolva a fórmula do alcance para v₀

v₀ = √(g·R/sin 2θ) = √(9,81·125/sin 150°) = 49,52 m/s

Resposta

v0 = 49,52 m/s
6.Movimento de projéteis

Resposta: x = 92,91 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

vx = 18,35 m/s, vy = 26,21 m/s

Tempo até cair no telhado

Raiz maior: a bola está descendo.

7 = 26,21·t − 4,905·t²
t = (26,21 + √(26,21² − 2·9,81·7))/9,81 = 5,062 s

Distância horizontal

x = vx·t = 18,35·5,062 = 92,91 m

Resposta

x = 92,91 m
7.Movimento circular

Resposta: n = 18,41 rpm

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 sobre uma pessoa

N = m·ω²·r
μ·N = m·g → μ·ω²·r = g

Velocidade angular

ω = √(g/(μ·r)) = √(9,81/(0,8·3,3)) = 1,928 rad/s

Frequência de rotação

n = ω·60/(2π) = 18,41 rpm

Resposta

n = 18,41 rpm
8.Movimento circular

Resposta: Ttop = 56,76 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.

Velocidade no topo

Energia cinética é trocada por energia potencial ao longo de uma altura 2r.

vtop² = 12² − 4·9,81·1,2 = 96,91 m²/s²

Forças no topo

Tração e gravidade apontam ambas para baixo, em direção ao centro.

T + m·g = m·vtop²/r
T = 0,8·96,91/1,2 − 0,8·9,81 = 56,76 N

Resposta

Ttop = 56,76 N
9.Trabalho e energia

Resposta: v = 9,716 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 = √(2·9,81·13·(0,5 − 0,15·0,866)) = 9,716 m/s

Resposta

v = 9,716 m/s
10.Trabalho e energia

Resposta: x = 33,15 cm

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 restante depois da faixa áspera

A rampa é lisa, então só a faixa remove energia.

mgh − μmgL = 9,81·(4 − 0,3·4) = 27,47 J

Compressão máxima

½kx² = 27,47 → x = √(2·27,47/500) = 0,3315 m = 33,15 cm

Resposta

x = 33,15 cm
11.Quantidade de movimento e colisões

Resposta: v′1 = −1,375 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.

Colisão elástica com alvo em repouso

Resolver juntas a conservação da quantidade de movimento e da energia dá estes dois resultados.

v′1 = (3,5 − 4,5)/(3,5 + 4,5)·11 = −1,375 m/s
v′2 = 2·3,5/(3,5 + 4,5)·11 = 9,625 m/s

Resposta

v′1 = −1,375 m/s

O sinal negativo significa que o primeiro carrinho volta para trás.

12.Quantidade de movimento e colisões

Resposta: v′ = 14,56 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 = 1100·21 = 23100 kg·m/s
py = 1500·20 = 30000 kg·m/s

Velocidade dos destroços

v′ = √(px² + py²)/(m1 + m2) = 37863/2600 = 14,56 m/s

Resposta

v′ = 14,56 m/s
13.Rotação de corpo rígido

Resposta: v = 7,967 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.

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) = 5,5·9,81/(5,5 + 3) = 6,348 m/s²

Velocidade depois da queda

v = √(2·a·h) = √(2·6,348·5) = 7,967 m/s

Resposta

v = 7,967 m/s
14.Rotação de corpo rígido

Resposta: n2 = 67,22 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 = 4 + 2·3·0,65² = 6,535 kg·m²
I2 = 4 + 2·3·0,25² = 4,375 kg·m²

Conservação da quantidade de movimento angular

n2 = n1·I1/I2 = 45·6,535/4,375 = 67,22 rpm

Resposta

n2 = 67,22 rpm

A energia cinética aumenta: a energia extra vem do trabalho que a pessoa realiza ao puxar os halteres.

15.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: T2 = 173,9 N·m

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.

Torque do motor

ω₁ = 2π·1450/60 = 151,8 rad/s
T1 = P/ω₁ = 11000/151,8 = 72,44 N·m

Torque de saída

T2 = 72,44·45/18·0,96 = 173,9 N·m

Resposta

T2 = 173,9 N·m
16.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: P = 6,863 kW

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 de abraçamento

θ = 2,912 rad

Tração do lado frouxo

eμθ = e0,8736 = 2,395, T₂ = 1200/2,395 = 500,9 N

Potência

P = (1200 − 500,9)·9,817 = 6,863 kW

Resposta

P = 6,863 kW
17.Molas e pêndulos

Resposta: g = 3,721 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 = 4π²·1,8/4,37² = 3,721 m/s²

Resposta

g = 3,721 m/s²
18.Molas e pêndulos

Resposta: E = 3,972 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.

Frequência angular

ω = √(470/2,7) = 13,19 rad/s

Energia

E = ½·k·A² = ½·470·0,13² = 3,972 J

Resposta

E = 3,972 J
19.Vibrações mecânicas

Resposta: fd = 6,366 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 = √(20000/8) = 50 rad/s
fn = 50/(2π) = 7,958 Hz

Frequência natural amortecida

fd = fn·√(1 − ζ²) = 7,958·√(1 − 0,6²) = 6,366 Hz

Resposta

fd = 6,366 Hz
20.Vibrações mecânicas

Resposta: keq = 112 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 lado a lado compartilham a deflexão e somam suas forças, então suas rigidezes simplesmente se somam: k = k1 + k2.

keq = 100 + 12 = 112 kN/m

Resposta

keq = 112 kN/m

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