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)2,778 s13,89

Um carro a 50 km/h freia com desaceleração constante de 5 m/s² até parar. Calcule a distância de frenagem s.

v₀ = 50 km/ha = −5 m/s²v = 0
s = m
2.CinemáticaDifícil
v₀ = 16 m/s5 m

Uma bola é lançada verticalmente para cima a 16 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 = 16 m/sh₀ = 5 mg = 9,81 m/s²
t = s
3.Leis de NewtonMédia
θ = 20°a = ?m = 18 kg

Um bloco de 18 kg desliza para baixo em um plano inclinado a 20° da horizontal. O coeficiente de atrito cinético é 0,2. Use g = 9,81 m/s². Calcule a aceleração a do bloco ao longo do plano.

m = 18 kgθ = 20°μ = 0,2g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Leis de NewtonDifícil
m1​ = 2,5 kg8 kgθ = 35°

Um bloco de 2,5 kg em uma rampa a 35° está ligado por um fio leve, passando por uma polia sem atrito no topo da rampa, a uma massa pendurada de 8 kg. A massa pendurada desce. O coeficiente de atrito cinético entre o bloco e a rampa é 0,2. Use g = 9,81 m/s². Calcule a tração T no fio.

m1 = 2,5 kgm2 = 8 kgθ = 35°μ = 0,2g = 9,81 m/s²
T = N
5.Movimento de projéteisMédia
v0​ = 30 m/sθ = ?R = 45 m

Uma bola é lançada a partir do chão plano a 30 m/s e deve cair a 45 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 = 45 mg = 9,81 m/s²
θ = °
6.Movimento de projéteisDifícil
21 mv0​ = 36 m/s65°x = ?

Uma bola é lançada do nível do chão a 36 m/s e 65° acima da horizontal. Ela cai no telhado plano de um prédio de 21 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 = 36 m/sθ = 65°hroof = 21 mg = 9,81 m/s²
x = m
7.Movimento circularMédia
r = 65 mvmax​ = ?

Um carro faz uma curva plana de raio 65 m. O coeficiente de atrito estático entre os pneus e a pista é 0,6. Use g = 9,81 m/s². Calcule a maior velocidade vmax com que o carro pode fazer a curva sem derrapar.

r = 65 mμs = 0,6g = 9,81 m/s²
vmax = m/s
8.Movimento circularDifícil
r = 1,2 mv = 4 m/s

Uma bola de 1,2 kg presa a um fio de 1,2 m de comprimento gira em um círculo vertical. No ponto mais baixo, ela se move a 4 m/s. Use g = 9,81 m/s². Calcule a tração T no fio no ponto mais baixo.

m = 1,2 kgr = 1,2 mv = 4 m/sg = 9,81 m/s²
T = N
9.Trabalho e energiaMédia
90 km/h

Um carro a 90 km/h em uma estrada plana freia bruscamente e derrapa até parar com as rodas travadas. O coeficiente de atrito cinético entre os pneus e a estrada é 0,6. Encontre a distância de frenagem d.

v = 90 km/hμ = 0,6g = 9,81 m/s²
d = m
10.Trabalho e energiaDifícil
h = 1 mL = 3,5 mμ = 0,15k = 2000 N/m

Um bloco de 2,5 kg é solto do repouso na altura 1 m em uma rampa lisa. Embaixo ele atravessa uma faixa horizontal áspera de 3,5 m (μ = 0,15) e depois encontra uma mola (k = 2000 N/m) em uma superfície lisa. Encontre a compressão máxima x da mola.

m = 2,5 kgh = 1 mL = 3,5 mμ = 0,15k = 2000 N/mg = 9,81 m/s²
x = cm
11.Quantidade de movimento e colisõesMédia
1 kg2 m/s5 kg

Um carrinho de 1 kg a 2 m/s sofre uma colisão frontal perfeitamente elástica com um carrinho de 5 kg em repouso em um trilho sem atrito. Calcule a velocidade v′2 do segundo carrinho após a colisão.

m1 = 1 kgm2 = 5 kgv1 = 2 m/sv2 = 0
v′2 = m/s
12.Quantidade de movimento e colisõesDifícil
5 kgv = ?5 g15°L = 0,9 m

Um projétil de 5 g é disparado horizontalmente contra um bloco de 5 kg pendurado por fios leves de 0,9 m e fica alojado nele. Os fios oscilam até um ângulo máximo de 15° com a vertical. Use g = 9,81 m/s². Encontre a velocidade v do projétil antes do impacto.

m = 5 gM = 5 kgL = 0,9 mθ = 15°g = 9,81 m/s²
v = m/s
13.Rotação de corpo rígidoMédia
2,5 kgaαM = 4 kgR = 0,4 m

Um bloco de 2,5 kg está pendurado em um cabo leve enrolado em uma polia, um disco maciço uniforme de massa 4 kg e raio 0,4 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 1 m.

m = 2,5 kgM = 4 kgR = 0,4 mg = 9,81 m/s²h = 1 m
v = m/s
14.Rotação de corpo rígidoDifícil
θ = 40°as = 6,5 m

Um corpo (aro fino) rola sem deslizar por um plano inclinado de 40° em relação à horizontal. Use g = 9,81 m/s². Ele parte do repouso. Quanto tempo t leva para rolar 6,5 m plano abaixo?

θ = 40°I = m·r²g = 9,81 m/s²s = 6,5 m
t = s
15.Engrenagens e trens de engrenagensMédia
d1​ = 150 mmd2​ = 300 mm1440 rpmn2​ = ?

Uma polia de 150 mm a 1440 rpm aciona uma polia de 300 mm por uma correia com 3 % de escorregamento. Encontre a velocidade n2 da polia movida.

n1 = 1440 rpmd1 = 150 mmd2 = 300 mms = 3 %
n2 = rpm
16.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
A = 16B = 25C = 20D = 24

Um motor de 11 kW a 1440 rpm aciona a engrenagem A (16 dentes), que engrena com a engrenagem B (25 dentes). A engrenagem C (20 dentes), no mesmo eixo de B, aciona a engrenagem D (24 dentes) no eixo de saída. Cada engrenamento tem eficiência de 95%. Encontre o torque de saída Tout.

P = 11 kWnin = 1440 rpmA = 16B = 25C = 20D = 24ηmesh = 95%
Tout = N·m
17.Molas e pêndulosMédia
2,6 kgk = 240 N/mA = 17 cmx = 9 cm

Uma massa de 2,6 kg presa a uma mola com k = 240 N/m oscila sobre uma superfície sem atrito com amplitude de 17 cm. Encontre sua velocidade v quando ela está a 9 cm do equilíbrio.

m = 2,6 kgk = 240 N/mA = 17 cmx = 9 cm
v = m/s
18.Molas e pêndulosDifícil
mk = 470 N/mA = 16 cmx = 12 cm

Uma massa presa a uma mola com k = 470 N/m oscila sobre uma superfície sem atrito com amplitude de 16 cm. Encontre a energia U armazenada na mola quando a massa está a 12 cm do equilíbrio.

k = 470 N/mA = 16 cmx = 12 cm
U = J
19.Vibrações mecânicasMédia
k = 80 kN/mζ = 0,5m = 12 kg

Uma massa de 12 kg sobre uma mola com rigidez de 80 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 = 12 kgk = 80 kN/mζ = 0,5
fd = Hz
20.Vibrações mecânicasDifícil
k1​ = 40k2​ = 80k3​ = 80m = 5 kg

Uma massa de 5 kg está pendurada na mola k₃ = 80 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 = 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 = 40 kN/mk2 = 80 kN/mk3 = 80 kN/m
fn = Hz

3Soluções

1.Cinemática

Resposta: s = 19,29 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 = 50/3,6 = 13,89 m/s

Distância de frenagem

0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 13,89²/(2·5) = 19,29 m

Resposta

s = 19,29 m
2.Cinemática

Resposta: t = 3,549 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 = 16·t − ½·9,81·t²
4,905·t² − 16·t − 5 = 0

Resolva a equação do segundo grau

Só a raiz positiva tem sentido físico.

t = (16 + √(16² + 2·9,81·5))/9,81 = 3,549 s

Resposta

t = 3,549 s
3.Leis de Newton

Resposta: a = 1,512 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 20° − 0,2·cos 20°) = 9,81·(0,342 − 0,1879) = 1,512 m/s²

Resposta

a = 1,512 m/s²
4.Leis de Newton

Resposta: T = 32,46 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 fio

m₂·g = 78,48 N
m₁·g·sin θ = 14,07 N
μ·m₁·g·cos θ = 4,018 N

Aceleração do sistema

a = (78,48 − 14,07 − 4,018)/10,5 = 5,752 m/s²

Tração pela massa pendurada

m2·g − T = m2·a → T = 8·(9,81 − 5,752) = 32,46 N

Resposta

T = 32,46 N
5.Movimento de projéteis

Resposta: θ = 14,69 °

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 = 9,81·45/30² = 0,4905

Ângulo

2θ = 29,37° → θ = 14,69°

Resposta

θ = 14,69°

A outra solução é 90° − θ = 75,31°.

6.Movimento de projéteis

Resposta: x = 90,22 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 = 15,21 m/s, vy = 32,63 m/s

Tempo até cair no telhado

Raiz maior: a bola está descendo.

21 = 32,63·t − 4,905·t²
t = (32,63 + √(32,63² − 2·9,81·21))/9,81 = 5,93 s

Distância horizontal

x = vx·t = 15,21·5,93 = 90,22 m

Resposta

x = 90,22 m
7.Movimento circular

Resposta: vmax = 19,56 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) = √(0,6·9,81·65) = 19,56 m/s

Resposta

vmax = 19,56 m/s (70,42 km/h)
8.Movimento circular

Resposta: T = 27,77 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 = 1,2·9,81 + 1,2·4²/1,2 = 11,77 + 16 = 27,77 N

Resposta

T = 27,77 N
9.Trabalho e energia

Resposta: d = 53,09 m

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).

Velocidade em unidades básicas

v = 90/3,6 = 25 m/s

Balanço de energia

½mv² = μmg·d → d = v²/(2μg) = 25²/(2·0,6·9,81) = 53,09 m

Resposta

d = 53,09 m

Dobrar a velocidade torna a distância de frenagem quatro vezes maior.

10.Trabalho e energia

Resposta: x = 10,79 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 = 24,53·(1 − 0,15·3,5) = 11,65 J

Compressão máxima

½kx² = 11,65 → x = √(2·11,65/2000) = 0,1079 m = 10,79 cm

Resposta

x = 10,79 cm
11.Quantidade de movimento e colisões

Resposta: v′2 = 0,6667 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 = (1 − 5)/(1 + 5)·2 = −1,333 m/s
v′2 = 2·1/(1 + 5)·2 = 0,6667 m/s

Resposta

v′2 = 0,6667 m/s
12.Quantidade de movimento e colisões

Resposta: v = 776,5 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) = 0,9·(1 − cos 15°) = 0,03067 m

Velocidade após o impacto

V = √(2·9,81·0,03067) = 0,7757 m/s

Colisão

v = (m + M)·V/m = 5,005·0,7757/0,005 = 776,5 m/s

Resposta

v = 776,5 m/s
13.Rotação de corpo rígido

Resposta: v = 3,302 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) = 2,5·9,81/(2,5 + 2) = 5,45 m/s²

Velocidade depois da queda

v = √(2·a·h) = √(2·5,45·1) = 3,302 m/s

Resposta

v = 3,302 m/s
14.Rotação de corpo rígido

Resposta: t = 2,031 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.

Equações do movimento

m·g·sin θ − f = m·a
f·r = I·α = 1·m·r²·(a/r) → f = 1·m·a

Aceleração

a = g·sin θ/(1 + c) = 9,81·sin 40°/2 = 3,153 m/s²

Tempo

s = ½·a·t² → t = √(2·6,5/3,153) = 2,031 s

Resposta

t = 2,031 s
15.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: n2 = 698,4 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

1440·150/300 = 720 rpm

Com escorregamento

n2 = 720·0,97 = 698,4 rpm

Resposta

n2 = 698,4 rpm
16.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: Tout = 123,4 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.

Velocidade de saída

nout = 1440·(16/25)·(20/24) = 768 rpm
ωout = 2π·768/60 = 80,42 rad/s

Potência e torque de saída

Pout = 11000·0,95² = 9928 W
Tout = Pout/ωout = 9928/80,42 = 123,4 N·m

Resposta

Tout = 123,4 N·m
17.Molas e pêndulos

Resposta: v = 1,386 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 = √(240/2,6) = 9,608 rad/s

Velocidade em x

v = ω·√(A² − x²) = 9,608·√(0,17² − 0,09²) = 1,386 m/s

Resposta

v = 1,386 m/s
18.Molas e pêndulos

Resposta: U = 3,384 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 = ½·470·0,16² = 6,016 J

Energia da mola em x

U = ½·k·x² = ½·470·0,12² = 3,384 J

Resposta

U = 3,384 J
19.Vibrações mecânicas

Resposta: fd = 11,25 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 = √(80000/12) = 81,65 rad/s
fn = 81,65/(2π) = 12,99 Hz

Frequência natural amortecida

fd = fn·√(1 − ζ²) = 12,99·√(1 − 0,5²) = 11,25 Hz

Resposta

fd = 11,25 Hz
20.Vibrações mecânicas

Resposta: fn = 15,59 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 + 80 = 120 kN/m
keq = 120·80/(120 + 80) = 48 kN/m

Frequência natural

ωn = √(48000/5) = 97,98 rad/s
fn = 97,98/(2π) = 15,59 Hz

Resposta

fn = 15,59 Hz

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