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)5,051 s27,78

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

v₀ = 100 km/ha = −5,5 m/s²v = 0
s = m
2.CinemáticaDifícil
t (s)v (m/s)4 s

Um bonde parte do repouso e acelera a 2 m/s² durante 4 s, depois anda com velocidade constante durante 18 s e por fim freia a 4,5 m/s² até parar. Encontre a distância total s entre as duas paradas.

a1 = 2 m/s²t1 = 4 st2 = 18 sa3 = −4,5 m/s²
s = m
3.Leis de NewtonMédia
20 kg35°F = 200 Nμ = 0,4

Um trenó de 20 kg é puxado sobre neve plana por uma corda a 35° acima da horizontal com uma força de 200 N. O coeficiente de atrito cinético é 0,4. Use g = 9,81 m/s². Encontre a aceleração a do trenó.

m = 20 kgF = 200 Nθ = 35°μ = 0,4g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Leis de NewtonDifícil
3 kg2 kgTF = 75 Nμ = 0,2

Dois blocos sobre um piso horizontal estão ligados por um fio horizontal leve. Uma força horizontal de 75 N puxa o bloco da frente, de 2 kg; o bloco de 3 kg é rebocado atrás. O coeficiente de atrito cinético é 0,2 para os dois blocos. Use g = 9,81 m/s². Encontre a tração T no fio de ligação.

m1 = 3 kgm2 = 2 kgF = 75 Nμ = 0,2g = 9,81 m/s²
T = N
5.Movimento de projéteisMédia
v0​ = 40 m/sθ = ?R = 65 m

Uma bola é lançada a partir do chão plano a 40 m/s e deve cair a 65 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 = 40 m/sR = 65 mg = 9,81 m/s²
θ = °
6.Movimento de projéteisDifícil
h = 10 mv0​ = 32 m/s35°alcance

Uma bola é lançada a 35° acima da horizontal do topo de um penhasco de 10 m. Despreze a resistência do ar. Encontre o tempo de voo t até a bola atingir o chão.

v0 = 32 m/sθ = 35°h = 10 mg = 9,81 m/s²
t = s
7.Movimento circularMédia
θ = ?para o centro100 km/h

Um engenheiro rodoviário quer que os carros façam uma curva de raio 240 m a 100 km/h sem depender do atrito. Use g = 9,81 m/s². Encontre o ângulo de sobrelevação θ.

r = 240 mv = 100 km/hg = 9,81 m/s²
θ = °
8.Movimento circularDifícil
r = 0,7 m9 m/svtop​ = ?

Uma bola de 0,3 kg presa a um fio leve de 0,7 m é girada em um círculo vertical. No ponto mais baixo sua velocidade é 9 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 = 0,3 kgr = 0,7 mvbottom = 9 m/sg = 9,81 m/s²
Ttop = N
9.Trabalho e energiaMédia
40°d = 14 mμ = 0,3

Um bloco desliza a partir do repouso por uma rampa a 40° da horizontal. O coeficiente de atrito cinético é 0,3. Encontre sua velocidade v depois de deslizar 14 m ao longo da rampa.

θ = 40°μ = 0,3d = 14 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
10.Trabalho e energiaDifícil
k = 2000 N/m35°μ = 0,252 kg

Uma mola de rigidez 2000 N/m na base de uma rampa de 35° é comprimida 8 cm contra um bloco de 2 kg e solta. O coeficiente de atrito cinético entre o bloco e a rampa é 0,25. Que distância d rampa acima o bloco percorre a partir do ponto de soltura antes de parar? (Despreze a curta distância em que a mola empurra, ou seja, considere o atrito e a gravidade ao longo de toda a distância d.)

m = 2 kgk = 2000 N/mx = 8 cmθ = 35°μ = 0,25g = 9,81 m/s²
d = m
11.Quantidade de movimento e colisõesMédia
4 kg9 m/s3,5 kg

Um carrinho de 4 kg a 9 m/s sofre uma colisão frontal perfeitamente elástica com um carrinho de 3,5 kg em repouso em um trilho sem atrito. Calcule a velocidade v′2 do segundo carrinho após a colisão.

m1 = 4 kgm2 = 3,5 kgv1 = 9 m/sv2 = 0
v′2 = m/s
12.Quantidade de movimento e colisõesDifícil
1600 kg16 m/s1700 kg17 m/sθ = ?

Em um cruzamento, um carro de 1600 kg que vai para leste a 16 m/s colide com um carro de 1700 kg que vai para norte a 17 m/s. Os carros ficam presos um ao outro. Encontre a direção θ dos destroços logo após a colisão, medida a partir do leste em direção ao norte.

m1 = 1600 kgv1 = 16 m/s (E)m2 = 1700 kgv2 = 17 m/s (N)
θ = °
13.Rotação de corpo rígidoMédia
ω = ?L = 2,1 mm = 7,5 kg

Uma barra esbelta uniforme de massa 7,5 kg e comprimento 2,1 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 angular ω da barra ao passar pela posição vertical.

m = 7,5 kgL = 2,1 mg = 9,81 m/s²
ω = rad/s
14.Rotação de corpo rígidoDifícil
θ = 40°as = 1,5 m

Um corpo (esfera maciça) 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 1,5 m plano abaixo?

θ = 40°I = (2/5)·m·r²g = 9,81 m/s²s = 1,5 m
t = s
15.Engrenagens e trens de engrenagensMédia
d1​ = 200 mmd2​ = 250 mm720 rpmT1​ = 1500 NT2​ = 375 NP = ?

Uma correia passa por uma polia motora de 200 mm a 720 rpm. A tração é de 1500 N no lado tracionado e de 375 N no lado frouxo. Encontre a potência P transmitida, em kW.

d1 = 200 mmn1 = 720 rpmT1 = 1500 NT2 = 375 N
P = kW
16.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
d1​ = 100 mmd2​ = 450 mm2880 rpmC = 1000 mmT1​ = 1200 NT2​P = ?

Uma correia aberta liga uma polia motora de 100 mm a 2880 rpm a uma polia de 450 mm; os centros estão a 1000 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 = 100 mmn1 = 2880 rpmd2 = 450 mmC = 1000 mmμ = 0,3T1 = 1200 N
P = kW
17.Molas e pêndulosMédia
L = ?

Qual deve ser o comprimento de um pêndulo simples para ter período de 0,8 s? Use g = 9,81 m/s². Calcule L.

T = 0,8 sg = 9,81 m/s²
L = m
18.Molas e pêndulosDifícil
t (s)x (cm)t = ?4

Um corpo oscila em movimento harmônico simples com período 0,9 s e amplitude 5 cm. Qual é o menor tempo t de que ele precisa para ir do equilíbrio até um deslocamento de 4 cm?

T = 0,9 sA = 5 cmx = 4 cm
t = s
19.Vibrações mecânicasMédia
tx40 mm4 ciclos18,8 mm

Em um ensaio de vibração livre de um sistema massa–mola amortecido, um pico de deslocamento de 40 mm é seguido, 4 ciclos depois, por um pico de 18,8 mm. Encontre o fator de amortecimento ζ.

x0 = 40 mmx4 = 18,8 mmn = 4
ζ =
20.Vibrações mecânicasDifícil
k1​ = 25k2​ = 40k3​ = 5m = 40 kg

Uma massa de 40 kg está pendurada na mola k₃ = 5 kN/m. O topo de k₃ está preso a uma barra rígida que está pendurada em duas molas lado a lado, k₁ = 25 kN/m e k₂ = 40 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 = 40 kgk1 = 25 kN/mk2 = 40 kN/mk3 = 5 kN/m
fn = Hz

3Soluções

1.Cinemática

Resposta: s = 70,15 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/(2·5,5) = 70,15 m

Resposta

s = 70,15 m
2.Cinemática

Resposta: s = 167,1 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.

Velocidade máxima

v = a1·t1 = 2·4 = 8 m/s

Distância de cada fase

s1 = ½·2·4² = 16 m
s2 = 8·18 = 144 m
s3 = 8²/(2·4,5) = 7,111 m

Distância total

s = 16 + 144 + 7,111 = 167,1 m

Resposta

s = 167,1 m
3.Leis de Newton

Resposta: a = 6,562 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 − 200·sin 35° = 81,48 N

Forças horizontais

m·a = F·cos θ − μ·N = 163,8 − 32,59
a = 131,2/20 = 6,562 m/s²

Resposta

a = 6,562 m/s²
4.Leis de Newton

Resposta: T = 45 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.

Sistema inteiro

a = (F − μ·(m1 + m2)·g)/(m1 + m2) = (75 − 9,81)/5 = 13,04 m/s²

Só o bloco de trás

T = m1·(a + μ·g) = 3·(13,04 + 1,962) = 45 N

Resposta

T = 45 N

Com o mesmo μ nos dois blocos, o atrito sai da conta: T = F·m₁/(m₁ + m₂).

5.Movimento de projéteis

Resposta: θ = 11,74 °

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 = 9,81·65/40² = 0,3985

Ângulo

2θ = 23,49° → θ = 11,74°

Resposta

θ = 11,74°

A outra solução é 90° − θ = 78,26°.

6.Movimento de projéteis

Resposta: t = 4,225 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.

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 35° = 26,21 m/s
vy = v0·sin θ = 32·sin 35° = 18,35 m/s

Tempo no ar

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

0 = 10 + 18,35·t − 4,905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (18,35 + √(336,9 + 196,2))/9,81 = 4,225 s

Resposta

t = 4,225 s
7.Movimento circular

Resposta: θ = 18,15 °

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 = 100/3,6 = 27,78 m/s

Ângulo de sobrelevação

tan θ = v²/(r·g) = 27,78²/(240·9,81) = 0,3277
θ = 18,15°

Resposta

θ = 18,15°
8.Movimento circular

Resposta: Ttop = 20 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 = 9² − 4·9,81·0,7 = 53,53 m²/s²

Forças no topo

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

T + m·g = m·vtop²/r
T = 0,3·53,53/0,7 − 0,3·9,81 = 20 N

Resposta

Ttop = 20 N
9.Trabalho e energia

Resposta: v = 10,65 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 = √(2·9,81·14·(0,6428 − 0,3·0,766)) = 10,65 m/s

Resposta

v = 10,65 m/s
10.Trabalho e energia

Resposta: d = 0,4191 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).

Energia da mola

x = 8 cm = 0,08 m
½kx² = ½·2000·0,08² = 6,4 J

Balanço de energia ao longo da rampa

m·g = 2·9,81 = 19,62 N
½kx² = mg·d·(sin θ + μ·cos θ)
d = 6,4/(19,62·(0,5736 + 0,25·0,8192)) = 0,4191 m

Resposta

d = 0,4191 m
11.Quantidade de movimento e colisões

Resposta: v′2 = 9,6 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 = (4 − 3,5)/(4 + 3,5)·9 = 0,6 m/s
v′2 = 2·4/(4 + 3,5)·9 = 9,6 m/s

Resposta

v′2 = 9,6 m/s
12.Quantidade de movimento e colisões

Resposta: θ = 48,47 °

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 = 1600·16 = 25600 kg·m/s
py = 1700·17 = 28900 kg·m/s

Direção

tan θ = py/px = 1,129 → θ = 48,47°

Resposta

θ = 48,47°
13.Rotação de corpo rígido

Resposta: ω = 3,744 rad/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 = 7,5·9,81·1,05 = 77,25 J

Momento de inércia em relação ao pino

IO = m·L²/3 = 7,5·2,1²/3 = 11,03 kg·m²

Balanço de energia

½·IO·ω² = 77,25 → ω = √(2·77,25/11,03) = 3,744 rad/s

Resposta

ω = 3,744 rad/s
14.Rotação de corpo rígido

Resposta: t = 0,8161 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 = 0,4·m·r²·(a/r) → f = 0,4·m·a

Aceleração

a = g·sin θ/(1 + c) = 9,81·sin 40°/1,4 = 4,504 m/s²

Tempo

s = ½·a·t² → t = √(2·1,5/4,504) = 0,8161 s

Resposta

t = 0,8161 s
15.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: P = 8,482 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.

Velocidade da correia

v = 7,54 m/s

Potência

P = (1500 − 375)·7,54 = 8482 W = 8,482 kW

Resposta

P = 8,482 kW
16.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: P = 10,26 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 = 2,79 rad

Tração do lado frouxo

eμθ = e0,8369 = 2,309, T₂ = 1200/2,309 = 519,6 N

Potência

P = (1200 − 519,6)·15,08 = 10,26 kW

Resposta

P = 10,26 kW
17.Molas e pêndulos

Resposta: L = 0,159 m

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.

Isole o comprimento

L = g·(T/2π)² = 9,81·(0,8/2π)² = 0,159 m

Resposta

L = 0,159 m
18.Molas e pêndulos

Resposta: t = 0,1328 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 = 2π/T = 2π/0,9 = 6,981 rad/s

Resolva para o tempo

0,8 = sin(ω·t) → ω·t = arcsin(0,8) = 0,9273 rad
t = 0,9273/6,981 = 0,1328 s

Resposta

t = 0,1328 s
19.Vibrações mecânicas

Resposta: ζ = 0,03003

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 = (1/4)·ln(40/18,8) = 0,1888

Fator de amortecimento

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,1888/√(39,48 + 0,03563) = 0,03003

Resposta

ζ = 0,03003
20.Vibrações mecânicas

Resposta: fn = 1,715 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 = 25 + 40 = 65 kN/m
keq = 65·5/(65 + 5) = 4,643 kN/m

Frequência natural

ωn = √(4643/40) = 10,77 rad/s
fn = 10,77/(2π) = 1,715 Hz

Resposta

fn = 1,715 Hz

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