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
a = 2,25 m/s²s = 1000 m

Um avião parte do repouso e acelera uniformemente a 2,25 m/s² ao longo de uma pista. Encontre sua velocidade v após 1000 m.

v₀ = 0a = 2,25 m/s²s = 1000 m
v = m/s
2.CinemáticaDifícil
a = 38 m/s²

Um foguete-modelo é lançado verticalmente para cima a partir do repouso. Seu motor lhe dá uma aceleração constante para cima de 38 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. Quanto tempo após o lançamento ele atinge o chão? Encontre t.

a = 38 m/s²t1 = 2 sg = 9,81 m/s²
t = s
3.Leis de NewtonMédia
θ = 25°a = ?m = 20 kg

Um bloco de 20 kg desliza para baixo em um plano inclinado a 25° da horizontal. O coeficiente de atrito cinético é 0,15. Use g = 9,81 m/s². Calcule a aceleração a do bloco ao longo do plano.

m = 20 kgθ = 25°μ = 0,15g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Leis de NewtonDifícil
m1​ = 4,5 kg6 kgsem atrito

Um bloco de 4,5 kg sobre uma mesa horizontal está ligado por um fio leve, que passa por uma polia sem atrito, a uma massa suspensa de 6 kg. A mesa não tem atrito. Use g = 9,81 m/s². Calcule a aceleração a do sistema.

m1 = 4,5 kgm2 = 6 kgμ = 0g = 9,81 m/s²
a = m/s²
5.Movimento de projéteisMédia
112 my = ?v0​ = 40 m/s50°

Uma bola é chutada a partir do chão plano a 40 m/s e 50° acima da horizontal em direção a um muro a 112 m de distância. Despreze a resistência do ar e use g = 9,81 m/s². A que altura y a bola passa pelo muro?

v₀ = 40 m/sθ = 50°x = 112 mg = 9,81 m/s²
y = m
6.Movimento de projéteisDifícil
h = 30 mv0​ = 31 m/s20°x = ?

Uma bola é lançada a 20° acima da horizontal do topo de um penhasco de 30 m. Despreze a resistência do ar. Encontre a distância horizontal x percorrida antes de a bola atingir o chão.

v0 = 31 m/sθ = 20°h = 30 mg = 9,81 m/s²
x = m
7.Movimento circularMédia
r = 85 mvmax​ = ?

Um carro faz uma curva plana de raio 85 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 = 85 mμs = 0,6g = 9,81 m/s²
vmax = m/s
8.Movimento circularDifícil
r = 0,6 mv = ?

Uma bola presa a um fio de 0,6 m de comprimento gira em um círculo vertical. Use g = 9,81 m/s². Qual é a menor velocidade vmin no topo para a qual o fio ainda permanece esticado?

r = 0,6 mg = 9,81 m/s²
vmin = m/s
9.Trabalho e energiaMédia
35°d = 6 mμ = 0,4

Um bloco desliza a partir do repouso por uma rampa a 35° da horizontal. O coeficiente de atrito cinético é 0,4. Encontre sua velocidade v depois de deslizar 6 m ao longo da rampa.

θ = 35°μ = 0,4d = 6 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
10.Trabalho e energiaDifícil
h = 4,5 mL = 4 mμ = 0,2k = 1500 N/m

Um bloco de 2,5 kg é solto do repouso na altura 4,5 m em uma rampa lisa. Embaixo ele atravessa uma faixa horizontal áspera de 4 m (μ = 0,2) e depois encontra uma mola (k = 1500 N/m) em uma superfície lisa. Encontre a velocidade v do bloco quando chega à mola.

m = 2,5 kgh = 4,5 mL = 4 mμ = 0,2k = 1500 N/mg = 9,81 m/s²
v = m/s
11.Quantidade de movimento e colisõesMédia
900 kg16 m/s1400 kg

Um carro de 900 kg a 16 m/s colide com um carro parado de 1400 kg e os dois ficam presos um ao outro. Que porcentagem ΔK/K da energia cinética inicial é perdida?

m1 = 900 kgv1 = 16 m/sm2 = 1400 kgv2 = 0
ΔK/K = %
12.Quantidade de movimento e colisõesDifícil
1 kgv = ?10 g10°L = 0,9 m

Um projétil de 10 g é disparado horizontalmente contra um bloco de 1 kg pendurado por fios leves de 0,9 m e fica alojado nele. Os fios oscilam até um ângulo máximo de 10° com a vertical. Use g = 9,81 m/s². Encontre a velocidade v do projétil antes do impacto.

m = 10 gM = 1 kgL = 0,9 mθ = 10°g = 9,81 m/s²
v = m/s
13.Rotação de corpo rígidoMédia
ω = ?L = 1,1 mm = 7 kg

Uma barra esbelta uniforme de massa 7 kg e comprimento 1,1 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 kgL = 1,1 mg = 9,81 m/s²
ω = rad/s
14.Rotação de corpo rígidoDifícil
2,5 m/sω

Um corpo (aro fino) de massa 1,5 kg rola sem deslizar a 2,5 m/s. Que porcentagem p da sua energia cinética total é de rotação?

m = 1,5 kgv = 2,5 m/sI = m·r²
p = %
15.Engrenagens e trens de engrenagensMédia
N1​ = 25, m = 3 mm

Um motor de 5,5 kW girando a 2900 rpm aciona um pinhão com 25 dentes e módulo de 3 mm. Encontre a força tangencial Ft nos dentes do pinhão.

P = 5,5 kWn = 2900 rpmN1 = 25m = 3 mm
Ft = N
16.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
d1​ = 160 mmd2​ = 300 mm1500 rpmC = 1200 mmθ = ?

Uma correia aberta liga uma polia de 160 mm e uma polia de 300 mm cujos centros estão a 1200 mm de distância. Encontre o ângulo de abraçamento θ na polia menor, em graus.

d1 = 160 mmd2 = 300 mmC = 1200 mm
θ = °
17.Molas e pêndulosMédia
L = 0,3 m

Um pêndulo simples tem comprimento de 0,3 m. Use g = 9,81 m/s². Calcule seu período T para pequenas oscilações.

L = 0,3 mg = 9,81 m/s²
T = s
18.Molas e pêndulosDifícil
1,9 kgk = 60 N/m

Uma massa de 1,9 kg é presa à extremidade inferior de uma mola vertical não deformada com k = 60 N/m e solta do repouso. Use g = 9,81 m/s². Encontre a maior velocidade vmax da massa.

m = 1,9 kgk = 60 N/mg = 9,81 m/s²
vmax = m/s
19.Vibrações mecânicasMédia
k = 40 kN/mc = 50 N·s/mm = 2 kg

Uma massa de 2 kg é sustentada por uma mola com rigidez de 40 kN/m e por um amortecedor viscoso com coeficiente de amortecimento de 50 N·s/m. Encontre o fator de amortecimento ζ.

m = 2 kgk = 40 kN/mc = 50 N·s/m
ζ =
20.Vibrações mecânicasDifícil
k1​ = 20k2​ = 40m = 20 kg

Uma massa de 20 kg está pendurada em duas molas ligadas uma após a outra (em série): a mola superior tem k₁ = 20 kN/m e a inferior k₂ = 40 kN/m. Encontre a rigidez equivalente keq do sistema de molas em kN/m.

m = 20 kgk1 = 20 kN/mk2 = 40 kN/m
keq = kN/m

3Soluções

1.Cinemática

Resposta: v = 67,08 m/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.

Velocidade após a distância

v = √(2·a·s) = √(2·2,25·1000) = 67,08 m/s

Resposta

v = 67,08 m/s
(241,5 km/h)
2.Cinemática

Resposta: t = 18,44 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.

Fase propulsada

v₁ = 38·2 = 76 m/s
h₁ = ½·38·2² = 76 m

Voo livre até o chão

Resolva −h₁ = v₁·t₂ − ½·g·t₂² para a raiz positiva.

t₂ = (76 + √(76² + 2·9,81·76))/9,81 = 16,44 s
t = 2 + 16,44 = 18,44 s

Resposta

t = 18,44 s
3.Leis de Newton

Resposta: a = 2,812 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 25° − 0,15·cos 25°) = 9,81·(0,4226 − 0,1359) = 2,812 m/s²

Resposta

a = 2,812 m/s²
4.Leis de Newton

Resposta: a = 5,606 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) = (58,86 − 0)/10,5 = 5,606 m/s²

Resposta

a = 5,606 m/s²
5.Movimento de projéteis

Resposta: y = 40,4 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.

Tempo até o muro

vx = 40·cos 50° = 25,71 m/s
t = x/vx = 112/25,71 = 4,356 s

Altura nesse instante

y = 30,64·4,356 − ½·9,81·4,356² = 40,4 m

Resposta

y = 40,4 m

No muro a bola já está descendo.

6.Movimento de projéteis

Resposta: x = 110,1 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 = 31·cos 20° = 29,13 m/s
vy = v0·sin θ = 31·sin 20° = 10,6 m/s

Tempo no ar

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

0 = 30 + 10,6·t − 4,905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (10,6 + √(112,4 + 588,6))/9,81 = 3,78 s

Distância horizontal

x = vx·t = 29,13·3,78 = 110,1 m

Resposta

x = 110,1 m
7.Movimento circular

Resposta: vmax = 22,37 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) = √(0,6·9,81·85) = 22,37 m/s

Resposta

vmax = 22,37 m/s (80,52 km/h)
8.Movimento circular

Resposta: vmin = 2,426 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.

Tração nula no topo

m·g = m·v²/r → v = √(g·r) = √(9,81·0,6) = 2,426 m/s

Resposta

vmin = 2,426 m/s
9.Trabalho e energia

Resposta: v = 5,38 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 = √(2·9,81·6·(0,5736 − 0,4·0,8192)) = 5,38 m/s

Resposta

v = 5,38 m/s
10.Trabalho e energia

Resposta: v = 8,52 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 restante depois da faixa áspera

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

mgh − μmgL = 24,53·(4,5 − 0,2·4) = 90,74 J

Velocidade na mola

½mv² = mg(h − μL) → v = √(2g(h − μL)) = √(2·9,81·3,7) = 8,52 m/s

Resposta

v = 8,52 m/s
11.Quantidade de movimento e colisões

Resposta: ΔK/K = 60,87 %

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) = 900·16/2300 = 6,261 m/s

Energia cinética antes e depois

Kbefore = ½·900·16² = 115200 J
Kafter = ½·2300·6,261² = 45078 J

Fração perdida

ΔK/K = 70122/115200 = 60,87 %

Resposta

ΔK/K = 60,87 %

A energia perdida vira deformação, calor e som.

12.Quantidade de movimento e colisões

Resposta: v = 52,31 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 10°) = 0,01367 m

Velocidade após o impacto

V = √(2·9,81·0,01367) = 0,5179 m/s

Colisão

v = (m + M)·V/m = 1,01·0,5179/0,01 = 52,31 m/s

Resposta

v = 52,31 m/s
13.Rotação de corpo rígido

Resposta: ω = 5,172 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 = 7·9,81·0,55 = 37,77 J

Momento de inércia em relação ao pino

IO = m·L²/3 = 7·1,1²/3 = 2,823 kg·m²

Balanço de energia

½·IO·ω² = 37,77 → ω = √(2·37,77/2,823) = 5,172 rad/s

Resposta

ω = 5,172 rad/s
14.Rotação de corpo rígido

Resposta: p = 50 %

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.

Partes de translação e de rotação

Etrans = ½·m·v² = ½·1,5·2,5² = 4,688 J
Erot = ½·I·ω² = ½·1·m·r²·(v/r)² = 1·4,688 = 4,688 J

Parcela de rotação

p = 4,688/9,375·100% = c/(1 + c)·100% = 50%

Resposta

p = 50 %

A parcela depende apenas da forma, não da massa nem da velocidade.

15.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: Ft = 483 N

Geometria de engrenagens: o módulo m define o tamanho do dente. Uma engrenagem com N dentes tem diâmetro primitivo d = m·N, duas engrenagens acopladas têm o mesmo módulo, e a distância entre centros é a = (d₁ + d₂)/2 = m·(N₁ + N₂)/2. A velocidade tangencial no diâmetro primitivo é v = π·d·n/60, e a força tangencial no dente vem do torque: Ft = 2T/d.

Torque no pinhão

ω = 2π·2900/60 = 303,7 rad/s
T = P/ω = 5500/303,7 = 18,11 N·m

Diâmetro primitivo

d = m·N = 3·25 = 75 mm

Força tangencial

Ft = 2T/d = 2·18,11/0,075 = 483 N

Resposta

Ft = 483 N
16.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: θ = 173,3 °

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(0,05833) = 3,344°

Ângulo de abraçamento

θ = 180 − 2·3,344 = 173,3°

Resposta

θ = 173,3°
17.Molas e pêndulos

Resposta: T = 1,099 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·√(0,3/9,81) = 1,099 s

Resposta

T = 1,099 s
18.Molas e pêndulos

Resposta: vmax = 1,746 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.

Equilíbrio e amplitude

x₀ = m·g/k = 1,9·9,81/60 = 0,3106 m = A

Maior velocidade

A velocidade é máxima no equilíbrio.

ω = √(60/1,9) = 5,62 rad/s
vmax = A·ω = 0,3106·5,62 = 1,746 m/s

Resposta

vmax = 1,746 m/s
19.Vibrações mecânicas

Resposta: ζ = 0,08839

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·√(40000·2) = 565,7 N·s/m

Fator de amortecimento

ζ = c/cc = 50/565,7 = 0,08839

Resposta

ζ = 0,08839

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

20.Vibrações mecânicas

Resposta: keq = 13,33 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 em série compartilham a mesma força e somam suas deflexões, então se combinam pelos inversos: 1/k = 1/k1 + 1/k2.

1/keq = 1/20 + 1/40 → keq = 20·40/(20 + 40) = 13,33 kN/m

Resposta

keq = 13,33 kN/m

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