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)4,274 s27,78

Um carro a 100 km/h freia com desaceleração constante de 6,5 m/s² até parar. Calcule a distância de frenagem s.

v₀ = 100 km/ha = −6,5 m/s²v = 0
s = m
2.CinemáticaDifícil
AB: 28 m/s35 m

A bola A é solta do repouso de uma altura de 35 m. No mesmo instante a bola B é lançada verticalmente para cima a partir do chão, logo abaixo, a 28 m/s. Despreze a resistência do ar e use g = 9,81 m/s². Quando as bolas se encontram? Encontre t.

H = 35 mv0B = 28 m/sg = 9,81 m/s²
t = s
3.Leis de NewtonMédia
25 kg20°F = 130 Nμ = 0,25

Um trenó de 25 kg é puxado sobre neve plana por uma corda a 20° acima da horizontal com uma força de 130 N. O coeficiente de atrito cinético é 0,25. Use g = 9,81 m/s². Encontre a aceleração a do trenó.

m = 25 kgF = 130 Nθ = 20°μ = 0,25g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Leis de NewtonDifícil
m1​ = 1,5 kg1,5 kgμ = 0,1

Um bloco de 1,5 kg sobre uma mesa horizontal está ligado por um fio leve, que passa por uma polia sem atrito, a uma massa suspensa de 1,5 kg. O coeficiente de atrito cinético entre o bloco e a mesa é 0,1. Use g = 9,81 m/s². Calcule a tração T no fio.

m1 = 1,5 kgm2 = 1,5 kgμ = 0,1g = 9,81 m/s²
T = N
5.Movimento de projéteisMédia
v0​ = 12 m/s70°x = ?

Uma bola é lançada a 70° acima da horizontal do chão plano. Despreze a resistência do ar. Encontre a distância horizontal x percorrida antes de a bola atingir o chão.

v0 = 12 m/sθ = 70°g = 9,81 m/s²
x = m
6.Movimento de projéteisDifícil
4 mv0​ = 15 m/s70°x = ?

Uma bola é lançada do nível do chão a 15 m/s e 70° acima da horizontal. Ela cai no telhado plano de um prédio de 4 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 = 15 m/sθ = 70°hroof = 4 mg = 9,81 m/s²
x = m
7.Movimento circularMédia
r = 4 mn = ?

Em um rotor de parque de diversões, as pessoas ficam encostadas na parede de um cilindro vertical de raio 4 m. Quando ele gira rápido o bastante, o piso desce e o atrito as segura. O coeficiente de atrito estático é 0,7. Use g = 9,81 m/s². Encontre a menor frequência de rotação n em rotações por minuto.

r = 4 mμs = 0,7g = 9,81 m/s²
n = rpm
8.Movimento circularDifícil
r = 0,9 mv = 5 m/s

Uma bola de 1,9 kg presa a um fio de 0,9 m de comprimento gira em um círculo vertical. No ponto mais baixo, ela se move a 5 m/s. Use g = 9,81 m/s². Calcule a tração T no fio no ponto mais baixo.

m = 1,9 kgr = 0,9 mv = 5 m/sg = 9,81 m/s²
T = N
9.Trabalho e energiaMédia
40°d = 3 mμ = 0,2

Um bloco desliza a partir do repouso por uma rampa a 40° da horizontal. O coeficiente de atrito cinético é 0,2. Encontre sua velocidade v depois de deslizar 3 m ao longo da rampa.

θ = 40°μ = 0,2d = 3 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
10.Trabalho e energiaDifícil
h = 1,5 mL = 1 mμ = 0,2k = 1500 N/m

Um bloco de 0,5 kg é solto do repouso na altura 1,5 m em uma rampa lisa. Embaixo ele atravessa uma faixa horizontal áspera de 1 m (μ = 0,2) e depois encontra uma mola (k = 1500 N/m) em uma superfície lisa. Encontre a compressão máxima x da mola.

m = 0,5 kgh = 1,5 mL = 1 mμ = 0,2k = 1500 N/mg = 9,81 m/s²
x = cm
11.Quantidade de movimento e colisõesMédia
3,5 kg5 m/s4,5 kg

Um carrinho de 3,5 kg a 5 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 = 5 m/sv2 = 0
v′1 = m/s
12.Quantidade de movimento e colisõesDifícil
13 m/s9 m/s

Uma bola de 0,55 kg atinge uma parede a 13 m/s e volta em linha reta a 9 m/s. O contato dura 50 ms. Calcule o módulo do impulso J que a parede aplica à bola.

m = 0,55 kgvin = 13 m/svout = 9 m/sΔt = 50 ms
J = N·s
13.Rotação de corpo rígidoMédia
0,5 kgaαM = 19,5 kgR = 0,45 m

Um bloco de 0,5 kg está pendurado em um cabo leve enrolado em uma polia, um disco maciço uniforme de massa 19,5 kg e raio 0,45 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 aceleração angular α da polia.

m = 0,5 kgM = 19,5 kgR = 0,45 mg = 9,81 m/s²
α = rad/s²
14.Rotação de corpo rígidoDifícil
θ = 40°vs = 6 m

Um corpo (esfera maciça) parte do repouso e rola sem deslizar por um plano inclinado de 40° em relação à horizontal. Use g = 9,81 m/s². Seu raio é 0,1 m. Encontre sua velocidade angular ω depois de rolar 6 m ao longo do plano.

θ = 40°s = 6 mI = (2/5)·m·r²g = 9,81 m/s²r = 0,1 m
ω = rad/s
15.Engrenagens e trens de engrenagensMédia
d1​ = 150 mmd2​ = 250 mm960 rpmn2​ = ?

Uma polia de 150 mm a 960 rpm aciona uma polia de 250 mm por uma correia com 3 % de escorregamento. Encontre a velocidade n2 da polia movida.

n1 = 960 rpmd1 = 150 mmd2 = 250 mms = 3 %
n2 = rpm
16.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
A = 12B = 48C = 12D = ?

Em um trem de engrenagens composto, a engrenagem A (12 dentes) no eixo de entrada gira a 1450 rpm e aciona a engrenagem B (48 dentes). A engrenagem C (12 dentes) está fixada no mesmo eixo de B e aciona a engrenagem D no eixo de saída. A saída deve girar a 290 rpm. Quantos dentes ND a engrenagem D deve ter?

nin = 1450 rpmA = 12B = 48C = 12nout = 290 rpm
ND =
17.Molas e pêndulosMédia
L = 2,6 m

Um pêndulo simples tem comprimento de 2,6 m. Use g = 9,81 m/s². Calcule seu período T para pequenas oscilações.

L = 2,6 mg = 9,81 m/s²
T = s
18.Molas e pêndulosDifícil
3,6 kgk = 370 N/mA = 2 cm

Uma massa de 3,6 kg presa a uma mola com k = 370 N/m é deslocada 2 cm da posição de equilíbrio e solta. Calcule sua aceleração máxima amax.

m = 3,6 kgk = 370 N/mA = 2 cm
amax = m/s²
19.Vibrações mecânicasMédia
k = 150 kN/mc = 1040 N·s/mm = 20 kg

Uma massa de 20 kg é sustentada por uma mola com rigidez de 150 kN/m e por um amortecedor viscoso com coeficiente de amortecimento de 1040 N·s/m. Encontre o fator de amortecimento ζ.

m = 20 kgk = 150 kN/mc = 1040 N·s/m
ζ =
20.Vibrações mecânicasDifícil
k1​ = 100k2​ = 5k3​ = 30m = 40 kg

Uma massa de 40 kg está pendurada na mola k₃ = 30 kN/m. O topo de k₃ está preso a uma barra rígida que está pendurada em duas molas lado a lado, k₁ = 100 kN/m e k₂ = 5 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 = 100 kN/mk2 = 5 kN/mk3 = 30 kN/m
fn = Hz

3Soluções

1.Cinemática

Resposta: s = 59,35 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/(2·6,5) = 59,35 m

Resposta

s = 59,35 m
2.Cinemática

Resposta: t = 1,25 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.

Instante do encontro

Para cima é positivo, o chão é y = 0.

35 − ½g·t² = 28·t − ½g·t² → t = 35/28 = 1,25 s

Resposta

t = 1,25 s
3.Leis de Newton

Resposta: a = 2,879 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 = 245,3 − 130·sin 20° = 200,8 N

Forças horizontais

m·a = F·cos θ − μ·N = 122,2 − 50,2
a = 71,96/25 = 2,879 m/s²

Resposta

a = 2,879 m/s²
4.Leis de Newton

Resposta: T = 8,093 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.

Aceleração do sistema

a = (m2·g − μ·m1·g)/(m1 + m2) = (14,71 − 1,472)/3 = 4,415 m/s²

Tração a partir do bloco na mesa

T − μ·m1·g = m1·a
T = 1,5·4,415 + 1,472 = 8,093 N

Resposta

T = 8,093 N
5.Movimento de projéteis

Resposta: x = 9,435 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 70° = 4,104 m/s
vy = v0·sin θ = 12·sin 70° = 11,28 m/s

Tempo no ar

Partindo e chegando na mesma altura: t = 2vy/g.

t = 2·11,28/9,81 = 2,299 s

Distância horizontal

x = vx·t = 4,104·2,299 = 9,435 m

Resposta

x = 9,435 m
6.Movimento de projéteis

Resposta: x = 13,11 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 = 5,13 m/s, vy = 14,1 m/s

Tempo até cair no telhado

Raiz maior: a bola está descendo.

4 = 14,1·t − 4,905·t²
t = (14,1 + √(14,1² − 2·9,81·4))/9,81 = 2,554 s

Distância horizontal

x = vx·t = 5,13·2,554 = 13,11 m

Resposta

x = 13,11 m
7.Movimento circular

Resposta: n = 17,87 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/(0,7·4)) = 1,872 rad/s

Frequência de rotação

n = ω·60/(2π) = 17,87 rpm

Resposta

n = 17,87 rpm
8.Movimento circular

Resposta: T = 71,42 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 = 1,9·9,81 + 1,9·5²/0,9 = 18,64 + 52,78 = 71,42 N

Resposta

T = 71,42 N
9.Trabalho e energia

Resposta: v = 5,368 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 = √(2·9,81·3·(0,6428 − 0,2·0,766)) = 5,368 m/s

Resposta

v = 5,368 m/s
10.Trabalho e energia

Resposta: x = 9,221 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 = 4,905·(1,5 − 0,2·1) = 6,377 J

Compressão máxima

½kx² = 6,377 → x = √(2·6,377/1500) = 0,09221 m = 9,221 cm

Resposta

x = 9,221 cm
11.Quantidade de movimento e colisões

Resposta: v′1 = −0,625 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)·5 = −0,625 m/s
v′2 = 2·3,5/(3,5 + 4,5)·5 = 4,375 m/s

Resposta

v′1 = −0,625 m/s

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

12.Quantidade de movimento e colisões

Resposta: J = 12,1 N·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.

Variação da quantidade de movimento

J = m·Δv = 0,55·(9 + 13) = 12,1 N·s

Resposta

J = 12,1 N·s
13.Rotação de corpo rígido

Resposta: α = 1,063 rad/s²

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) = 0,5·9,81/(0,5 + 9,75) = 0,4785 m/s²

Aceleração angular

α = a/R = 0,4785/0,45 = 1,063 rad/s²

Resposta

α = 1,063 rad/s²
14.Rotação de corpo rígido

Resposta: ω = 73,52 rad/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.

Altura da queda

h = s·sin θ = 6·sin 40° = 3,857 m

Balanço de energia com rolamento

Rolamento sem deslizamento: ω = v/r, e o atrito não realiza trabalho no ponto de contato.

m·g·h = ½·m·v²·(1 + 0,4)
v = √(2·9,81·3,857/1,4) = 7,352 m/s
ω = v/r = 7,352/0,1 = 73,52 rad/s

Resposta

ω = 73,52 rad/s
15.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: n2 = 558,7 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

960·150/250 = 576 rpm

Com escorregamento

n2 = 576·0,97 = 558,7 rpm

Resposta

n2 = 558,7 rpm
16.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: ND = 15

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.

Rotação do eixo intermediário

nB = nC = 1450·12/48 = 362,5 rpm

Dentes da engrenagem D

ND = C·nC/nout = 12·362,5/290 = 15

Resposta

ND = 15
17.Molas e pêndulos

Resposta: T = 3,235 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·√(2,6/9,81) = 3,235 s

Resposta

T = 3,235 s
18.Molas e pêndulos

Resposta: amax = 2,056 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.

Frequência angular

ω = √(370/3,6) = 10,14 rad/s

Aceleração máxima

amax = A·ω² = 0,02·10,14² = 2,056 m/s²

Resposta

amax = 2,056 m/s²
19.Vibrações mecânicas

Resposta: ζ = 0,3002

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·√(150000·20) = 3464 N·s/m

Fator de amortecimento

ζ = c/cc = 1040/3464 = 0,3002

Resposta

ζ = 0,3002

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

20.Vibrações mecânicas

Resposta: fn = 3,844 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 = 100 + 5 = 105 kN/m
keq = 105·30/(105 + 30) = 23,33 kN/m

Frequência natural

ωn = √(23333/40) = 24,15 rad/s
fn = 24,15/(2π) = 3,844 Hz

Resposta

fn = 3,844 Hz

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