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)5,556 s33,33

Um carro a 120 km/h freia com desaceleração constante de 6 m/s² até parar. Calcule a distância de frenagem s.

v₀ = 120 km/ha = −6 m/s²v = 0
s = m
2.CinemáticaDifícil
AB: 21 m/s55 m

A bola A é solta do repouso de uma altura de 55 m. No mesmo instante a bola B é lançada verticalmente para cima a partir do chão, logo abaixo, a 21 m/s. Despreze a resistência do ar e use g = 9,81 m/s². Quando as bolas se encontram? Encontre t.

H = 55 mv0B = 21 m/sg = 9,81 m/s²
t = s
3.Leis de NewtonMédia
θ = 20°a = ?m = 13 kg

Um bloco de 13 kg desliza para baixo em um plano inclinado a 20° da horizontal. O coeficiente de atrito cinético é 0,3. Use g = 9,81 m/s². Calcule a aceleração a do bloco ao longo do plano.

m = 13 kgθ = 20°μ = 0,3g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Leis de NewtonDifícil
m1​ = 7,5 kg3 kgμ = 0,1

Um bloco de 7,5 kg sobre uma mesa horizontal está ligado por um fio leve, que passa por uma polia sem atrito, a uma massa suspensa de 3 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 = 7,5 kgm2 = 3 kgμ = 0,1g = 9,81 m/s²
T = N
5.Movimento de projéteisMédia
v0​ = ?20°R = 45 m

Uma bola é lançada a partir do chão plano a 20° acima da horizontal e cai a 45 m de distância. Despreze a resistência do ar e use g = 9,81 m/s². Encontre a velocidade de lançamento v0.

θ = 20°R = 45 mg = 9,81 m/s²
v0 = m/s
6.Movimento de projéteisDifícil
h = 40 mv0​ = 27 m/s20°alcance

Uma bola é lançada a 20° acima da horizontal do topo de um penhasco de 40 m. Despreze a resistência do ar. Encontre o tempo de voo t até a bola atingir o chão.

v0 = 27 m/sθ = 20°h = 40 mg = 9,81 m/s²
t = s
7.Movimento circularMédia
r = 3 mn = ?

Em um rotor de parque de diversões, as pessoas ficam encostadas na parede de um cilindro vertical de raio 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 mμs = 0,8g = 9,81 m/s²
n = rpm
8.Movimento circularDifícil
r = 1 mv = 5,5 m/s

Uma bola de 1,4 kg presa a um fio de 1 m de comprimento gira em um círculo vertical. No ponto mais baixo, ela se move a 5,5 m/s. Use g = 9,81 m/s². Calcule a tração T no fio no ponto mais baixo.

m = 1,4 kgr = 1 mv = 5,5 m/sg = 9,81 m/s²
T = N
9.Trabalho e energiaMédia
45°d = 12 mμ = 0,2

Um bloco desliza a partir do repouso por uma rampa a 45° da horizontal. O coeficiente de atrito cinético é 0,2. Encontre sua velocidade v depois de deslizar 12 m ao longo da rampa.

θ = 45°μ = 0,2d = 12 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
10.Trabalho e energiaDifícil
F = 95 N30°μ = 0,210 kg

Um bloco de 10 kg parte do repouso na base de uma rampa de 30° e é puxado rampa acima por uma força constante de 95 N paralela à rampa. O coeficiente de atrito cinético é 0,2. Encontre a velocidade v do bloco depois de ele subir 6 m pela rampa.

m = 10 kgF = 95 Nθ = 30°μ = 0,2d = 6 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
11.Quantidade de movimento e colisõesMédia
2,5 kg8 m/s3,5 kg

Um carrinho de 2,5 kg a 8 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′1 do primeiro carrinho após a colisão (positiva no seu sentido original).

m1 = 2,5 kgm2 = 3,5 kgv1 = 8 m/sv2 = 0
v′1 = m/s
12.Quantidade de movimento e colisõesDifícil
10 m/s18 m/s

Uma bola de 0,6 kg atinge uma parede a 10 m/s e volta em linha reta a 18 m/s. O contato dura 5 ms. Calcule a força média Favg da parede sobre a bola.

m = 0,6 kgvin = 10 m/svout = 18 m/sΔt = 5 ms
Favg = N
13.Rotação de corpo rígidoMédia
L = 3 mm = 4 kgα

Uma barra esbelta uniforme de massa 4 kg e comprimento 3 m está articulada em uma extremidade e mantida na horizontal. Ela é solta a partir do repouso. Use g = 9,81 m/s². Encontre a sua aceleração angular α logo após ser solta.

m = 4 kgL = 3 mg = 9,81 m/s²
α = rad/s²
14.Rotação de corpo rígidoDifícil
θ = 25°vs = 3,5 m

Um corpo (aro fino) parte do repouso e rola sem deslizar por um plano inclinado de 25° em relação à horizontal. Use g = 9,81 m/s². Seu raio é 0,2 m. Encontre sua velocidade angular ω depois de rolar 3,5 m ao longo do plano.

θ = 25°s = 3,5 mI = m·r²g = 9,81 m/s²r = 0,2 m
ω = rad/s
15.Engrenagens e trens de engrenagensMédia
N1​ = ?N2​

Dois eixos paralelos estão a 120 mm de distância. Eles devem ser ligados por um par de engrenagens de dentes retos com módulo de 2,5 mm e redução de 3 : 1. Quantos dentes N1 o pinhão deve ter?

a = 120 mmm = 2,5 mmi = 3
N1 =
16.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
d1​ = 160 mmd2​ = 300 mm960 rpmC = 600 mmθ = ?

Uma correia aberta liga uma polia de 160 mm e uma polia de 300 mm cujos centros estão a 600 mm de distância. Encontre o ângulo de abraçamento θ na polia menor, em graus.

d1 = 160 mmd2 = 300 mmC = 600 mm
θ = °
17.Molas e pêndulosMédia
L = ?

Qual deve ser o comprimento de um pêndulo simples para ter período de 2,8 s? Use g = 9,81 m/s². Calcule L.

T = 2,8 sg = 9,81 m/s²
L = m
18.Molas e pêndulosDifícil
mk = 310 N/mA = 5 cmx = 4 cm

Uma massa presa a uma mola com k = 310 N/m oscila sobre uma superfície sem atrito com amplitude de 5 cm. Encontre sua energia cinética K quando ela está a 4 cm do equilíbrio.

k = 310 N/mA = 5 cmx = 4 cm
K = J
19.Vibrações mecânicasMédia
tx15 mm2 ciclos3,3 mm

Em um ensaio de vibração livre de um sistema massa–mola amortecido, um pico de deslocamento de 15 mm é seguido, 2 ciclos depois, por um pico de 3,3 mm. Encontre o fator de amortecimento ζ.

x0 = 15 mmx2 = 3,3 mmn = 2
ζ =
20.Vibrações mecânicasDifícil
k1​ = 60k2​ = 40m = 10 kg

Uma massa de 10 kg está pendurada em duas molas lado a lado (em paralelo), com rigidezes k₁ = 60 kN/m e k₂ = 40 kN/m. A massa permanece nivelada. Despreze o amortecimento e as massas das molas. Encontre a frequência natural fn da vibração vertical em Hz.

m = 10 kgk1 = 60 kN/mk2 = 40 kN/m
fn = Hz

3Soluções

1.Cinemática

Resposta: s = 92,59 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 = 120/3,6 = 33,33 m/s

Distância de frenagem

0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 33,33²/(2·6) = 92,59 m

Resposta

s = 92,59 m
2.Cinemática

Resposta: t = 2,619 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.

55 − ½g·t² = 21·t − ½g·t² → t = 55/21 = 2,619 s

Resposta

t = 2,619 s
3.Leis de Newton

Resposta: a = 0,5897 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° − 0,3·cos 20°) = 9,81·(0,342 − 0,2819) = 0,5897 m/s²

Resposta

a = 0,5897 m/s²
4.Leis de Newton

Resposta: T = 23,12 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) = (29,43 − 7,357)/10,5 = 2,102 m/s²

Tração a partir do bloco na mesa

T − μ·m1·g = m1·a
T = 7,5·2,102 + 7,357 = 23,12 N

Resposta

T = 23,12 N
5.Movimento de projéteis

Resposta: v0 = 26,21 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) = √(9,81·45/sin 40°) = 26,21 m/s

Resposta

v0 = 26,21 m/s
6.Movimento de projéteis

Resposta: t = 3,948 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 = 27·cos 20° = 25,37 m/s
vy = v0·sin θ = 27·sin 20° = 9,235 m/s

Tempo no ar

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

0 = 40 + 9,235·t − 4,905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (9,235 + √(85,28 + 784,8))/9,81 = 3,948 s

Resposta

t = 3,948 s
7.Movimento circular

Resposta: n = 19,31 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)) = 2,022 rad/s

Frequência de rotação

n = ω·60/(2π) = 19,31 rpm

Resposta

n = 19,31 rpm
8.Movimento circular

Resposta: T = 56,08 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 = 1,4·9,81 + 1,4·5,5²/1 = 13,73 + 42,35 = 56,08 N

Resposta

T = 56,08 N
9.Trabalho e energia

Resposta: v = 11,54 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 = √(2·9,81·12·(0,7071 − 0,2·0,7071)) = 11,54 m/s

Resposta

v = 11,54 m/s
10.Trabalho e energia

Resposta: v = 5,895 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).

Forças ao longo do plano

m·g = 10·9,81 = 98,1 N
mg·sin θ = 49,05 N
μ·mg·cos θ = 16,99 N

Trabalho–energia

½mv² = (95 − 66,04)·6 = 173,8 J
v = √(2·173,8/10) = 5,895 m/s

Resposta

v = 5,895 m/s
11.Quantidade de movimento e colisões

Resposta: v′1 = −1,333 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 = (2,5 − 3,5)/(2,5 + 3,5)·8 = −1,333 m/s
v′2 = 2·2,5/(2,5 + 3,5)·8 = 6,667 m/s

Resposta

v′1 = −1,333 m/s

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

12.Quantidade de movimento e colisões

Resposta: Favg = 3360 N

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 = 0,6·(18 + 10) = 16,8 N·s

Força média

Favg = J/Δt = 16,8/0,005 = 3360 N

Resposta

Favg = 3360 N
13.Rotação de corpo rígido

Resposta: α = 4,905 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.

Momentos em relação ao pino

No instante em que é solta, ω = 0, então não há aceleração centrípeta e o centro acelera diretamente para baixo.

m·g·L/2 = (m·L²/3)·α → α = 3g/(2L) = 3·9,81/(2·3) = 4,905 rad/s²

Resposta

α = 4,905 rad/s²
14.Rotação de corpo rígido

Resposta: ω = 19,05 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 = 3,5·sin 25° = 1,479 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 + 1)
v = √(2·9,81·1,479/2) = 3,809 m/s
ω = v/r = 3,809/0,2 = 19,05 rad/s

Resposta

ω = 19,05 rad/s
15.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: N1 = 24

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.

Número total de dentes

N1 + N2 = 2a/m = 2·120/2,5 = 96

Divida pela relação

N1 = 96/(1 + 3) = 24

Resposta

N1 = 24
16.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: θ = 166,6 °

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(0,1167) = 6,7°

Ângulo de abraçamento

θ = 180 − 2·6,7 = 166,6°

Resposta

θ = 166,6°
17.Molas e pêndulos

Resposta: L = 1,948 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·(2,8/2π)² = 1,948 m

Resposta

L = 1,948 m
18.Molas e pêndulos

Resposta: K = 0,1395 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 = ½·310·0,05² = 0,3875 J

Energia da mola em x

U = ½·k·x² = ½·310·0,04² = 0,248 J

Energia cinética

K = 0,3875 − 0,248 = 0,1395 J

Resposta

K = 0,1395 J
19.Vibrações mecânicas

Resposta: ζ = 0,1196

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 = (1/2)·ln(15/3,3) = 0,7571

Fator de amortecimento

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,7571/√(39,48 + 0,5731) = 0,1196

Resposta

ζ = 0,1196
20.Vibrações mecânicas

Resposta: fn = 15,92 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

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

keq = 60 + 40 = 100 kN/m

Frequência natural

ωn = √(100000/10) = 100 rad/s
fn = 100/(2π) = 15,92 Hz

Resposta

fn = 15,92 Hz

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