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)0,9 s16,67

Uma motorista a 60 km/h vê um obstáculo. Seu tempo de reação é 0,9 s, depois do qual o carro freia com desaceleração constante de 8 m/s². Encontre a distância total de parada d a partir do momento em que ela vê o obstáculo.

v₀ = 60 km/htr = 0,9 sa = −8 m/s²
d = m
2.CinemáticaDifícil
t (s)v (m/s)12 s

Um bonde parte do repouso e acelera a 3 m/s² durante 12 s, depois anda com velocidade constante durante 24 s e por fim freia a 2 m/s² até parar. Encontre a distância total s entre as duas paradas.

a1 = 3 m/s²t1 = 12 st2 = 24 sa3 = −2 m/s²
s = m
3.Leis de NewtonMédia
35 kg15°F = 170 Nμ = 0,25

Um trenó de 35 kg é puxado sobre neve plana por uma corda a 15° acima da horizontal com uma força de 170 N. O coeficiente de atrito cinético é 0,25. Use g = 9,81 m/s². Encontre a aceleração a do trenó.

m = 35 kgF = 170 Nθ = 15°μ = 0,25g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Leis de NewtonDifícil
8 kg6 kgTF = 140 Nμ = 0,25

Dois blocos sobre um piso horizontal estão ligados por um fio horizontal leve. Uma força horizontal de 140 N puxa o bloco da frente, de 6 kg; o bloco de 8 kg é rebocado atrás. O coeficiente de atrito cinético é 0,25 para os dois blocos. Use g = 9,81 m/s². Encontre a tração T no fio de ligação.

m1 = 8 kgm2 = 6 kgF = 140 Nμ = 0,25g = 9,81 m/s²
T = N
5.Movimento de projéteisMédia
v0​ = 38 m/sθ = ?R = 55 m

Uma bola é lançada a partir do chão plano a 38 m/s e deve cair a 55 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 = 38 m/sR = 55 mg = 9,81 m/s²
θ = °
6.Movimento de projéteisDifícil
h = 5 mv0​ = 32 m/s45°x = ?

Uma bola é lançada a 45° acima da horizontal do topo de um penhasco de 5 m. Despreze a resistência do ar. Encontre a distância horizontal x percorrida antes de a bola atingir o chão.

v0 = 32 m/sθ = 45°h = 5 mg = 9,81 m/s²
x = m
7.Movimento circularMédia
r = 110 mvmax​ = ?

Um carro faz uma curva plana de raio 110 m. O coeficiente de atrito estático entre os pneus e a pista é 0,5. Use g = 9,81 m/s². Calcule a maior velocidade vmax com que o carro pode fazer a curva sem derrapar.

r = 110 mμs = 0,5g = 9,81 m/s²
vmax = m/s
8.Movimento circularDifícil
r = 1,3 mv = ?

Uma bola presa a um fio de 1,3 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 = 1,3 mg = 9,81 m/s²
vmin = m/s
9.Trabalho e energiaMédia
40°d = 9 mμ = 0,15

Um bloco de 4 kg desliza 9 m por uma rampa a 40° da horizontal, com coeficiente de atrito cinético de 0,15. Encontre o trabalho Wf realizado contra o atrito.

m = 4 kgθ = 40°μ = 0,15d = 9 mg = 9,81 m/s²
Wf = J
10.Trabalho e energiaDifícil
h = 4 mL = 5 mμ = 0,2k = 1500 N/m

Um bloco de 10 kg é solto do repouso na altura 4 m em uma rampa lisa. Embaixo ele atravessa uma faixa horizontal áspera de 5 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 = 10 kgh = 4 mL = 5 mμ = 0,2k = 1500 N/mg = 9,81 m/s²
x = cm
11.Quantidade de movimento e colisõesMédia
1200 kg10 m/s1400 kg

Um carro de 1200 kg a 10 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 = 1200 kgv1 = 10 m/sm2 = 1400 kgv2 = 0
ΔK/K = %
12.Quantidade de movimento e colisõesDifícil
27 m/s16 m/s

Uma bola de 0,1 kg atinge uma parede a 27 m/s e volta em linha reta a 16 m/s. O contato dura 10 ms. Calcule o módulo do impulso J que a parede aplica à bola.

m = 0,1 kgvin = 27 m/svout = 16 m/sΔt = 10 ms
J = N·s
13.Rotação de corpo rígidoMédia
6 kgaαM = 20 kgR = 0,4 m

Um bloco de 6 kg está pendurado em um cabo leve enrolado em uma polia, um disco maciço uniforme de massa 20 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 aceleração angular α da polia.

m = 6 kgM = 20 kgR = 0,4 mg = 9,81 m/s²
α = rad/s²
14.Rotação de corpo rígidoDifícil
7 m/sω

Um corpo (cilindro maciço) de massa 11,5 kg rola sem deslizar a 7 m/s. Encontre sua energia cinética de rotação Erot.

m = 11,5 kgv = 7 m/sI = ½·m·r²
Erot = J
15.Engrenagens e trens de engrenagensMédia
N1​N2​ = ?

Dois eixos paralelos estão a 40 mm de distância. Eles devem ser ligados por um par de engrenagens de dentes retos com módulo de 2 mm e redução de 1,5 : 1. Quantos dentes N2 a engrenagem deve ter?

a = 40 mmm = 2 mmi = 1,5
N2 =
16.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
d1​ = 150 mmd2​ = 500 mm1500 rpmC = 1000 mmθ = ?

Uma correia aberta liga uma polia de 150 mm e uma polia de 500 mm cujos centros estão a 1000 mm de distância. Encontre o ângulo de abraçamento θ na polia menor, em graus.

d1 = 150 mmd2 = 500 mmC = 1000 mm
θ = °
17.Molas e pêndulosMédia
L = ?

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

T = 2 sg = 9,81 m/s²
L = m
18.Molas e pêndulosDifícil
t (s)x (cm)t = ?10

Um corpo oscila em movimento harmônico simples com período 3,7 s e amplitude 20 cm. Qual é o menor tempo t de que ele precisa para ir do seu deslocamento máximo de 20 cm até um deslocamento de 10 cm?

T = 3,7 sA = 20 cmx = 10 cm
t = s
19.Vibrações mecânicasMédia
k = 12 kN/mζ = 0,7m = 40 kg

Uma massa de 40 kg sobre uma mola com rigidez de 12 kN/m tem um amortecedor viscoso que dá um fator de amortecimento de 0,7. Encontre a frequência natural amortecida fd da sua vibração livre em Hz.

m = 40 kgk = 12 kN/mζ = 0,7
fd = Hz
20.Vibrações mecânicasDifícil
k1​ = 80k2​ = 30m = 25 kg

Uma massa de 25 kg está pendurada em duas molas ligadas uma após a outra (em série): a mola superior tem k₁ = 80 kN/m e a inferior k₂ = 30 kN/m. Despreze o amortecimento e as massas das molas. Encontre a frequência natural fn da vibração vertical em Hz.

m = 25 kgk1 = 80 kN/mk2 = 30 kN/m
fn = Hz

3Soluções

1.Cinemática

Resposta: d = 32,36 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 = 60/3,6 = 16,67 m/s

Distância de reação

d1 = v₀·tr = 16,67·0,9 = 15 m

Distância de frenagem

d2 = v₀²/(2a) = 16,67²/(2·8) = 17,36 m

Total

d = 15 + 17,36 = 32,36 m

Resposta

d = 32,36 m
2.Cinemática

Resposta: s = 1404 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 = 3·12 = 36 m/s

Distância de cada fase

s1 = ½·3·12² = 216 m
s2 = 36·24 = 864 m
s3 = 36²/(2·2) = 324 m

Distância total

s = 216 + 864 + 324 = 1404 m

Resposta

s = 1404 m
3.Leis de Newton

Resposta: a = 2,553 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 = 343,4 − 170·sin 15° = 299,4 N

Forças horizontais

m·a = F·cos θ − μ·N = 164,2 − 74,84
a = 89,37/35 = 2,553 m/s²

Resposta

a = 2,553 m/s²
4.Leis de Newton

Resposta: T = 80 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) = (140 − 34,34)/14 = 7,547 m/s²

Só o bloco de trás

T = m1·(a + μ·g) = 8·(7,547 + 2,453) = 80 N

Resposta

T = 80 N

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

5.Movimento de projéteis

Resposta: θ = 10,97 °

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 = 9,81·55/38² = 0,3736

Ângulo

2θ = 21,94° → θ = 10,97°

Resposta

θ = 10,97°

A outra solução é 90° − θ = 79,03°.

6.Movimento de projéteis

Resposta: x = 109,2 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 = 32·cos 45° = 22,63 m/s
vy = v0·sin θ = 32·sin 45° = 22,63 m/s

Tempo no ar

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

0 = 5 + 22,63·t − 4,905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (22,63 + √(512 + 98,1))/9,81 = 4,824 s

Distância horizontal

x = vx·t = 22,63·4,824 = 109,2 m

Resposta

x = 109,2 m
7.Movimento circular

Resposta: vmax = 23,23 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) = √(0,5·9,81·110) = 23,23 m/s

Resposta

vmax = 23,23 m/s (83,62 km/h)
8.Movimento circular

Resposta: vmin = 3,571 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) = √(9,81·1,3) = 3,571 m/s

Resposta

vmin = 3,571 m/s
9.Trabalho e energia

Resposta: Wf = 40,58 J

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).

Força de atrito

N = mg·cos θ = 39,24·0,766 = 30,06 N
F = μN = 0,15·30,06 = 4,509 N

Trabalho contra o atrito

Wf = F·d = 4,509·9 = 40,58 J

Resposta

Wf = 40,58 J
10.Trabalho e energia

Resposta: x = 62,64 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 = 98,1·(4 − 0,2·5) = 294,3 J

Compressão máxima

½kx² = 294,3 → x = √(2·294,3/1500) = 0,6264 m = 62,64 cm

Resposta

x = 62,64 cm
11.Quantidade de movimento e colisões

Resposta: ΔK/K = 53,85 %

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) = 1200·10/2600 = 4,615 m/s

Energia cinética antes e depois

Kbefore = ½·1200·10² = 60000 J
Kafter = ½·2600·4,615² = 27692 J

Fração perdida

ΔK/K = 32308/60000 = 53,85 %

Resposta

ΔK/K = 53,85 %

A energia perdida vira deformação, calor e som.

12.Quantidade de movimento e colisões

Resposta: J = 4,3 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 = 0,1·(16 + 27) = 4,3 N·s

Resposta

J = 4,3 N·s
13.Rotação de corpo rígido

Resposta: α = 9,197 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) = 6·9,81/(6 + 10) = 3,679 m/s²

Aceleração angular

α = a/R = 3,679/0,4 = 9,197 rad/s²

Resposta

α = 9,197 rad/s²
14.Rotação de corpo rígido

Resposta: Erot = 140,9 J

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 = ½·11,5·7² = 281,8 J
Erot = ½·I·ω² = ½·0,5·m·r²·(v/r)² = 0,5·281,8 = 140,9 J

Resposta

Erot = 140,9 J
15.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: N2 = 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 = 2·40/2 = 40

Divida pela relação

N1 = 40/(1 + 1,5) = 16
N2 = 1,5·16 = 24

Resposta

N2 = 24
16.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: θ = 159,8 °

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(0,175) = 10,08°

Ângulo de abraçamento

θ = 180 − 2·10,08 = 159,8°

Resposta

θ = 159,8°
17.Molas e pêndulos

Resposta: L = 0,994 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·(2/2π)² = 0,994 m

Resposta

L = 0,994 m
18.Molas e pêndulos

Resposta: t = 0,6167 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/3,7 = 1,698 rad/s

Resolva para o tempo

0,5 = cos(ω·t) → ω·t = arccos(0,5) = 1,047 rad
t = 1,047/1,698 = 0,6167 s

Resposta

t = 0,6167 s
19.Vibrações mecânicas

Resposta: fd = 1,969 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 = √(12000/40) = 17,32 rad/s
fn = 17,32/(2π) = 2,757 Hz

Frequência natural amortecida

fd = fn·√(1 − ζ²) = 2,757·√(1 − 0,7²) = 1,969 Hz

Resposta

fd = 1,969 Hz
20.Vibrações mecânicas

Resposta: fn = 4,702 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 em série compartilham a mesma força e somam suas deflexões, então se combinam pelos inversos: 1/k = 1/k1 + 1/k2.

1/keq = 1/80 + 1/30 → keq = 80·30/(80 + 30) = 21,82 kN/m

Frequência natural

ωn = √(21818/25) = 29,54 rad/s
fn = 29,54/(2π) = 4,702 Hz

Resposta

fn = 4,702 Hz

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