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)2 s10

Um carro a 36 km/h freia com desaceleração constante de 5 m/s² até parar. Calcule a distância de frenagem s.

v₀ = 36 km/ha = −5 m/s²v = 0
s = m
2.CinemáticaDifícil
v₀ = 9 m/s35 m

Uma bola é lançada verticalmente para cima a 9 m/s da beira de um telhado a 35 m do chão. Despreze a resistência do ar e use g = 9,81 m/s². Quanto tempo após o lançamento ela atinge o chão? Calcule t.

v₀ = 9 m/sh₀ = 35 mg = 9,81 m/s²
t = s
3.Leis de NewtonMédia
7,5 kg5,5 kg

Massas de 7,5 kg e 5,5 kg estão penduradas dos dois lados de uma polia leve e sem atrito, ligadas por um fio leve. O sistema é solto do repouso. Use g = 9,81 m/s². Encontre a aceleração a das massas.

m1 = 7,5 kgm2 = 5,5 kgg = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Leis de NewtonDifícil
9 kg10 kgTF = 95 Nμ = 0,1

Dois blocos sobre um piso horizontal estão ligados por um fio horizontal leve. Uma força horizontal de 95 N puxa o bloco da frente, de 10 kg; o bloco de 9 kg é rebocado atrás. O coeficiente de atrito cinético é 0,1 para os dois blocos. Use g = 9,81 m/s². Encontre a tração T no fio de ligação.

m1 = 9 kgm2 = 10 kgF = 95 Nμ = 0,1g = 9,81 m/s²
T = N
5.Movimento de projéteisMédia
32 my = ?v0​ = 40 m/s40°

Uma bola é chutada a partir do chão plano a 40 m/s e 40° acima da horizontal em direção a um muro a 32 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 = 40°x = 32 mg = 9,81 m/s²
y = m
6.Movimento de projéteisDifícil
h = 40 mv0​ = 24 m/s60°H = ?

Uma bola é lançada a 24 m/s e 60° acima da horizontal do alto de um penhasco de 40 m. Despreze a resistência do ar e use g = 9,81 m/s². Encontre a altura máxima H acima do chão ao pé do penhasco.

v₀ = 24 m/sθ = 60°h = 40 mg = 9,81 m/s²
H = m
7.Movimento circularMédia
r = 65 mvmax​ = ?

Um carro faz uma curva plana de raio 65 m. O coeficiente de atrito estático entre os pneus e a pista é 0,4. Use g = 9,81 m/s². Calcule a maior velocidade vmax com que o carro pode fazer a curva sem derrapar.

r = 65 mμs = 0,4g = 9,81 m/s²
vmax = m/s
8.Movimento circularDifícil
r = 0,7 mv = 8 m/s

Uma bola de 1,1 kg presa a um fio de 0,7 m de comprimento gira em um círculo vertical. No ponto mais baixo, ela se move a 8 m/s. Use g = 9,81 m/s². Calcule a tração T no fio no ponto mais baixo.

m = 1,1 kgr = 0,7 mv = 8 m/sg = 9,81 m/s²
T = N
9.Trabalho e energiaMédia
45°d = 7 mμ = 0,1

Um bloco de 2,5 kg desliza 7 m por uma rampa a 45° da horizontal, com coeficiente de atrito cinético de 0,1. Encontre o trabalho Wf realizado contra o atrito.

m = 2,5 kgθ = 45°μ = 0,1d = 7 mg = 9,81 m/s²
Wf = J
10.Trabalho e energiaDifícil
h = 3,5 mL = 1,5 mμ = 0,1k = 500 N/m

Um bloco de 0,5 kg é solto do repouso na altura 3,5 m em uma rampa lisa. Embaixo ele atravessa uma faixa horizontal áspera de 1,5 m (μ = 0,1) e depois encontra uma mola (k = 500 N/m) em uma superfície lisa. Encontre a compressão máxima x da mola.

m = 0,5 kgh = 3,5 mL = 1,5 mμ = 0,1k = 500 N/mg = 9,81 m/s²
x = cm
11.Quantidade de movimento e colisõesMédia
1 kg2 m/s3,5 kg

Um carrinho de 1 kg a 2 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 = 1 kgm2 = 3,5 kgv1 = 2 m/sv2 = 0
v′1 = m/s
12.Quantidade de movimento e colisõesDifícil
15 m/s19 m/s

Uma bola de 0,3 kg atinge uma parede a 15 m/s e volta em linha reta a 19 m/s. O contato dura 10 ms. Calcule o módulo do impulso J que a parede aplica à bola.

m = 0,3 kgvin = 15 m/svout = 19 m/sΔt = 10 ms
J = N·s
13.Rotação de corpo rígidoMédia
4 kgaαM = 11 kgR = 0,4 m

Um bloco de 4 kg está pendurado em um cabo leve enrolado em uma polia, um disco maciço uniforme de massa 11 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 velocidade v do bloco depois de cair 4,5 m.

m = 4 kgM = 11 kgR = 0,4 mg = 9,81 m/s²h = 4,5 m
v = m/s
14.Rotação de corpo rígidoDifícil
θ = 15°vs = 5,5 m

Um corpo (aro fino) parte do repouso e rola sem deslizar por um plano inclinado de 15° em relação à horizontal. Use g = 9,81 m/s². Encontre sua velocidade v depois de rolar 5,5 m ao longo do plano.

θ = 15°s = 5,5 mI = m·r²g = 9,81 m/s²
v = m/s
15.Engrenagens e trens de engrenagensMédia
d1​ = 150 mmd2​ = 400 mm1440 rpmn2​ = ?

Uma polia de 150 mm a 1440 rpm aciona uma polia de 400 mm por uma correia com 1 % de escorregamento. Encontre a velocidade n2 da polia movida.

n1 = 1440 rpmd1 = 150 mmd2 = 400 mms = 1 %
n2 = rpm
16.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
A = 24B = 45C = 30D = 32

Em um trem de engrenagens composto, a engrenagem A (24 dentes), no eixo de entrada girando a 1450 rpm, aciona a engrenagem B (45 dentes). A engrenagem C (30 dentes) está fixada no mesmo eixo que B e aciona a engrenagem D (32 dentes) no eixo de saída. Calcule a rotação de saída nout.

nin = 1450 rpmA = 24B = 45C = 30D = 32
nout = rpm
17.Molas e pêndulosMédia
t (s)x (cm)0,3 s

Uma massa de 1,8 kg presa a uma mola com k = 150 N/m é puxada 10 cm no sentido positivo e solta do repouso em t = 0. Encontre seu deslocamento x a partir do equilíbrio em t = 0,3 s (com sinal).

m = 1,8 kgk = 150 N/mA = 10 cmt = 0,3 s
x = cm
18.Molas e pêndulosDifícil
t (s)x (cm)t = ?5,6

Um corpo oscila em movimento harmônico simples com período 3,5 s e amplitude 7 cm. Qual é o menor tempo t de que ele precisa para ir do seu deslocamento máximo de 7 cm até um deslocamento de 5,6 cm?

T = 3,5 sA = 7 cmx = 5,6 cm
t = s
19.Vibrações mecânicasMédia
k = 8 kN/mc = 60 N·s/mm = 15 kg

Uma massa de 15 kg é sustentada por uma mola com rigidez de 8 kN/m e por um amortecedor viscoso com coeficiente de amortecimento de 60 N·s/m. Encontre o fator de amortecimento ζ.

m = 15 kgk = 8 kN/mc = 60 N·s/m
ζ =
20.Vibrações mecânicasDifícil
k1​ = 100k2​ = 12k3​ = 12m = 20 kg

Uma massa de 20 kg está pendurada na mola k₃ = 12 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 = 12 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 = 20 kgk1 = 100 kN/mk2 = 12 kN/mk3 = 12 kN/m
fn = Hz

3Soluções

1.Cinemática

Resposta: s = 10 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 = 36/3,6 = 10 m/s

Distância de frenagem

0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 10²/(2·5) = 10 m

Resposta

s = 10 m
2.Cinemática

Resposta: t = 3,742 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.

Equação do movimento

Para cima é positivo e o chão está h₀ abaixo do ponto de partida.

−35 = 9·t − ½·9,81·t²
4,905·t² − 9·t − 35 = 0

Resolva a equação do segundo grau

Só a raiz positiva tem sentido físico.

t = (9 + √(9² + 2·9,81·35))/9,81 = 3,742 s

Resposta

t = 3,742 s
3.Leis de Newton

Resposta: a = 1,509 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

A força motriz resultante é a diferença dos pesos; ela move a massa total.

a = (7,5 − 5,5)·9,81/(7,5 + 5,5) = 1,509 m/s²

Resposta

a = 1,509 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) = (95 − 18,64)/19 = 4,019 m/s²

Só o bloco de trás

T = m1·(a + μ·g) = 9·(4,019 + 0,981) = 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: y = 21,5 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 40° = 30,64 m/s
t = x/vx = 32/30,64 = 1,044 s

Altura nesse instante

y = 25,71·1,044 − ½·9,81·1,044² = 21,5 m

Resposta

y = 21,5 m

No muro a bola ainda está subindo.

6.Movimento de projéteis

Resposta: H = 62,02 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.

Velocidade vertical de lançamento

vy = 24·sin 60° = 20,78 m/s

Subida acima do penhasco

Δh = vy²/(2g) = 20,78²/(2·9,81) = 22,02 m

Altura em relação ao chão

H = 40 + 22,02 = 62,02 m

Resposta

H = 62,02 m
7.Movimento circular

Resposta: vmax = 15,97 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) = √(0,4·9,81·65) = 15,97 m/s

Resposta

vmax = 15,97 m/s (57,49 km/h)
8.Movimento circular

Resposta: T = 111,4 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 = 1,1·9,81 + 1,1·8²/0,7 = 10,79 + 100,6 = 111,4 N

Resposta

T = 111,4 N
9.Trabalho e energia

Resposta: Wf = 12,14 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 = 24,53·0,7071 = 17,34 N
F = μN = 0,1·17,34 = 1,734 N

Trabalho contra o atrito

Wf = F·d = 1,734·7 = 12,14 J

Resposta

Wf = 12,14 J
10.Trabalho e energia

Resposta: x = 25,64 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 = 4,905·(3,5 − 0,1·1,5) = 16,43 J

Compressão máxima

½kx² = 16,43 → x = √(2·16,43/500) = 0,2564 m = 25,64 cm

Resposta

x = 25,64 cm
11.Quantidade de movimento e colisões

Resposta: v′1 = −1,111 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 = (1 − 3,5)/(1 + 3,5)·2 = −1,111 m/s
v′2 = 2·1/(1 + 3,5)·2 = 0,8889 m/s

Resposta

v′1 = −1,111 m/s

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

12.Quantidade de movimento e colisões

Resposta: J = 10,2 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 = 0,3·(19 + 15) = 10,2 N·s

Resposta

J = 10,2 N·s
13.Rotação de corpo rígido

Resposta: v = 6,097 m/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.

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) = 4·9,81/(4 + 5,5) = 4,131 m/s²

Velocidade depois da queda

v = √(2·a·h) = √(2·4,131·4,5) = 6,097 m/s

Resposta

v = 6,097 m/s
14.Rotação de corpo rígido

Resposta: v = 3,737 m/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 = 5,5·sin 15° = 1,424 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 = √(2·9,81·1,424/2) = 3,737 m/s

Resposta

v = 3,737 m/s
15.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: n2 = 534,6 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

1440·150/400 = 540 rpm

Com escorregamento

n2 = 540·0,99 = 534,6 rpm

Resposta

n2 = 534,6 rpm
16.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: nout = 725 rpm

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.

Primeiro estágio

nB = 1450·24/45 = 773,3 rpm = nC

Segundo estágio

nout = 773,3·30/32 = 725 rpm

Resposta

nout = 725 rpm

relação total = 2 : 1

17.Molas e pêndulos

Resposta: x = −9,199 cm

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 = √(150/1,8) = 9,129 rad/s
ω·t = 9,129·0,3 = 2,739 rad

Deslocamento

x = A·cos(ω·t) = 10·cos(2,739) = −9,199 cm

Resposta

x = −9,199 cm
18.Molas e pêndulos

Resposta: t = 0,3585 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/3,5 = 1,795 rad/s

Resolva para o tempo

0,8 = cos(ω·t) → ω·t = arccos(0,8) = 0,6435 rad
t = 0,6435/1,795 = 0,3585 s

Resposta

t = 0,3585 s
19.Vibrações mecânicas

Resposta: ζ = 0,0866

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·√(8000·15) = 692,8 N·s/m

Fator de amortecimento

ζ = c/cc = 60/692,8 = 0,0866

Resposta

ζ = 0,0866

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

20.Vibrações mecânicas

Resposta: fn = 3,705 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 + 12 = 112 kN/m
keq = 112·12/(112 + 12) = 10,84 kN/m

Frequência natural

ωn = √(10839/20) = 23,28 rad/s
fn = 23,28/(2π) = 3,705 Hz

Resposta

fn = 3,705 Hz

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