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)11,11 s33,33

Um carro a 120 km/h freia com desaceleração constante de 3 m/s² até parar. Calcule a distância de frenagem s.

v₀ = 120 km/ha = −3 m/s²v = 0
s = m
2.CinemáticaDifícil
v₀ = 16 m/s35 m

Uma bola é lançada verticalmente para cima a 16 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 = 16 m/sh₀ = 35 mg = 9,81 m/s²
t = s
3.Leis de NewtonMédia
caixav₀ = 12 m/sμ = ?

Uma caixa desliza sobre um piso horizontal com velocidade inicial de 12 m/s e para após 49 m. Use g = 9,81 m/s². Encontre o coeficiente de atrito cinético μ.

v₀ = 12 m/sd = 49 mg = 9,81 m/s²
μ =
4.Leis de NewtonDifícil
3 kg9 kgTF = 50 Nμ = 0,15

Dois blocos sobre um piso horizontal estão ligados por um fio horizontal leve. Uma força horizontal de 50 N puxa o bloco da frente, de 9 kg; o bloco de 3 kg é rebocado atrás. O coeficiente de atrito cinético é 0,15 para os dois blocos. Use g = 9,81 m/s². Encontre a aceleração a dos blocos.

m1 = 3 kgm2 = 9 kgF = 50 Nμ = 0,15g = 9,81 m/s²
a = m/s²
5.Movimento de projéteisMédia
v0​ = ?75°R = 110 m

Uma bola é lançada a partir do chão plano a 75° acima da horizontal e cai a 110 m de distância. Despreze a resistência do ar e use g = 9,81 m/s². Encontre a velocidade de lançamento v0.

θ = 75°R = 110 mg = 9,81 m/s²
v0 = m/s
6.Movimento de projéteisDifícil
h = 25 mv0​ = 13 m/s50°v = ?

Uma bola é lançada a 13 m/s e 50° acima da horizontal do alto de um penhasco de 25 m. Despreze a resistência do ar e use g = 9,81 m/s². Encontre a velocidade v com que ela atinge o chão.

v₀ = 13 m/sθ = 50°h = 25 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
7.Movimento circularMédia
r = 100 mvmax​ = ?

Um carro faz uma curva plana de raio 100 m. O coeficiente de atrito estático entre os pneus e a pista é 0,8. Use g = 9,81 m/s². Calcule a maior velocidade vmax com que o carro pode fazer a curva sem derrapar.

r = 100 mμs = 0,8g = 9,81 m/s²
vmax = m/s
8.Movimento circularDifícil
r = 0,9 mv = ?

Uma bola presa a um fio de 0,9 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 = 0,9 mg = 9,81 m/s²
vmin = m/s
9.Trabalho e energiaMédia
40°d = 2 mμ = 0,15

Um bloco desliza a partir do repouso por uma rampa a 40° da horizontal. O coeficiente de atrito cinético é 0,15. Encontre sua velocidade v depois de deslizar 2 m ao longo da rampa.

θ = 40°μ = 0,15d = 2 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
10.Trabalho e energiaDifícil
h = 5 mL = 3 mμ = 0,2k = 500 N/m

Um bloco de 4 kg é solto do repouso na altura 5 m em uma rampa lisa. Embaixo ele atravessa uma faixa horizontal áspera de 3 m (μ = 0,2) e depois encontra uma mola (k = 500 N/m) em uma superfície lisa. Encontre a compressão máxima x da mola.

m = 4 kgh = 5 mL = 3 mμ = 0,2k = 500 N/mg = 9,81 m/s²
x = cm
11.Quantidade de movimento e colisõesMédia
8 kg87 m/s2 kgv′2​ = ?

Um projétil de 10 kg que se move horizontalmente a 36 m/s explode em dois fragmentos que se movem ao longo da mesma reta. O fragmento de 8 kg continua para a frente a 87 m/s. Encontre a velocidade v′2 do fragmento de 2 kg (positiva no sentido original).

M = 10 kgu = 36 m/sm1 = 8 kgv′1 = 87 m/sm2 = 2 kg
v′2 = m/s
12.Quantidade de movimento e colisõesDifícil
1000 kg8 m/s1700 kg12 m/sθ = ?

Em um cruzamento, um carro de 1000 kg que vai para leste a 8 m/s colide com um carro de 1700 kg que vai para norte a 12 m/s. Os carros ficam presos um ao outro. Encontre a direção θ dos destroços logo após a colisão, medida a partir do leste em direção ao norte.

m1 = 1000 kgv1 = 8 m/s (E)m2 = 1700 kgv2 = 12 m/s (N)
θ = °
13.Rotação de corpo rígidoMédia
ω = ?1 kgL = 1,2 mm = 6 kg

Uma barra esbelta uniforme de massa 6 kg e comprimento 1,2 m está articulada em uma extremidade e é solta do repouso na posição horizontal. Uma pequena bola de massa 1 kg está fixada na sua extremidade livre. Despreze o atrito e use g = 9,81 m/s². Encontre a velocidade angular ω da barra ao passar pela posição vertical.

m = 6 kgL = 1,2 mmball = 1 kgg = 9,81 m/s²
ω = rad/s
14.Rotação de corpo rígidoDifícil
θ = 30°vs = 3,5 m

Um corpo (cilindro maciço) parte do repouso e rola sem deslizar por um plano inclinado de 30° em relação à horizontal. Use g = 9,81 m/s². Seu raio é 0,1 m. Encontre sua velocidade angular ω depois de rolar 3,5 m ao longo do plano.

θ = 30°s = 3,5 mI = ½·m·r²g = 9,81 m/s²r = 0,1 m
ω = rad/s
15.Engrenagens e trens de engrenagensMédia
d1​ = 80 mmd2​ = 315 mm1500 rpmT1​ = 500 NT2​ = 100 NP = ?

Uma correia passa por uma polia motora de 80 mm a 1500 rpm. A tração é de 500 N no lado tracionado e de 100 N no lado frouxo. Encontre a potência P transmitida, em kW.

d1 = 80 mmn1 = 1500 rpmT1 = 500 NT2 = 100 N
P = kW
16.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
Ns​ = 30nr​ = ?Np​ = 18porta-satélites fixo

Em um trem de engrenagens planetário a engrenagem solar tem 30 dentes e cada satélite tem 18 dentes. O porta-satélites é mantido fixo e a solar é acionada a 900 rpm. Encontre a rotação nr da coroa (em módulo).

Ns = 30Np = 18ns = 900 rpm
nr = rpm
17.Molas e pêndulosMédia
L = 1,5 mT = 4 s

Um astronauta em outro planeta verifica que um pêndulo simples de 1,5 m tem período de 4 s para pequenas oscilações. Encontre a aceleração da gravidade g nesse planeta.

L = 1,5 mT = 4 s
g = m/s²
18.Molas e pêndulosDifícil
3,9 kgk = 70 N/mA = 17 cm

Uma massa de 3,9 kg presa a uma mola com k = 70 N/m é deslocada 17 cm da posição de equilíbrio e solta. Calcule a energia total E da oscilação.

m = 3,9 kgk = 70 N/mA = 17 cm
E = J
19.Vibrações mecânicasMédia
tx10 mm1 ciclo8,8 mm

Em um ensaio de vibração livre de um sistema massa–mola amortecido, um pico de deslocamento de 10 mm é seguido, um ciclo depois, por um pico de 8,8 mm. Encontre o fator de amortecimento ζ.

x0 = 10 mmx1 = 8,8 mmn = 1
ζ =
20.Vibrações mecânicasDifícil
k1​ = 100k2​ = 25m = 100 kg

Uma massa de 100 kg está pendurada em duas molas ligadas uma após a outra (em série): a mola superior tem k₁ = 100 kN/m e a inferior k₂ = 25 kN/m. Encontre a rigidez equivalente keq do sistema de molas em kN/m.

m = 100 kgk1 = 100 kN/mk2 = 25 kN/m
keq = kN/m

3Soluções

1.Cinemática

Resposta: s = 185,2 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/(2·3) = 185,2 m

Resposta

s = 185,2 m
2.Cinemática

Resposta: t = 4,761 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 = 16·t − ½·9,81·t²
4,905·t² − 16·t − 35 = 0

Resolva a equação do segundo grau

Só a raiz positiva tem sentido físico.

t = (16 + √(16² + 2·9,81·35))/9,81 = 4,761 s

Resposta

t = 4,761 s
3.Leis de Newton

Resposta: μ = 0,1498

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.

Desaceleração

a = v₀²/(2d) = 12²/(2·49) = 1,469 m/s²

Coeficiente de atrito

μ·m·g = m·a → μ = a/g = 1,469/9,81 = 0,1498

Resposta

μ = 0,1498
4.Leis de Newton

Resposta: a = 2,695 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.

Sistema inteiro

a = (F − μ·(m1 + m2)·g)/(m1 + m2) = (50 − 17,66)/12 = 2,695 m/s²

Resposta

a = 2,695 m/s²
5.Movimento de projéteis

Resposta: v0 = 46,46 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) = √(9,81·110/sin 150°) = 46,46 m/s

Resposta

v0 = 46,46 m/s
6.Movimento de projéteis

Resposta: v = 25,68 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.

Decomponha a velocidade de lançamento

vx = 13·cos 50° = 8,356 m/s
vy0 = 13·sin 50° = 9,959 m/s

Velocidade vertical no impacto

Energia, ou v² = v₀² + 2as na direção vertical.

vy = √(9,959² + 2·9,81·25) = 24,28 m/s

Velocidade de impacto

v = √(8,356² + 24,28²) = 25,68 m/s

Resposta

v = 25,68 m/s

Verificação pela energia: v² = v₀² + 2gh.

7.Movimento circular

Resposta: vmax = 28,01 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) = √(0,8·9,81·100) = 28,01 m/s

Resposta

vmax = 28,01 m/s (100,9 km/h)
8.Movimento circular

Resposta: vmin = 2,971 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) = √(9,81·0,9) = 2,971 m/s

Resposta

vmin = 2,971 m/s
9.Trabalho e energia

Resposta: v = 4,551 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 = √(2·9,81·2·(0,6428 − 0,15·0,766)) = 4,551 m/s

Resposta

v = 4,551 m/s
10.Trabalho e energia

Resposta: x = 83,1 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 = 39,24·(5 − 0,2·3) = 172,7 J

Compressão máxima

½kx² = 172,7 → x = √(2·172,7/500) = 0,831 m = 83,1 cm

Resposta

x = 83,1 cm
11.Quantidade de movimento e colisões

Resposta: v′2 = −168 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.

Quantidade de movimento antes

p = M·u = 10·36 = 360 kg·m/s

Quantidade de movimento depois

360 = 8·87 + 2·v′2
v′2 = (360 − 696)/2 = −168 m/s

Resposta

v′2 = −168 m/s

O sinal de menos significa que o segundo fragmento voa para trás.

12.Quantidade de movimento e colisões

Resposta: θ = 68,59 °

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.

Componentes da quantidade de movimento

px = 1000·8 = 8000 kg·m/s
py = 1700·12 = 20400 kg·m/s

Direção

tan θ = py/px = 2,55 → θ = 68,59°

Resposta

θ = 68,59°
13.Rotação de corpo rígido

Resposta: ω = 4,669 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 + mball·g·L = 6·9,81·0,6 + 1·9,81·1,2 = 47,09 J

Momento de inércia em relação ao pino

IO = m·L²/3 + mball·L² = 2,88 + 1,44 = 4,32 kg·m²

Balanço de energia

½·IO·ω² = 47,09 → ω = √(2·47,09/4,32) = 4,669 rad/s

Resposta

ω = 4,669 rad/s
14.Rotação de corpo rígido

Resposta: ω = 47,84 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 30° = 1,75 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 + 0,5)
v = √(2·9,81·1,75/1,5) = 4,784 m/s
ω = v/r = 4,784/0,1 = 47,84 rad/s

Resposta

ω = 47,84 rad/s
15.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: P = 2,513 kW

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 da correia

v = 6,283 m/s

Potência

P = (500 − 100)·6,283 = 2513 W = 2,513 kW

Resposta

P = 2,513 kW
16.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: nr = 409,1 rpm

Trens de engrenagens planetários: as rotações da solar, da coroa e do porta-satélites estão ligadas pela equação de Willis (ns − nc)/(nr − nc) = −Nr/Ns: visto do porta-satélites, o conjunto é um trem comum com os satélites como engrenagens intermediárias. Manter um membro fixo transforma o conjunto em um redutor de relação única.

Dentes da coroa

Nr = Ns + 2·Np = 30 + 2·18 = 66

Equação de Willis com o porta-satélites fixo

Com nc = 0 a solar aciona a coroa através dos satélites, que funcionam como engrenagens intermediárias.

nr = −ns·Ns/Nr = −900·30/66 = −409,1 rpm
|nr| = 409,1 rpm

Resposta

nr = 409,1 rpm

A coroa gira no sentido oposto ao da solar.

17.Molas e pêndulos

Resposta: g = 3,701 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.

Resolver para g

g = 4π²·L/T² = 4π²·1,5/4² = 3,701 m/s²

Resposta

g = 3,701 m/s²
18.Molas e pêndulos

Resposta: E = 1,012 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.

Frequência angular

ω = √(70/3,9) = 4,237 rad/s

Energia

E = ½·k·A² = ½·70·0,17² = 1,012 J

Resposta

E = 1,012 J
19.Vibrações mecânicas

Resposta: ζ = 0,02034

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 = (1/1)·ln(10/8,8) = 0,1278

Fator de amortecimento

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,1278/√(39,48 + 0,01634) = 0,02034

Resposta

ζ = 0,02034
20.Vibrações mecânicas

Resposta: keq = 20 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 = 1/100 + 1/25 → keq = 100·25/(100 + 25) = 20 kN/m

Resposta

keq = 20 kN/m

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