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
políciaa = 5 m/s²carro17 m/s

Um carro em alta velocidade, a 17 m/s constantes, passa por uma viatura policial parada. Nesse instante a viatura parte e acelera uniformemente a 5 m/s². A que distância do seu ponto de partida a viatura alcança o carro? Encontre d.

vcar = 17 m/sapolice = 5 m/s²v0,police = 0
d = m
2.CinemáticaDifícil
v₀ = 6 m/s15 m

Uma bola é lançada verticalmente para cima a 6 m/s da beira de um telhado a 15 m do chão. Despreze a resistência do ar e use g = 9,81 m/s². Calcule a altura máxima hmax em relação ao chão.

v₀ = 6 m/sh₀ = 15 mg = 9,81 m/s²
hmax = m
3.Leis de NewtonMédia
θ = 40°a = ?m = 8 kg

Um bloco de 8 kg desliza para baixo em um plano inclinado a 40° da horizontal. O coeficiente de atrito cinético é 0,1. Use g = 9,81 m/s². Calcule a aceleração a do bloco ao longo do plano.

m = 8 kgθ = 40°μ = 0,1g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Leis de NewtonDifícil
m1​ = 6 kg0,5 kgsem atrito

Um bloco de 6 kg sobre uma mesa horizontal está ligado por um fio leve, que passa por uma polia sem atrito, a uma massa suspensa de 0,5 kg. A mesa não tem atrito. Use g = 9,81 m/s². Calcule a aceleração a do sistema.

m1 = 6 kgm2 = 0,5 kgμ = 0g = 9,81 m/s²
a = m/s²
5.Movimento de projéteisMédia
v0​ = ?20°R = 95 m

Uma bola é lançada a partir do chão plano a 20° acima da horizontal e cai a 95 m de distância. Despreze a resistência do ar e use g = 9,81 m/s². Encontre a velocidade de lançamento v0.

θ = 20°R = 95 mg = 9,81 m/s²
v0 = m/s
6.Movimento de projéteisDifícil
h = 35 mv0​ = 18 m/s25°H = ?

Uma bola é lançada a 18 m/s e 25° acima da horizontal do alto de um penhasco de 35 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 = 18 m/sθ = 25°h = 35 mg = 9,81 m/s²
H = m
7.Movimento circularMédia
r = 125 mvmax​ = ?

Um carro faz uma curva plana de raio 125 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 = 125 mμs = 0,5g = 9,81 m/s²
vmax = m/s
8.Movimento circularDifícil
r = 0,7 mv = 7,5 m/s

Uma bola de 0,8 kg presa a um fio de 0,7 m de comprimento gira em um círculo vertical. No ponto mais baixo, ela se move a 7,5 m/s. Use g = 9,81 m/s². Calcule a tração T no fio no ponto mais baixo.

m = 0,8 kgr = 0,7 mv = 7,5 m/sg = 9,81 m/s²
T = N
9.Trabalho e energiaMédia
90 km/h8°1000 kg

Um carro de 1000 kg sobe uma rampa de 8° a 90 km/h constantes. A resistência do ar e a resistência ao rolamento juntas somam 600 N. Encontre a potência P que as rodas devem fornecer, em kW.

m = 1000 kgθ = 8°Fr = 600 Nv = 90 km/hg = 9,81 m/s²
P = kW
10.Trabalho e energiaDifícil
k = 1000 N/m25°μ = 0,23 kg

Uma mola de rigidez 1000 N/m na base de uma rampa de 25° é comprimida 12 cm contra um bloco de 3 kg e solta. O coeficiente de atrito cinético entre o bloco e a rampa é 0,2. Que distância d rampa acima o bloco percorre a partir do ponto de soltura antes de parar? (Despreze a curta distância em que a mola empurra, ou seja, considere o atrito e a gravidade ao longo de toda a distância d.)

m = 3 kgk = 1000 N/mx = 12 cmθ = 25°μ = 0,2g = 9,81 m/s²
d = m
11.Quantidade de movimento e colisõesMédia
1,5 kgv = ?5 gh = 17 cm

Um projétil de 5 g é disparado horizontalmente contra um bloco de madeira de 1,5 kg pendurado por fios leves e fica alojado nele. O bloco oscila para cima até ficar 17 cm mais alto que no início. Use g = 9,81 m/s². Encontre a velocidade v do projétil antes do impacto.

m = 5 gM = 1,5 kgh = 17 cmg = 9,81 m/s²
v = m/s
12.Quantidade de movimento e colisõesDifícil
17 m/s12 m/s

Uma bola de 0,2 kg atinge uma parede a 17 m/s e volta em linha reta a 12 m/s. O contato dura 5 ms. Calcule o módulo do impulso J que a parede aplica à bola.

m = 0,2 kgvin = 17 m/svout = 12 m/sΔt = 5 ms
J = N·s
13.Rotação de corpo rígidoMédia
14 kgaαM = 6,5 kgR = 0,35 m

Um bloco de 14 kg está pendurado em um cabo leve enrolado em uma polia, um disco maciço uniforme de massa 6,5 kg e raio 0,35 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 = 14 kgM = 6,5 kgR = 0,35 mg = 9,81 m/s²
α = rad/s²
14.Rotação de corpo rígidoDifícil
4,5 m/sω

Um corpo (cilindro maciço) de massa 8 kg rola sem deslizar a 4,5 m/s. Encontre sua energia cinética de rotação Erot.

m = 8 kgv = 4,5 m/sI = ½·m·r²
Erot = J
15.Engrenagens e trens de engrenagensMédia
d1​ = 160 mmd2​ = 200 mm1500 rpmT1​ = 600 NT2​ = 120 NP = ?

Uma correia passa por uma polia motora de 160 mm a 1500 rpm. A tração é de 600 N no lado tracionado e de 120 N no lado frouxo. Encontre a potência P transmitida, em kW.

d1 = 160 mmn1 = 1500 rpmT1 = 600 NT2 = 120 N
P = kW
16.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
A = 15B = 32C = 25D = 72

Em um trem de engrenagens composto, a engrenagem A (15 dentes), no eixo de entrada girando a 2900 rpm, aciona a engrenagem B (32 dentes). A engrenagem C (25 dentes) está fixada no mesmo eixo que B e aciona a engrenagem D (72 dentes) no eixo de saída. Calcule a rotação de saída nout.

nin = 2900 rpmA = 15B = 32C = 25D = 72
nout = rpm
17.Molas e pêndulosMédia
L = 1,9 m

Um pêndulo simples tem comprimento de 1,9 m. Use g = 9,81 m/s². Calcule seu período T para pequenas oscilações.

L = 1,9 mg = 9,81 m/s²
T = s
18.Molas e pêndulosDifícil
mk = 50 N/mA = 7 cmx = 6 cm

Uma massa presa a uma mola com k = 50 N/m oscila sobre uma superfície sem atrito com amplitude de 7 cm. Encontre a energia U armazenada na mola quando a massa está a 6 cm do equilíbrio.

k = 50 N/mA = 7 cmx = 6 cm
U = J
19.Vibrações mecânicasMédia
k = 150 kN/mζ = 0,45m = 20 kg

Uma massa de 20 kg sobre uma mola com rigidez de 150 kN/m tem um amortecedor viscoso que dá um fator de amortecimento de 0,45. Encontre a frequência natural amortecida fd da sua vibração livre em Hz.

m = 20 kgk = 150 kN/mζ = 0,45
fd = Hz
20.Vibrações mecânicasDifícil
k1​ = 100k2​ = 60m = 20 kg

Uma massa de 20 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 = 60 kN/m. Despreze o amortecimento e as massas das molas. Encontre a frequência natural fn da vibração vertical em Hz.

m = 20 kgk1 = 100 kN/mk2 = 60 kN/m
fn = Hz

3Soluções

1.Cinemática

Resposta: d = 115,6 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.

Distâncias iguais

v·t = ½·a·t² → t = 2v/a = 2·17/5 = 6,8 s

Distância

d = v·t = 17·6,8 = 115,6 m

Resposta

d = 115,6 m

Nesse momento a viatura se move a 2v = 34 m/s.

2.Cinemática

Resposta: hmax = 16,83 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.

Subida acima do telhado

0 = v₀² − 2·g·Δh → Δh = 6²/(2·9,81) = 1,835 m

Altura em relação ao chão

hmax = 15 + 1,835 = 16,83 m

Resposta

hmax = 16,83 m
3.Leis de Newton

Resposta: a = 5,554 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 40° − 0,1·cos 40°) = 9,81·(0,6428 − 0,0766) = 5,554 m/s²

Resposta

a = 5,554 m/s²
4.Leis de Newton

Resposta: a = 0,7546 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 do sistema

a = (m2·g − μ·m1·g)/(m1 + m2) = (4,905 − 0)/6,5 = 0,7546 m/s²

Resposta

a = 0,7546 m/s²
5.Movimento de projéteis

Resposta: v0 = 38,08 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) = √(9,81·95/sin 40°) = 38,08 m/s

Resposta

v0 = 38,08 m/s
6.Movimento de projéteis

Resposta: H = 37,95 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 = 18·sin 25° = 7,607 m/s

Subida acima do penhasco

Δh = vy²/(2g) = 7,607²/(2·9,81) = 2,949 m

Altura em relação ao chão

H = 35 + 2,949 = 37,95 m

Resposta

H = 37,95 m
7.Movimento circular

Resposta: vmax = 24,76 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) = √(0,5·9,81·125) = 24,76 m/s

Resposta

vmax = 24,76 m/s (89,14 km/h)
8.Movimento circular

Resposta: T = 72,13 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 = 0,8·9,81 + 0,8·7,5²/0,7 = 7,848 + 64,29 = 72,13 N

Resposta

T = 72,13 N
9.Trabalho e energia

Resposta: P = 49,13 kW

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). Potência é força vezes velocidade: P = F·v.

Força motriz

m·g = 1000·9,81 = 9810 N
mg·sin θ = 9810·sin 8° = 1365 N
F = 1365 + 600 = 1965 N

Potência

v = 90/3,6 = 25 m/s
P = F·v = 1965·25 = 49132 W = 49,13 kW

Resposta

P = 49,13 kW
10.Trabalho e energia

Resposta: d = 0,4051 m

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 da mola

x = 12 cm = 0,12 m
½kx² = ½·1000·0,12² = 7,2 J

Balanço de energia ao longo da rampa

m·g = 3·9,81 = 29,43 N
½kx² = mg·d·(sin θ + μ·cos θ)
d = 7,2/(29,43·(0,4226 + 0,2·0,9063)) = 0,4051 m

Resposta

d = 0,4051 m
11.Quantidade de movimento e colisões

Resposta: v = 549,7 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.

Oscilação após o impacto

V = √(2·g·h) = √(2·9,81·0,17) = 1,826 m/s

Colisão

m·v = (m + M)·V → v = (0,005 + 1,5)·1,826/0,005 = 549,7 m/s

Resposta

v = 549,7 m/s
12.Quantidade de movimento e colisões

Resposta: J = 5,8 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 = 0,2·(12 + 17) = 5,8 N·s

Resposta

J = 5,8 N·s
13.Rotação de corpo rígido

Resposta: α = 22,75 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) = 14·9,81/(14 + 3,25) = 7,962 m/s²

Aceleração angular

α = a/R = 7,962/0,35 = 22,75 rad/s²

Resposta

α = 22,75 rad/s²
14.Rotação de corpo rígido

Resposta: Erot = 40,5 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 = ½·8·4,5² = 81 J
Erot = ½·I·ω² = ½·0,5·m·r²·(v/r)² = 0,5·81 = 40,5 J

Resposta

Erot = 40,5 J
15.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: P = 6,032 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 = 12,57 m/s

Potência

P = (600 − 120)·12,57 = 6032 W = 6,032 kW

Resposta

P = 6,032 kW
16.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: nout = 472 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 = 2900·15/32 = 1359 rpm = nC

Segundo estágio

nout = 1359·25/72 = 472 rpm

Resposta

nout = 472 rpm

relação total = 6,144 : 1

17.Molas e pêndulos

Resposta: T = 2,765 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·√(1,9/9,81) = 2,765 s

Resposta

T = 2,765 s
18.Molas e pêndulos

Resposta: U = 0,09 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 = ½·50·0,07² = 0,1225 J

Energia da mola em x

U = ½·k·x² = ½·50·0,06² = 0,09 J

Resposta

U = 0,09 J
19.Vibrações mecânicas

Resposta: fd = 12,31 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 = √(150000/20) = 86,6 rad/s
fn = 86,6/(2π) = 13,78 Hz

Frequência natural amortecida

fd = fn·√(1 − ζ²) = 13,78·√(1 − 0,45²) = 12,31 Hz

Resposta

fd = 12,31 Hz
20.Vibrações mecânicas

Resposta: fn = 6,892 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 = 1/100 + 1/60 → keq = 100·60/(100 + 60) = 37,5 kN/m

Frequência natural

ωn = √(37500/20) = 43,3 rad/s
fn = 43,3/(2π) = 6,892 Hz

Resposta

fn = 6,892 Hz

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