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)3,636 s20

Um carro a 72 km/h freia com desaceleração constante de 5,5 m/s² até parar. Calcule a distância de frenagem s.

v₀ = 72 km/ha = −5,5 m/s²v = 0
s = m
2.CinemáticaDifícil
a = 32 m/s²

Um foguete-modelo é lançado verticalmente para cima a partir do repouso. Seu motor lhe dá uma aceleração constante para cima de 32 m/s² durante 2,5 s, depois disso o motor desliga e o foguete se move livremente. Despreze a resistência do ar e use g = 9,81 m/s². Quanto tempo após o lançamento ele atinge o chão? Encontre t.

a = 32 m/s²t1 = 2,5 sg = 9,81 m/s²
t = s
3.Leis de NewtonMédia
θ = 35°a = ?m = 2 kg

Um bloco de 2 kg desliza para baixo em um plano inclinado sem atrito a 35° da horizontal. Use g = 9,81 m/s². Calcule a aceleração a do bloco ao longo do plano.

m = 2 kgθ = 35°μ = 0g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Leis de NewtonDifícil
m1​ = 6,5 kg3 kgμ = 0,3

Um bloco de 6,5 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 0,3. Use g = 9,81 m/s². Calcule a tração T no fio.

m1 = 6,5 kgm2 = 3 kgμ = 0,3g = 9,81 m/s²
T = N
5.Movimento de projéteisMédia
v0​ = 22 m/s50°x = ?

Uma bola é lançada a 50° acima da horizontal do chão plano. Despreze a resistência do ar. Encontre a distância horizontal x percorrida antes de a bola atingir o chão.

v0 = 22 m/sθ = 50°g = 9,81 m/s²
x = m
6.Movimento de projéteisDifícil
h = 55 mv0​ = 28 m/s65°H = ?

Uma bola é lançada a 28 m/s e 65° acima da horizontal do alto de um penhasco de 55 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 = 28 m/sθ = 65°h = 55 mg = 9,81 m/s²
H = m
7.Movimento circularMédia
r = 100 m28 m/s

Um carro de 1300 kg passa pelo topo de uma lombada a 28 m/s. O topo da lombada é um arco de circunferência de raio 100 m. Use g = 9,81 m/s². Encontre a força normal N da estrada sobre o carro no topo.

m = 1300 kgv = 28 m/sr = 100 mg = 9,81 m/s²
N = N
8.Movimento circularDifícil
θ = 15°para o centrovmax​ = ?

Uma curva de raio 260 m tem sobrelevação de 15°, e o coeficiente de atrito estático entre os pneus e a estrada é 0,25. Use g = 9,81 m/s². Encontre a maior velocidade vmax com que um carro pode fazer a curva sem deslizar para cima e para fora.

r = 260 mθ = 15°μs = 0,25g = 9,81 m/s²
vmax = m/s
9.Trabalho e energiaMédia
40°d = 11 mμ = 0,3

Um bloco desliza a partir do repouso por uma rampa a 40° da horizontal. O coeficiente de atrito cinético é 0,3. Encontre sua velocidade v depois de deslizar 11 m ao longo da rampa.

θ = 40°μ = 0,3d = 11 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
10.Trabalho e energiaDifícil
h = 4 mL = 3,5 mμ = 0,15k = 1000 N/m

Um bloco de 4 kg é solto do repouso na altura 4 m em uma rampa lisa. Embaixo ele atravessa uma faixa horizontal áspera de 3,5 m (μ = 0,15) e depois encontra uma mola (k = 1000 N/m) em uma superfície lisa. Encontre a compressão máxima x da mola.

m = 4 kgh = 4 mL = 3,5 mμ = 0,15k = 1000 N/mg = 9,81 m/s²
x = cm
11.Quantidade de movimento e colisõesMédia
3,5 kgv = ?8 gh = 20 cm

Um projétil de 8 g é disparado horizontalmente contra um bloco de madeira de 3,5 kg pendurado por fios leves e fica alojado nele. O bloco oscila para cima até ficar 20 cm mais alto que no início. Use g = 9,81 m/s². Encontre a velocidade v do projétil antes do impacto.

m = 8 gM = 3,5 kgh = 20 cmg = 9,81 m/s²
v = m/s
12.Quantidade de movimento e colisõesDifícil
10 m/s13 m/s

Uma bola de 0,1 kg atinge uma parede a 10 m/s e volta em linha reta a 13 m/s. O contato dura 5 ms. Calcule o módulo do impulso J que a parede aplica à bola.

m = 0,1 kgvin = 10 m/svout = 13 m/sΔt = 5 ms
J = N·s
13.Rotação de corpo rígidoMédia
v = ?L = 1,8 mm = 8 kg

Uma barra esbelta uniforme de massa 8 kg e comprimento 1,8 m está articulada em uma extremidade e é solta do repouso na posição horizontal. Despreze o atrito e use g = 9,81 m/s². Encontre a velocidade v da extremidade livre quando a barra passa pela posição vertical.

m = 8 kgL = 1,8 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
14.Rotação de corpo rígidoDifícil
500 m/s15 g0,91 mL = 1,4 m9 kgφ

Uma barra esbelta uniforme de massa 9 kg e comprimento 1,4 m pende em repouso de um pivô sem atrito na sua extremidade superior. Um projétil de 15 g que se move horizontalmente a 500 m/s atinge a barra 0,91 m abaixo do pivô e fica cravado nela. Use g = 9,81 m/s². Encontre o maior ângulo φ em relação à vertical que a barra atinge ao oscilar.

M = 9 kgL = 1,4 mm = 15 gv = 500 m/sd = 0,91 mg = 9,81 m/s²
φ = °
15.Engrenagens e trens de engrenagensMédia
d1​ = 100 mmd2​ = 450 mm1440 rpmn2​ = ?

Uma polia de 100 mm a 1440 rpm aciona uma polia de 450 mm por uma correia com 1,5 % de escorregamento. Encontre a velocidade n2 da polia movida.

n1 = 1440 rpmd1 = 100 mmd2 = 450 mms = 1,5 %
n2 = rpm
16.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
A = 40B = 45C = 30D = 36

Em um trem de engrenagens composto, a engrenagem A (40 dentes), no eixo de entrada girando a 2900 rpm, aciona a engrenagem B (45 dentes). A engrenagem C (30 dentes) está fixada no mesmo eixo que B e aciona a engrenagem D (36 dentes) no eixo de saída. Calcule a rotação de saída nout.

nin = 2900 rpmA = 40B = 45C = 30D = 36
nout = rpm
17.Molas e pêndulosMédia
L = 0,4 m

Um pêndulo simples tem comprimento de 0,4 m. Use g = 9,81 m/s². Calcule seu período T para pequenas oscilações.

L = 0,4 mg = 9,81 m/s²
T = s
18.Molas e pêndulosDifícil
t (s)x (cm)t = ?4,75

Um corpo oscila em movimento harmônico simples com período 1,6 s e amplitude 19 cm. Qual é o menor tempo t de que ele precisa para ir do seu deslocamento máximo de 19 cm até um deslocamento de 4,75 cm?

T = 1,6 sA = 19 cmx = 4,75 cm
t = s
19.Vibrações mecânicasMédia
tx40 mm4 ciclos1,9 mm

Em um ensaio de vibração livre de um sistema massa–mola amortecido, um pico de deslocamento de 40 mm é seguido, 4 ciclos depois, por um pico de 1,9 mm. Encontre o fator de amortecimento ζ.

x0 = 40 mmx4 = 1,9 mmn = 4
ζ =
20.Vibrações mecânicasDifícil
k1​ = 30k2​ = 10m = 50 kg

Uma massa de 50 kg está pendurada em duas molas ligadas uma após a outra (em série): a mola superior tem k₁ = 30 kN/m e a inferior k₂ = 10 kN/m. Despreze o amortecimento e as massas das molas. Encontre a frequência natural fn da vibração vertical em Hz.

m = 50 kgk1 = 30 kN/mk2 = 10 kN/m
fn = Hz

3Soluções

1.Cinemática

Resposta: s = 36,36 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 = 72/3,6 = 20 m/s

Distância de frenagem

0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 20²/(2·5,5) = 36,36 m

Resposta

s = 36,36 m
2.Cinemática

Resposta: t = 19,98 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.

Fase propulsada

v₁ = 32·2,5 = 80 m/s
h₁ = ½·32·2,5² = 100 m

Voo livre até o chão

Resolva −h₁ = v₁·t₂ − ½·g·t₂² para a raiz positiva.

t₂ = (80 + √(80² + 2·9,81·100))/9,81 = 17,48 s
t = 2,5 + 17,48 = 19,98 s

Resposta

t = 19,98 s
3.Leis de Newton

Resposta: a = 5,627 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 35° − 0·cos 35°) = 9,81·(0,5736 − 0) = 5,627 m/s²

Resposta

a = 5,627 m/s²
4.Leis de Newton

Resposta: T = 26,18 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 − 19,13)/9,5 = 1,084 m/s²

Tração a partir do bloco na mesa

T − μ·m1·g = m1·a
T = 6,5·1,084 + 19,13 = 26,18 N

Resposta

T = 26,18 N
5.Movimento de projéteis

Resposta: x = 48,59 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 = 22·cos 50° = 14,14 m/s
vy = v0·sin θ = 22·sin 50° = 16,85 m/s

Tempo no ar

Partindo e chegando na mesma altura: t = 2vy/g.

t = 2·16,85/9,81 = 3,436 s

Distância horizontal

x = vx·t = 14,14·3,436 = 48,59 m

Resposta

x = 48,59 m
6.Movimento de projéteis

Resposta: H = 87,82 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 = 28·sin 65° = 25,38 m/s

Subida acima do penhasco

Δh = vy²/(2g) = 25,38²/(2·9,81) = 32,82 m

Altura em relação ao chão

H = 55 + 32,82 = 87,82 m

Resposta

H = 87,82 m
7.Movimento circular

Resposta: N = 2561 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 topo

Em direção ao centro (para baixo) é positivo.

m·g − N = m·v²/r
N = 1300·9,81 − 1300·28²/100 = 12753 − 10192 = 2561 N

Resposta

N = 2561 N

O carro fica mais leve: a estrada empurra para cima menos que o seu peso.

8.Movimento circular

Resposta: vmax = 37,63 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.

Equilíbrios de forças

O atrito aponta para baixo na inclinação.

N·(sin θ + μ·cos θ) = m·v²/r
N·(cos θ − μ·sin θ) = m·g

Velocidade

v = √(260·9,81·0,5003/0,9012) = 37,63 m/s

Resposta

vmax = 37,63 m/s
(135,5 km/h)
9.Trabalho e energia

Resposta: v = 9,441 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 = √(2·9,81·11·(0,6428 − 0,3·0,766)) = 9,441 m/s

Resposta

v = 9,441 m/s
10.Trabalho e energia

Resposta: x = 52,22 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·(4 − 0,15·3,5) = 136,4 J

Compressão máxima

½kx² = 136,4 → x = √(2·136,4/1000) = 0,5222 m = 52,22 cm

Resposta

x = 52,22 cm
11.Quantidade de movimento e colisões

Resposta: v = 868,6 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) = √(2·9,81·0,2) = 1,981 m/s

Colisão

m·v = (m + M)·V → v = (0,008 + 3,5)·1,981/0,008 = 868,6 m/s

Resposta

v = 868,6 m/s
12.Quantidade de movimento e colisões

Resposta: J = 2,3 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·(13 + 10) = 2,3 N·s

Resposta

J = 2,3 N·s
13.Rotação de corpo rígido

Resposta: v = 7,278 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.

Perda de energia potencial

m·g·L/2 = 8·9,81·0,9 = 70,63 J

Momento de inércia em relação ao pino

IO = m·L²/3 = 8·1,8²/3 = 8,64 kg·m²

Balanço de energia

½·IO·ω² = 70,63 → ω = √(2·70,63/8,64) = 4,044 rad/s
v = ω·L = 4,044·1,8 = 7,278 m/s

Resposta

v = 7,278 m/s
14.Rotação de corpo rígido

Resposta: φ = 20,58 °

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.

Momento de inércia após o impacto

I = M·L²/3 + m·d² = 9·1,4²/3 + 0,015·0,91² = 5,892 kg·m²

Quantidade de movimento angular em relação ao pivô

A força do pivô passa pelo pivô, então não tem momento ali durante o impacto.

m·v·d = I·ω → ω = 0,015·500·0,91/5,892 = 1,158 rad/s

Energia durante a oscilação

½·I·ω² = ½·5,892·1,158² = 3,953 J
(M·g·L/2 + m·g·d)·(1 − cos φ) = 61,94·(1 − cos φ)
cos φ = 1 − 3,953/61,94 = 0,9362 → φ = 20,58°

Resposta

φ = 20,58°
15.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: n2 = 315,2 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

1440·100/450 = 320 rpm

Com escorregamento

n2 = 320·0,985 = 315,2 rpm

Resposta

n2 = 315,2 rpm
16.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: nout = 2148 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 = 2900·40/45 = 2578 rpm = nC

Segundo estágio

nout = 2578·30/36 = 2148 rpm

Resposta

nout = 2148 rpm

relação total = 1,35 : 1

17.Molas e pêndulos

Resposta: T = 1,269 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·√(0,4/9,81) = 1,269 s

Resposta

T = 1,269 s
18.Molas e pêndulos

Resposta: t = 0,3357 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/1,6 = 3,927 rad/s

Resolva para o tempo

0,25 = cos(ω·t) → ω·t = arccos(0,25) = 1,318 rad
t = 1,318/3,927 = 0,3357 s

Resposta

t = 0,3357 s
19.Vibrações mecânicas

Resposta: ζ = 0,1204

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 = (1/4)·ln(40/1,9) = 0,7618

Fator de amortecimento

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,7618/√(39,48 + 0,5803) = 0,1204

Resposta

ζ = 0,1204
20.Vibrações mecânicas

Resposta: fn = 1,949 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 = 1/30 + 1/10 → keq = 30·10/(30 + 10) = 7,5 kN/m

Frequência natural

ωn = √(7500/50) = 12,25 rad/s
fn = 12,25/(2π) = 1,949 Hz

Resposta

fn = 1,949 Hz

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