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
a = ?s = 1700 m

Um avião precisa de uma velocidade de 240 km/h para decolar e a pista utilizável tem 1700 m de comprimento. Partindo do repouso, de que aceleração constante a ele precisa?

v₀ = 0v = 240 km/hs = 1700 m
a = m/s²
2.CinemáticaDifícil
v₀ = 11 m/s20 m

Uma bola é lançada verticalmente para cima a 11 m/s da beira de um telhado a 20 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 = 11 m/sh₀ = 20 mg = 9,81 m/s²
t = s
3.Leis de NewtonMédia
θ = 25°a = ?m = 8 kg

Um bloco de 8 kg desliza para baixo em um plano inclinado a 25° da horizontal. O coeficiente de atrito cinético é 0,15. Use g = 9,81 m/s². Calcule a aceleração a do bloco ao longo do plano.

m = 8 kgθ = 25°μ = 0,15g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Leis de NewtonDifícil
1 kg8 kgTF = 25 Nμ = 0,1

Dois blocos sobre um piso horizontal estão ligados por um fio horizontal leve. Uma força horizontal de 25 N puxa o bloco da frente, de 8 kg; o bloco de 1 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 = 1 kgm2 = 8 kgF = 25 Nμ = 0,1g = 9,81 m/s²
T = N
5.Movimento de projéteisMédia
48 my = ?v0​ = 32 m/s65°

Uma bola é chutada a partir do chão plano a 32 m/s e 65° acima da horizontal em direção a um muro a 48 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 = 32 m/sθ = 65°x = 48 mg = 9,81 m/s²
y = m
6.Movimento de projéteisDifícil
h = 50 mv0​ = 17 m/s35°x = ?

Uma bola é lançada a 35° acima da horizontal do topo de um penhasco de 50 m. Despreze a resistência do ar. Encontre a distância horizontal x percorrida antes de a bola atingir o chão.

v0 = 17 m/sθ = 35°h = 50 mg = 9,81 m/s²
x = m
7.Movimento circularMédia
r = 55 mvmax​ = ?

Um carro faz uma curva plana de raio 55 m. O coeficiente de atrito estático entre os pneus e a pista é 0,3. Use g = 9,81 m/s². Calcule a maior velocidade vmax com que o carro pode fazer a curva sem derrapar.

r = 55 mμs = 0,3g = 9,81 m/s²
vmax = m/s
8.Movimento circularDifícil
r = 1,2 mv = 8,5 m/s

Uma bola de 1,6 kg presa a um fio de 1,2 m de comprimento gira em um círculo vertical. No ponto mais baixo, ela se move a 8,5 m/s. Use g = 9,81 m/s². Calcule a tração T no fio no ponto mais baixo.

m = 1,6 kgr = 1,2 mv = 8,5 m/sg = 9,81 m/s²
T = N
9.Trabalho e energiaMédia
20°d = 17 mμ = 0,1

Um bloco de 0,5 kg desliza 17 m por uma rampa a 20° da horizontal, com coeficiente de atrito cinético de 0,1. Encontre o trabalho Wf realizado contra o atrito.

m = 0,5 kgθ = 20°μ = 0,1d = 17 mg = 9,81 m/s²
Wf = J
10.Trabalho e energiaDifícil
h = 3,5 mR = 1 mN = ?

Um carrinho de 2 kg é solto do repouso a uma altura de 3,5 m em um trilho liso que leva a um loop circular vertical de raio 1 m. Encontre a força normal N que o trilho exerce sobre o carrinho no topo do loop.

m = 2 kgh = 3,5 mR = 1 mg = 9,81 m/s²
N = N
11.Quantidade de movimento e colisõesMédia
3,5 kg6 m/s5 kg

Um carrinho de 3,5 kg a 6 m/s sofre uma colisão frontal perfeitamente elástica com um carrinho de 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 = 3,5 kgm2 = 5 kgv1 = 6 m/sv2 = 0
v′1 = m/s
12.Quantidade de movimento e colisõesDifícil
2000 kg22 m/s1200 kg9 m/sv′ = ?

Em um cruzamento, um carro de 2000 kg que vai para leste a 22 m/s colide com um carro de 1200 kg que vai para norte a 9 m/s. Os carros ficam presos um ao outro. Encontre a velocidade v′ dos destroços logo após a colisão.

m1 = 2000 kgv1 = 22 m/s (E)m2 = 1200 kgv2 = 9 m/s (N)
v′ = m/s
13.Rotação de corpo rígidoMédia
4 kgaαM = 9 kgR = 0,2 m

Um bloco de 4 kg está pendurado em um cabo leve enrolado em uma polia, um disco maciço uniforme de massa 9 kg e raio 0,2 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 a do bloco.

m = 4 kgM = 9 kgR = 0,2 mg = 9,81 m/s²
a = m/s²
14.Rotação de corpo rígidoDifícil
θ = 15°a

Um corpo (cilindro maciço) rola sem deslizar por um plano inclinado de 15° em relação à horizontal. Use g = 9,81 m/s². Encontre o menor coeficiente de atrito estático μs que o impede de deslizar.

θ = 15°I = ½·m·r²g = 9,81 m/s²
μs =
15.Engrenagens e trens de engrenagensMédia
d1​ = 80 mmd2​ = 200 mm1500 rpmn2​ = ?

Uma polia de 80 mm a 1500 rpm aciona uma polia de 200 mm por uma correia com 4 % de escorregamento. Encontre a velocidade n2 da polia movida.

n1 = 1500 rpmd1 = 80 mmd2 = 200 mms = 4 %
n2 = rpm
16.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
d1​ = 200 mmd2​ = 450 mm720 rpmC = 1000 mmθ = ?

Uma correia aberta liga uma polia de 200 mm e uma polia de 450 mm cujos centros estão a 1000 mm de distância. Encontre o ângulo de abraçamento θ na polia menor, em graus.

d1 = 200 mmd2 = 450 mmC = 1000 mm
θ = °
17.Molas e pêndulosMédia
t (s)x (cm)0,05 s

Uma massa de 3,5 kg presa a uma mola com k = 360 N/m é puxada 11 cm no sentido positivo e solta do repouso em t = 0. Encontre seu deslocamento x a partir do equilíbrio em t = 0,05 s (com sinal).

m = 3,5 kgk = 360 N/mA = 11 cmt = 0,05 s
x = cm
18.Molas e pêndulosDifícil
2 kgk = 600 N/m100 m/s

Um projétil de 10 g a 100 m/s atinge e fica alojado em um bloco de 2 kg em repouso sobre uma superfície sem atrito. O bloco está preso a uma mola horizontal com k = 600 N/m. Encontre a amplitude A da oscilação resultante em cm.

m = 10 gv = 100 m/sM = 2 kgk = 600 N/m
A = cm
19.Vibrações mecânicasMédia
tx50 mm3 ciclos2,9 mm

Em um ensaio de vibração livre de um sistema massa–mola amortecido, um pico de deslocamento de 50 mm é seguido, 3 ciclos depois, por um pico de 2,9 mm. Encontre o fator de amortecimento ζ.

x0 = 50 mmx3 = 2,9 mmn = 3
ζ =
20.Vibrações mecânicasDifícil
k1​ = 5k2​ = 40m = 5 kg

Uma massa de 5 kg está pendurada em duas molas ligadas uma após a outra (em série): a mola superior tem k₁ = 5 kN/m e a inferior k₂ = 40 kN/m. Encontre a rigidez equivalente keq do sistema de molas em kN/m.

m = 5 kgk1 = 5 kN/mk2 = 40 kN/m
keq = kN/m

3Soluções

1.Cinemática

Resposta: a = 1,307 m/s²

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

v = 240/3,6 = 66,67 m/s

Aceleração

a = v²/(2s) = 66,67²/(2·1700) = 1,307 m/s²

Resposta

a = 1,307 m/s²
2.Cinemática

Resposta: t = 3,431 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.

−20 = 11·t − ½·9,81·t²
4,905·t² − 11·t − 20 = 0

Resolva a equação do segundo grau

Só a raiz positiva tem sentido físico.

t = (11 + √(11² + 2·9,81·20))/9,81 = 3,431 s

Resposta

t = 3,431 s
3.Leis de Newton

Resposta: a = 2,812 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 25° − 0,15·cos 25°) = 9,81·(0,4226 − 0,1359) = 2,812 m/s²

Resposta

a = 2,812 m/s²
4.Leis de Newton

Resposta: T = 2,778 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) = (25 − 8,829)/9 = 1,797 m/s²

Só o bloco de trás

T = m1·(a + μ·g) = 1·(1,797 + 0,981) = 2,778 N

Resposta

T = 2,778 N

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

5.Movimento de projéteis

Resposta: y = 41,15 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 = 32·cos 65° = 13,52 m/s
t = x/vx = 48/13,52 = 3,549 s

Altura nesse instante

y = 29·3,549 − ½·9,81·3,549² = 41,15 m

Resposta

y = 41,15 m

No muro a bola já está descendo.

6.Movimento de projéteis

Resposta: x = 60,41 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 = 17·cos 35° = 13,93 m/s
vy = v0·sin θ = 17·sin 35° = 9,751 m/s

Tempo no ar

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

0 = 50 + 9,751·t − 4,905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (9,751 + √(95,08 + 981))/9,81 = 4,338 s

Distância horizontal

x = vx·t = 13,93·4,338 = 60,41 m

Resposta

x = 60,41 m
7.Movimento circular

Resposta: vmax = 12,72 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) = √(0,3·9,81·55) = 12,72 m/s

Resposta

vmax = 12,72 m/s (45,8 km/h)
8.Movimento circular

Resposta: T = 112 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 = 1,6·9,81 + 1,6·8,5²/1,2 = 15,7 + 96,33 = 112 N

Resposta

T = 112 N
9.Trabalho e energia

Resposta: Wf = 7,836 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 = 4,905·0,9397 = 4,609 N
F = μN = 0,1·4,609 = 0,4609 N

Trabalho contra o atrito

Wf = F·d = 0,4609·17 = 7,836 J

Resposta

Wf = 7,836 J
10.Trabalho e energia

Resposta: N = 39,24 N

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). Em uma trajetória circular a força resultante em direção ao centro deve ser igual a mv²/r.

Velocidade no topo

v² = 2g(h − 2R) = 2·9,81·(3,5 − 2) = 29,43 m²/s²

Forças no topo

m·g = 2·9,81 = 19,62 N
N = mv²/R − mg = 2·29,43/1 − 19,62 = 39,24 N

Resposta

N = 39,24 N

O carrinho completa o loop no limite quando h = 2,5R; então N = 0 no topo.

11.Quantidade de movimento e colisões

Resposta: v′1 = −1,059 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 = (3,5 − 5)/(3,5 + 5)·6 = −1,059 m/s
v′2 = 2·3,5/(3,5 + 5)·6 = 4,941 m/s

Resposta

v′1 = −1,059 m/s

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

12.Quantidade de movimento e colisões

Resposta: v′ = 14,16 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.

Componentes da quantidade de movimento

px = 2000·22 = 44000 kg·m/s
py = 1200·9 = 10800 kg·m/s

Velocidade dos destroços

v′ = √(px² + py²)/(m1 + m2) = 45306/3200 = 14,16 m/s

Resposta

v′ = 14,16 m/s
13.Rotação de corpo rígido

Resposta: a = 4,616 m/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) = 4·9,81/(4 + 4,5) = 4,616 m/s²

Resposta

a = 4,616 m/s²
14.Rotação de corpo rígido

Resposta: μs = 0,08932

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.

Equações do movimento

m·g·sin θ − f = m·a
f·r = I·α = 0,5·m·r²·(a/r) → f = 0,5·m·a

Aceleração

a = g·sin θ/(1 + c) = 9,81·sin 15°/1,5 = 1,693 m/s²

Atrito necessário

f = c·m·a ≤ μ·m·g·cos θ → μ ≥ c·tan θ/(1 + c)
μs = 0,5·tan 15°/1,5 = 0,08932

Resposta

μs = 0,08932
15.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: n2 = 576 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

1500·80/200 = 600 rpm

Com escorregamento

n2 = 600·0,96 = 576 rpm

Resposta

n2 = 576 rpm
16.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: θ = 165,6 °

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(0,125) = 7,181°

Ângulo de abraçamento

θ = 180 − 2·7,181 = 165,6°

Resposta

θ = 165,6°
17.Molas e pêndulos

Resposta: x = 9,616 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 = √(360/3,5) = 10,14 rad/s
ω·t = 10,14·0,05 = 0,5071 rad

Deslocamento

x = A·cos(ω·t) = 11·cos(0,5071) = 9,616 cm

Resposta

x = 9,616 cm
18.Molas e pêndulos

Resposta: A = 2,88 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.

Velocidade após o impacto

V = m·v/(m + M) = 0,01·100/2,01 = 0,4975 m/s

Frequência angular

ω = √(k/(m + M)) = √(600/2,01) = 17,28 rad/s

Amplitude

A = V/ω = 0,4975/17,28 = 0,0288 m = 2,88 cm

Resposta

A = 2,88 cm
19.Vibrações mecânicas

Resposta: ζ = 0,1494

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 = (1/3)·ln(50/2,9) = 0,9491

Fator de amortecimento

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,9491/√(39,48 + 0,9008) = 0,1494

Resposta

ζ = 0,1494
20.Vibrações mecânicas

Resposta: keq = 4,444 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 = 1/5 + 1/40 → keq = 5·40/(5 + 40) = 4,444 kN/m

Resposta

keq = 4,444 kN/m

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