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)t = ?15

Um carro a 54 km/h freia com desaceleração constante de 6 m/s² até parar. Quanto tempo dura a frenagem? Calcule t.

v₀ = 54 km/ha = −6 m/s²v = 0
t = s
2.CinemáticaDifícil
AB: 24 m/s10 m

A bola A é solta do repouso de uma altura de 10 m. No mesmo instante a bola B é lançada verticalmente para cima a partir do chão, logo abaixo, a 24 m/s. Despreze a resistência do ar e use g = 9,81 m/s². Quando as bolas se encontram? Encontre t.

H = 10 mv0B = 24 m/sg = 9,81 m/s²
t = s
3.Leis de NewtonMédia
θ = 30°40 kgF = ?

Uma caixa de 40 kg é empurrada rampa acima, inclinada a 30° em relação à horizontal, com velocidade constante, por uma força paralela à rampa. O coeficiente de atrito cinético é 0,1. Use g = 9,81 m/s². Encontre a força de empurrão F.

m = 40 kgθ = 30°μ = 0,1g = 9,81 m/s²
F = N
4.Leis de NewtonDifícil
m1​ = 4,5 kg4,5 kgθ = 20°

Um bloco de 4,5 kg em uma rampa a 20° está ligado por um fio leve, passando por uma polia sem atrito no topo da rampa, a uma massa pendurada de 4,5 kg. A massa pendurada desce. O coeficiente de atrito cinético entre o bloco e a rampa é 0,25. Use g = 9,81 m/s². Calcule a tração T no fio.

m1 = 4,5 kgm2 = 4,5 kgθ = 20°μ = 0,25g = 9,81 m/s²
T = N
5.Movimento de projéteisMédia
v0​ = 20 m/s25°alcance

Uma bola é lançada a 25° acima da horizontal do chão plano. Despreze a resistência do ar. Encontre o tempo de voo t até a bola atingir o chão.

v0 = 20 m/sθ = 25°g = 9,81 m/s²
t = s
6.Movimento de projéteisDifícil
h = 20 mv0​ = 31 m/s55°alcance

Uma bola é lançada a 55° acima da horizontal do topo de um penhasco de 20 m. Despreze a resistência do ar. Encontre o tempo de voo t até a bola atingir o chão.

v0 = 31 m/sθ = 55°h = 20 mg = 9,81 m/s²
t = s
7.Movimento circularMédia
L = 1,8 m45°

Uma pequena bola presa a um fio de comprimento 1,8 m se move em um círculo horizontal de modo que o fio forma um ângulo constante de 45° com a vertical (um pêndulo cônico). Use g = 9,81 m/s². Encontre a velocidade v da bola.

L = 1,8 mθ = 45°g = 9,81 m/s²
v = m/s
8.Movimento circularDifícil
r = 1,1 mv = 6 m/s

Uma bola de 0,6 kg presa a um fio de 1,1 m de comprimento gira em um círculo vertical. No ponto mais baixo, ela se move a 6 m/s. Use g = 9,81 m/s². Calcule a tração T no fio no ponto mais baixo.

m = 0,6 kgr = 1,1 mv = 6 m/sg = 9,81 m/s²
T = N
9.Trabalho e energiaMédia
25°d = 10 mμ = 0,2

Um bloco desliza a partir do repouso por uma rampa a 25° da horizontal. O coeficiente de atrito cinético é 0,2. Encontre sua velocidade v depois de deslizar 10 m ao longo da rampa.

θ = 25°μ = 0,2d = 10 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
10.Trabalho e energiaDifícil
4 kg6 kgμ = 0,15d = 2,5 m

Um bloco de 4 kg repousa sobre uma mesa horizontal áspera (μ = 0,15). Um fio leve vai dele, passando por uma polia lisa na borda da mesa, até um bloco pendurado de 6 kg. O sistema é solto do repouso. Encontre a velocidade v dos blocos depois que o bloco pendurado desceu 2,5 m.

m1 = 4 kgm2 = 6 kgμ = 0,15d = 2,5 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
11.Quantidade de movimento e colisõesMédia
2 kg4 m/s5 kg

Um carrinho de 2 kg a 4 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 = 2 kgm2 = 5 kgv1 = 4 m/sv2 = 0
v′1 = m/s
12.Quantidade de movimento e colisõesDifícil
12 m/s5 m/s

Uma bola de 0,4 kg atinge uma parede a 12 m/s e volta em linha reta a 5 m/s. O contato dura 50 ms. Calcule a força média Favg da parede sobre a bola.

m = 0,4 kgvin = 12 m/svout = 5 m/sΔt = 50 ms
Favg = N
13.Rotação de corpo rígidoMédia
10 kgaαM = 18,5 kgR = 0,1 m

Um bloco de 10 kg está pendurado em um cabo leve enrolado em uma polia, um disco maciço uniforme de massa 18,5 kg e raio 0,1 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 tração T no cabo.

m = 10 kgM = 18,5 kgR = 0,1 mg = 9,81 m/s²
T = N
14.Rotação de corpo rígidoDifícil
280 m/s10 g1,37 mL = 1,8 m4 kg

Uma barra esbelta uniforme de massa 4 kg e comprimento 1,8 m pende em repouso de um pivô sem atrito na sua extremidade superior. Um projétil de 10 g que se move horizontalmente a 280 m/s atinge a barra 1,37 m abaixo do pivô e fica cravado nela. Encontre a velocidade angular ω da barra logo após o impacto.

M = 4 kgL = 1,8 mm = 10 gv = 280 m/sd = 1,37 m
ω = rad/s
15.Engrenagens e trens de engrenagensMédia
d1​ = 100 mmd2​ = 300 mm720 rpmT1​ = 400 NT2​ = 160 NP = ?

Uma correia passa por uma polia motora de 100 mm a 720 rpm. A tração é de 400 N no lado tracionado e de 160 N no lado frouxo. Encontre a potência P transmitida, em kW.

d1 = 100 mmn1 = 720 rpmT1 = 400 NT2 = 160 N
P = kW
16.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
A = 32B = 50C = 15D = 60

Em um trem de engrenagens composto, a engrenagem A (32 dentes), no eixo de entrada girando a 1500 rpm, aciona a engrenagem B (50 dentes). A engrenagem C (15 dentes) está fixada no mesmo eixo que B e aciona a engrenagem D (60 dentes) no eixo de saída. Calcule a rotação de saída nout.

nin = 1500 rpmA = 32B = 50C = 15D = 60
nout = rpm
17.Molas e pêndulosMédia
3,8 kgk = 230 N/mA = 13 cmx = 5 cm

Uma massa de 3,8 kg presa a uma mola com k = 230 N/m oscila sobre uma superfície sem atrito com amplitude de 13 cm. Encontre sua velocidade v quando ela está a 5 cm do equilíbrio.

m = 3,8 kgk = 230 N/mA = 13 cmx = 5 cm
v = m/s
18.Molas e pêndulosDifícil
0,3 kgk = 460 N/mA = 12 cm

Uma massa de 0,3 kg presa a uma mola com k = 460 N/m é deslocada 12 cm da posição de equilíbrio e solta. Calcule sua velocidade máxima vmax.

m = 0,3 kgk = 460 N/mA = 12 cm
vmax = m/s
19.Vibrações mecânicasMédia
k = 10 kN/mc = 40 N·s/mm = 20 kg

Uma massa de 20 kg é sustentada por uma mola com rigidez de 10 kN/m e por um amortecedor viscoso com coeficiente de amortecimento de 40 N·s/m. Encontre o fator de amortecimento ζ.

m = 20 kgk = 10 kN/mc = 40 N·s/m
ζ =
20.Vibrações mecânicasDifícil
k1​ = 80k2​ = 10m = 20 kg

Uma massa de 20 kg está pendurada em duas molas ligadas uma após a outra (em série): a mola superior tem k₁ = 80 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 = 20 kgk1 = 80 kN/mk2 = 10 kN/m
fn = Hz

3Soluções

1.Cinemática

Resposta: t = 2,5 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.

Unidades

v₀ = 54/3,6 = 15 m/s

Tempo de frenagem

0 = v₀ − a·t → t = v₀/a = 15/6 = 2,5 s

Resposta

t = 2,5 s
2.Cinemática

Resposta: t = 0,4167 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.

Instante do encontro

Para cima é positivo, o chão é y = 0.

10 − ½g·t² = 24·t − ½g·t² → t = 10/24 = 0,4167 s

Resposta

t = 0,4167 s
3.Leis de Newton

Resposta: F = 230,2 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.

Forças ao longo do plano

Velocidade constante: as forças se equilibram.

F = m·g·sin θ + μ·m·g·cos θ

Força de empurrão

F = 196,2 + 33,98 = 230,2 N

Resposta

F = 230,2 N
4.Leis de Newton

Resposta: T = 34,81 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.

Forças ao longo do fio

m₂·g = 44,15 N
m₁·g·sin θ = 15,1 N
μ·m₁·g·cos θ = 10,37 N

Aceleração do sistema

a = (44,15 − 15,1 − 10,37)/9 = 2,075 m/s²

Tração pela massa pendurada

m2·g − T = m2·a → T = 4,5·(9,81 − 2,075) = 34,81 N

Resposta

T = 34,81 N
5.Movimento de projéteis

Resposta: t = 1,723 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

A velocidade horizontal é constante; o movimento vertical tem aceleração constante g = 9,81 m/s² para baixo.

vx = v0·cos θ = 20·cos 25° = 18,13 m/s
vy = v0·sin θ = 20·sin 25° = 8,452 m/s

Tempo no ar

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

t = 2·8,452/9,81 = 1,723 s

Resposta

t = 1,723 s
6.Movimento de projéteis

Resposta: t = 5,872 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

A velocidade horizontal é constante; o movimento vertical tem aceleração constante g = 9,81 m/s² para baixo.

vx = v0·cos θ = 31·cos 55° = 17,78 m/s
vy = v0·sin θ = 31·sin 55° = 25,39 m/s

Tempo no ar

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

0 = 20 + 25,39·t − 4,905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (25,39 + √(644,8 + 392,4))/9,81 = 5,872 s

Resposta

t = 5,872 s
7.Movimento circular

Resposta: v = 3,534 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.

Raio do círculo

r = L·sin θ = 1,8·sin 45° = 1,273 m

Velocidade

Tração e gravidade juntas dão a força para dentro: tan θ = v²/(r·g).

v = √(r·g·tan θ) = √(1,273·9,81·tan 45°) = 3,534 m/s

Resposta

v = 3,534 m/s
8.Movimento circular

Resposta: T = 25,52 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 = 0,6·9,81 + 0,6·6²/1,1 = 5,886 + 19,64 = 25,52 N

Resposta

T = 25,52 N
9.Trabalho e energia

Resposta: v = 6,881 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 = √(2·9,81·10·(0,4226 − 0,2·0,9063)) = 6,881 m/s

Resposta

v = 6,881 m/s
10.Trabalho e energia

Resposta: v = 5,147 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).

Energia liberada e perdida

m₂g·d = 58,86·2,5 = 147,2 J
μ·m₁g·d = 0,15·39,24·2,5 = 14,71 J

Energia cinética dos dois blocos

½(m₁ + m₂)v² = 132,4 → v = √(2·132,4/10) = 5,147 m/s

Resposta

v = 5,147 m/s
11.Quantidade de movimento e colisões

Resposta: v′1 = −1,714 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 = (2 − 5)/(2 + 5)·4 = −1,714 m/s
v′2 = 2·2/(2 + 5)·4 = 2,286 m/s

Resposta

v′1 = −1,714 m/s

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

12.Quantidade de movimento e colisões

Resposta: Favg = 136 N

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 = 0,4·(5 + 12) = 6,8 N·s

Força média

Favg = J/Δt = 6,8/0,05 = 136 N

Resposta

Favg = 136 N
13.Rotação de corpo rígido

Resposta: T = 47,14 N

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) = 10·9,81/(10 + 9,25) = 5,096 m/s²

Tração

T = m·(g − a) = 10·(9,81 − 5,096) = 47,14 N

Resposta

T = 47,14 N
14.Rotação de corpo rígido

Resposta: ω = 0,8841 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.

Momento de inércia após o impacto

I = M·L²/3 + m·d² = 4·1,8²/3 + 0,01·1,37² = 4,339 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 = 0,01·280·1,37/4,339 = 0,8841 rad/s

Resposta

ω = 0,8841 rad/s
15.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: P = 0,9048 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 = 3,77 m/s

Potência

P = (400 − 160)·3,77 = 904,8 W = 0,9048 kW

Resposta

P = 0,9048 kW
16.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: nout = 240 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 = 1500·32/50 = 960 rpm = nC

Segundo estágio

nout = 960·15/60 = 240 rpm

Resposta

nout = 240 rpm

relação total = 6,25 : 1

17.Molas e pêndulos

Resposta: v = 0,9336 m/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 = √(230/3,8) = 7,78 rad/s

Velocidade em x

v = ω·√(A² − x²) = 7,78·√(0,13² − 0,05²) = 0,9336 m/s

Resposta

v = 0,9336 m/s
18.Molas e pêndulos

Resposta: vmax = 4,699 m/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 = √(460/0,3) = 39,16 rad/s

Velocidade máxima

vmax = A·ω = 0,12·39,16 = 4,699 m/s

Resposta

vmax = 4,699 m/s
19.Vibrações mecânicas

Resposta: ζ = 0,04472

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·√(10000·20) = 894,4 N·s/m

Fator de amortecimento

ζ = c/cc = 40/894,4 = 0,04472

Resposta

ζ = 0,04472

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

20.Vibrações mecânicas

Resposta: fn = 3,355 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 = 1/80 + 1/10 → keq = 80·10/(80 + 10) = 8,889 kN/m

Frequência natural

ωn = √(8889/20) = 21,08 rad/s
fn = 21,08/(2π) = 3,355 Hz

Resposta

fn = 3,355 Hz

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