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)4,63 s27,78

Um carro a 100 km/h freia com desaceleração constante de 6 m/s² até parar. Calcule a distância de frenagem s.

v₀ = 100 km/ha = −6 m/s²v = 0
s = m
2.CinemáticaDifícil
v₀ = 17 m/s40 m

Uma bola é lançada verticalmente para cima a 17 m/s da beira de um telhado a 40 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 = 17 m/sh₀ = 40 mg = 9,81 m/s²
hmax = m
3.Leis de NewtonMédia
θ = 40°a = ?m = 10 kg

Um bloco de 10 kg desliza para baixo em um plano inclinado a 40° da horizontal. O coeficiente de atrito cinético é 0,25. Use g = 9,81 m/s². Calcule a aceleração a do bloco ao longo do plano.

m = 10 kgθ = 40°μ = 0,25g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Leis de NewtonDifícil
θ = 25°blocov₀ = 3,5 m/s

Um bloco recebe um empurrão e começa a subir uma rampa a 25° com velocidade de 3,5 m/s. O coeficiente de atrito cinético é 0,3. Use g = 9,81 m/s². Que distância d ao longo da rampa ele desliza antes de parar?

v₀ = 3,5 m/sθ = 25°μ = 0,3g = 9,81 m/s²
d = m
5.Movimento de projéteisMédia
70 my = ?v0​ = 34 m/s50°

Uma bola é chutada a partir do chão plano a 34 m/s e 50° acima da horizontal em direção a um muro a 70 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 = 34 m/sθ = 50°x = 70 mg = 9,81 m/s²
y = m
6.Movimento de projéteisDifícil
h = 10 mv0​ = 30 m/s60°α = ?

Uma bola é lançada a 30 m/s e 60° acima da horizontal do alto de um penhasco de 10 m. Despreze a resistência do ar e use g = 9,81 m/s². Com que ângulo α abaixo da horizontal ela atinge o chão?

v₀ = 30 m/sθ = 60°h = 10 mg = 9,81 m/s²
α = °
7.Movimento circularMédia
L = 2 m15°

Uma pequena bola presa a um fio de comprimento 2 m se move em um círculo horizontal de modo que o fio forma um ângulo constante de 15° com a vertical (um pêndulo cônico). Use g = 9,81 m/s². Encontre o tempo T de uma volta.

L = 2 mθ = 15°g = 9,81 m/s²
T = s
8.Movimento circularDifícil
θ = 20°para o centrovmin​ = ?

Uma curva de raio 280 m tem sobrelevação de 20°, e o coeficiente de atrito estático entre os pneus e a estrada é 0,25. Use g = 9,81 m/s². Encontre a menor velocidade vmin com que um carro pode fazer a curva sem deslizar para baixo na inclinação.

r = 280 mθ = 20°μs = 0,25g = 9,81 m/s²
vmin = m/s
9.Trabalho e energiaMédia
0,1 kgk = 2000 N/mh = ?

Um lançador de brinquedo tem uma mola vertical de rigidez 2000 N/m. Uma bola de 0,1 kg é colocada sobre ela e a mola é comprimida 4 cm e depois solta. Desprezando a resistência do ar e a massa da mola, encontre a altura h que a bola sobe, medida a partir da sua posição com a mola comprimida.

m = 0,1 kgk = 2000 N/mx = 4 cmg = 9,81 m/s²
h = m
10.Trabalho e energiaDifícil
h = 3,5 mL = 1 mμ = 0,1k = 1000 N/m

Um bloco de 2 kg é solto do repouso na altura 3,5 m em uma rampa lisa. Embaixo ele atravessa uma faixa horizontal áspera de 1 m (μ = 0,1) e depois encontra uma mola (k = 1000 N/m) em uma superfície lisa. Encontre a velocidade v do bloco quando chega à mola.

m = 2 kgh = 3,5 mL = 1 mμ = 0,1k = 1000 N/mg = 9,81 m/s²
v = m/s
11.Quantidade de movimento e colisõesMédia
1,5 kg9 m/s2,5 kg

Um carrinho de 1,5 kg a 9 m/s sofre uma colisão frontal perfeitamente elástica com um carrinho de 2,5 kg em repouso em um trilho sem atrito. Calcule a velocidade v′2 do segundo carrinho após a colisão.

m1 = 1,5 kgm2 = 2,5 kgv1 = 9 m/sv2 = 0
v′2 = m/s
12.Quantidade de movimento e colisõesDifícil
1100 kg9 m/s900 kg16 m/sθ = ?

Em um cruzamento, um carro de 1100 kg que vai para leste a 9 m/s colide com um carro de 900 kg que vai para norte a 16 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 = 1100 kgv1 = 9 m/s (E)m2 = 900 kgv2 = 16 m/s (N)
θ = °
13.Rotação de corpo rígidoMédia
L = 1,7 mm = 2,5 kgα

Uma barra esbelta uniforme de massa 2,5 kg e comprimento 1,7 m está articulada em uma extremidade e mantida na horizontal. Ela é solta a partir do repouso. Use g = 9,81 m/s². Encontre a sua aceleração angular α logo após ser solta.

m = 2,5 kgL = 1,7 mg = 9,81 m/s²
α = rad/s²
14.Rotação de corpo rígidoDifícil
600 m/s30 g1,38 mL = 1,7 m7 kgφ

Uma barra esbelta uniforme de massa 7 kg e comprimento 1,7 m pende em repouso de um pivô sem atrito na sua extremidade superior. Um projétil de 30 g que se move horizontalmente a 600 m/s atinge a barra 1,38 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 = 7 kgL = 1,7 mm = 30 gv = 600 m/sd = 1,38 mg = 9,81 m/s²
φ = °
15.Engrenagens e trens de engrenagensMédia
d1​ = 150 mmd2​ = 450 mm720 rpmn2​ = ?

Uma polia de 150 mm a 720 rpm aciona uma polia de 450 mm por uma correia com 4 % de escorregamento. Encontre a velocidade n2 da polia movida.

n1 = 720 rpmd1 = 150 mmd2 = 450 mms = 4 %
n2 = rpm
16.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
A = 45B = 80C = 15D = 72

Em um trem de engrenagens composto, a engrenagem A (45 dentes), no eixo de entrada girando a 2900 rpm, aciona a engrenagem B (80 dentes). A engrenagem C (15 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 = 45B = 80C = 15D = 72
nout = rpm
17.Molas e pêndulosMédia
L = ?

Qual deve ser o comprimento de um pêndulo simples para ter período de 1,8 s? Use g = 9,81 m/s². Calcule L.

T = 1,8 sg = 9,81 m/s²
L = m
18.Molas e pêndulosDifícil
1,4 kgk = 160 N/m

Uma massa de 1,4 kg é presa à extremidade inferior de uma mola vertical não deformada com k = 160 N/m e solta do repouso. Use g = 9,81 m/s². Encontre a maior velocidade vmax da massa.

m = 1,4 kgk = 160 N/mg = 9,81 m/s²
vmax = m/s
19.Vibrações mecânicasMédia
k = 4 kN/mζ = 0,35m = 20 kg

Uma massa de 20 kg sobre uma mola com rigidez de 4 kN/m tem um amortecedor viscoso que dá um fator de amortecimento de 0,35. Encontre a frequência natural amortecida fd da sua vibração livre em Hz.

m = 20 kgk = 4 kN/mζ = 0,35
fd = Hz
20.Vibrações mecânicasDifícil
k1​ = 80k2​ = 5m = 100 kg

Uma massa de 100 kg está pendurada em duas molas lado a lado (em paralelo), com rigidezes k₁ = 80 kN/m e k₂ = 5 kN/m. A massa permanece nivelada. Encontre a rigidez equivalente keq do sistema de molas em kN/m.

m = 100 kgk1 = 80 kN/mk2 = 5 kN/m
keq = kN/m

3Soluções

1.Cinemática

Resposta: s = 64,3 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 = 100/3,6 = 27,78 m/s

Distância de frenagem

0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 27,78²/(2·6) = 64,3 m

Resposta

s = 64,3 m
2.Cinemática

Resposta: hmax = 54,73 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 = 17²/(2·9,81) = 14,73 m

Altura em relação ao chão

hmax = 40 + 14,73 = 54,73 m

Resposta

hmax = 54,73 m
3.Leis de Newton

Resposta: a = 4,427 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° − 0,25·cos 40°) = 9,81·(0,6428 − 0,1915) = 4,427 m/s²

Resposta

a = 4,427 m/s²
4.Leis de Newton

Resposta: d = 0,899 m

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

As duas forças apontam rampa abaixo; a massa se cancela.

a = 9,81·(sin 25° + 0,3·cos 25°) = 6,813 m/s²

Distância

d = v₀²/(2a) = 3,5²/(2·6,813) = 0,899 m

Resposta

d = 0,899 m
5.Movimento de projéteis

Resposta: y = 33,1 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 = 34·cos 50° = 21,85 m/s
t = x/vx = 70/21,85 = 3,203 s

Altura nesse instante

y = 26,05·3,203 − ½·9,81·3,203² = 33,1 m

Resposta

y = 33,1 m

No muro a bola já está descendo.

6.Movimento de projéteis

Resposta: α = 63,06 °

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 = 30·cos 60° = 15 m/s
vy0 = 30·sin 60° = 25,98 m/s

Velocidade vertical no impacto

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

vy = √(25,98² + 2·9,81·10) = 29,52 m/s

Ângulo de impacto

tan α = vy/vx = 29,52/15 → α = 63,06°

Resposta

α = 63,06°
7.Movimento circular

Resposta: T = 2,788 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 = 2·sin 15° = 0,5176 m

Velocidade

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

v = √(r·g·tan θ) = √(0,5176·9,81·tan 15°) = 1,166 m/s

Período

T = 2π·r/v = 2π·0,5176/1,166 = 2,788 s

Resposta

T = 2,788 s
8.Movimento circular

Resposta: vmin = 16,94 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 cima na inclinação.

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

Velocidade

v = √(280·9,81·0,1071/1,025) = 16,94 m/s

Resposta

vmin = 16,94 m/s
(60,98 km/h)
9.Trabalho e energia

Resposta: h = 1,631 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 = 4 cm = 0,04 m
½kx² = ½·2000·0,04² = 1,6 J

Altura

m·g = 0,1·9,81 = 0,981 N
h = ½kx²/(mg) = 1,6/0,981 = 1,631 m

Resposta

h = 1,631 m
10.Trabalho e energia

Resposta: v = 8,167 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 restante depois da faixa áspera

A rampa é lisa, então só a faixa remove energia.

mgh − μmgL = 19,62·(3,5 − 0,1·1) = 66,71 J

Velocidade na mola

½mv² = mg(h − μL) → v = √(2g(h − μL)) = √(2·9,81·3,4) = 8,167 m/s

Resposta

v = 8,167 m/s
11.Quantidade de movimento e colisões

Resposta: v′2 = 6,75 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 = (1,5 − 2,5)/(1,5 + 2,5)·9 = −2,25 m/s
v′2 = 2·1,5/(1,5 + 2,5)·9 = 6,75 m/s

Resposta

v′2 = 6,75 m/s
12.Quantidade de movimento e colisões

Resposta: θ = 55,49 °

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 = 1100·9 = 9900 kg·m/s
py = 900·16 = 14400 kg·m/s

Direção

tan θ = py/px = 1,455 → θ = 55,49°

Resposta

θ = 55,49°
13.Rotação de corpo rígido

Resposta: α = 8,656 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.

Momentos em relação ao pino

No instante em que é solta, ω = 0, então não há aceleração centrípeta e o centro acelera diretamente para baixo.

m·g·L/2 = (m·L²/3)·α → α = 3g/(2L) = 3·9,81/(2·1,7) = 8,656 rad/s²

Resposta

α = 8,656 rad/s²
14.Rotação de corpo rígido

Resposta: φ = 76,81 °

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 = 7·1,7²/3 + 0,03·1,38² = 6,8 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 = 0,03·600·1,38/6,8 = 3,653 rad/s

Energia durante a oscilação

½·I·ω² = ½·6,8·3,653² = 45,37 J
(M·g·L/2 + m·g·d)·(1 − cos φ) = 58,78·(1 − cos φ)
cos φ = 1 − 45,37/58,78 = 0,2281 → φ = 76,81°

Resposta

φ = 76,81°
15.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: n2 = 230,4 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

720·150/450 = 240 rpm

Com escorregamento

n2 = 240·0,96 = 230,4 rpm

Resposta

n2 = 230,4 rpm
16.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: nout = 339,8 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 = 2900·45/80 = 1631 rpm = nC

Segundo estágio

nout = 1631·15/72 = 339,8 rpm

Resposta

nout = 339,8 rpm

relação total = 8,533 : 1

17.Molas e pêndulos

Resposta: L = 0,8051 m

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.

Isole o comprimento

L = g·(T/2π)² = 9,81·(1,8/2π)² = 0,8051 m

Resposta

L = 0,8051 m
18.Molas e pêndulos

Resposta: vmax = 0,9176 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.

Equilíbrio e amplitude

x₀ = m·g/k = 1,4·9,81/160 = 0,08584 m = A

Maior velocidade

A velocidade é máxima no equilíbrio.

ω = √(160/1,4) = 10,69 rad/s
vmax = A·ω = 0,08584·10,69 = 0,9176 m/s

Resposta

vmax = 0,9176 m/s
19.Vibrações mecânicas

Resposta: fd = 2,108 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 = √(4000/20) = 14,14 rad/s
fn = 14,14/(2π) = 2,251 Hz

Frequência natural amortecida

fd = fn·√(1 − ζ²) = 2,251·√(1 − 0,35²) = 2,108 Hz

Resposta

fd = 2,108 Hz
20.Vibrações mecânicas

Resposta: keq = 85 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 lado a lado compartilham a deflexão e somam suas forças, então suas rigidezes simplesmente se somam: k = k1 + k2.

keq = 80 + 5 = 85 kN/m

Resposta

keq = 85 kN/m

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