Projeto de Máquinas: pacote de revisão

Formulários, as principais etapas dos métodos de cada tópico e 12 exercícios, com soluções completas no final.

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1Fórmulas e métodos

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

Torção de eixos

Tensão de cisalhamento
τ = T·r/J
Eixo maciço
J = πd⁴/32
Eixo vazado
J = π(D⁴ − d⁴)/32
Ângulo de torção
φ = TL/(GJ)
Potência
P = T·ω = 2πnT/60

Método

  1. Encontre o momento polar de inércia: J = πd⁴/32 para um eixo maciço.
  2. Tensão de cisalhamento na superfície: τ = T·r/J, com r o raio externo.
  3. Ângulo de torção: φ = TL/(GJ) em radianos.
  4. Se a potência for dada, encontre primeiro o torque com P = T·ω, ω = 2πn/60.

Círculo de Mohr e transformação de tensões

Centro
C = (σx + σy)/2
Raio
R = √(((σx − σy)/2)² + τxy²)
Tensões principais
σ1,2 = C ± R
Direção principal
tan 2θp = 2τxy/(σx − σy)
Plano inclinado
σθ = C + (σx − σy)/2·cos 2θ + τxy·sin 2θ

Método

  1. Calcule o centro do círculo de Mohr: C = (σx + σy)/2.
  2. Calcule o raio: R = √(((σx − σy)/2)² + τxy²).
  3. As tensões principais são C ± R e a maior tensão de cisalhamento no plano é R.
  4. Os ângulos no círculo são o dobro dos ângulos no elemento: tan 2θp = 2τxy/(σx − σy).

Tensão e deformação axial

Tensão normal
σ = F/A
Deformação
ε = ΔL/L
Lei de Hooke
σ = E·ε
Alongamento
ΔL = FL/(EA)
Deformação térmica
εT = α·ΔT

Flambagem de pilares

Carga crítica de Euler
Pcr = π²EI/(KL)²
Fator de comprimento efetivo
K = 1 articulado–articulado, 0,5 engastado–engastado, 0,7 engastado–articulado, 2 engastado–livre
Tensão crítica
σcr = Pcr/A
Esbeltez
λ = KL/r, r = √(I/A)

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.Engrenagens e trens de engrenagensMédia
d1​ = 150 mmd2​ = 300 mm1440 rpmn2​ = ?

Uma polia de 150 mm a 1440 rpm aciona uma polia de 300 mm por uma correia com 3 % de escorregamento. Encontre a velocidade n2 da polia movida.

n1 = 1440 rpmd1 = 150 mmd2 = 300 mms = 3 %
n2 = rpm
2.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
d1​ = 200 mmd2​ = 250 mm1440 rpmC = 600 mmθ = ?

Uma correia aberta liga uma polia de 200 mm e uma polia de 250 mm cujos centros estão a 600 mm de distância. Encontre o ângulo de abraçamento θ na polia menor, em graus.

d1 = 200 mmd2 = 250 mmC = 600 mm
θ = °
3.Torção de eixosMédia
T = 400 N·md = 30 mmL = 3 mφ = ?

Um eixo maciço de latão está engastado na parede e é torcido por um torque T na extremidade livre. Encontre o ângulo de torção φ da extremidade livre, em graus.

T = 400 N·md = 30 mmL = 3 mG = 39 GPa
φ = °
4.Torção de eixosDifícil
Tdo​ = 40 mm, di​ = 20 mm

Um eixo vazado transmite 15 kW a 3000 rpm. Encontre a tensão de cisalhamento máxima τmax no eixo.

P = 15 kWN = 3000 rpmdo = 40 mmdi = 20 mm
τmax = MPa
5.Círculo de Mohr e transformação de tensõesMédia
σx​ = 70σy​ = 30τxy​ = −40MPa

Um ponto de uma placa fina está em estado plano de tensão: σₓ = 70 MPa, σᵧ = 30 MPa e τₓᵧ = −40 MPa, com σz = 0. Encontre a tensão de cisalhamento máxima absoluta τabs no ponto (considerando todos os planos em três dimensões).

σx = 70 MPaσy = 30 MPaτxy = −40 MPaσz = 0
τabs = MPa
6.Círculo de Mohr e transformação de tensõesDifícil
σx​ = 150σy​ = 100τxy​ = 30MPa

Um ponto de uma peça carregada tem σₓ = 150 MPa, σᵧ = 100 MPa e τₓᵧ = 30 MPa (tração positiva). Calcule a tensão de cisalhamento τθ em um plano cuja normal está girada 20° no sentido horário a partir do eixo x (positiva no mesmo sentido de τₓᵧ).

σx = 150 MPaσy = 100 MPaτxy = 30 MPaθ = -20°
τθ = MPa
7.Tensão e deformação axialMédia
150 kNØ30100 GPaØ100/70600 mmδ = ?

Uma haste de aço (diâmetro 30 mm, E = 200 GPa) está dentro de um tubo de latão (diâmetro externo 100 mm, diâmetro interno 70 mm, E = 100 GPa). Ambos têm 600 mm de comprimento e são comprimidos juntos entre placas rígidas por 150 kN. Encontre o encurtamento δ.

P = 150 kNbarra: Ø30 mm, E = 200 GPatubo: Ø100/Ø70 mm, E = 100 GPaL = 600 mm
δ = mm
8.Tensão e deformação axialDifícil
60 kN12600 mm300 mmØ20Ø50σ2​ = ?

Um trecho de aço (diâmetro 20 mm, comprimento 600 mm, E = 200 GPa) e um trecho de cobre (diâmetro 50 mm, comprimento 300 mm, E = 120 GPa) são unidos topo a topo e fixados entre duas paredes rígidas. Uma carga axial de 60 kN atua na junção, no sentido do trecho 2. Encontre o valor da tensão σ2 no trecho 2.

trecho 1: aço, Ø20 mm, 600 mm, E = 200 GPatrecho 2: cobre, Ø50 mm, 300 mm, E = 120 GPaP = 60 kN
σ2 = MPa
9.Flambagem de pilaresMédia
PL = 4 m40 × 100 mmseção transversal

Um pilar de comprimento L feito de alumínio está engastado na base e articulado no topo. Usando a fórmula de Euler, encontre sua carga crítica de flambagem Pcr.

L = 4 mE = 70 GPa (alumínio)b × h = 40 × 100 mm
Pcr = kN
10.Flambagem de pilaresDifícil
PL = 2,5 md = 40 mmseção transversal

Um pilar de comprimento L feito de aço está engastado nas duas extremidades. Encontre sua esbeltez e a tensão crítica de flambagem σcr pela fórmula de Euler.

L = 2,5 mE = 200 GPa (aço)d = 40 mm
σcr = MPa
11.Vibrações mecânicasMédia
k = 5 kN/mc = 270 N·s/mm = 15 kg

Uma massa de 15 kg é sustentada por uma mola com rigidez de 5 kN/m e por um amortecedor viscoso com coeficiente de amortecimento de 270 N·s/m. Encontre o fator de amortecimento ζ.

m = 15 kgk = 5 kN/mc = 270 N·s/m
ζ =
12.Vibrações mecânicasDifícil
k1​ = 20k2​ = 40m = 40 kg

Uma massa de 40 kg está pendurada em duas molas ligadas uma após a outra (em série): a mola superior tem k₁ = 20 kN/m e a inferior k₂ = 40 kN/m. Despreze o amortecimento e as massas das molas. Encontre a frequência natural fn da vibração vertical em Hz.

m = 40 kgk1 = 20 kN/mk2 = 40 kN/m
fn = Hz

3Soluções

1.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: n2 = 698,4 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

1440·150/300 = 720 rpm

Com escorregamento

n2 = 720·0,97 = 698,4 rpm

Resposta

n2 = 698,4 rpm
2.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: θ = 175,2 °

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(0,04167) = 2,388°

Ângulo de abraçamento

θ = 180 − 2·2,388 = 175,2°

Resposta

θ = 175,2°
3.Torção de eixos

Resposta: φ = 22,17 °

Torção de eixos circulares: a tensão de cisalhamento cresce linearmente de zero no centro até τmax = T·r/J na superfície, com J = πd⁴/32 para um eixo maciço e J = π(do⁴ − di⁴)/32 para um vazado. O ângulo de torção é φ = TL/(GJ) em radianos. Potência e torque se relacionam por P = T·ω.

Momento polar de inércia

J = π·30⁴/32 = 79522 mm⁴

Ângulo de torção

φ = TL/(GJ) = 400·1000·3000/(39000·79522) = 0,3869 rad
φ = 0,3869·180/π = 22,17°

Resposta

φ = 22,17°
4.Torção de eixos

Resposta: τmax = 4,053 MPa

Torção de eixos circulares: a tensão de cisalhamento cresce linearmente de zero no centro até τmax = T·r/J na superfície, com J = πd⁴/32 para um eixo maciço e J = π(do⁴ − di⁴)/32 para um vazado. O ângulo de torção é φ = TL/(GJ) em radianos. Potência e torque se relacionam por P = T·ω.

Torque

ω = 2πN/60 = 2π·3000/60 = 314,2 rad/s
T = P/ω = 15000/314,2 = 47,75 N·m

Momento polar de inércia

J = π(40⁴ − 20⁴)/32 = 235619 mm⁴

Tensão de cisalhamento máxima

τmax = T·(do/2)/J = 47746·20/235619 = 4,053 MPa

Resposta

τmax = 4,053 MPa
5.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: τabs = 47,36 MPa

Transformação do estado plano de tensões: em um plano girado de θ, σ = (σₓ + σᵧ)/2 + (σₓ − σᵧ)/2·cos 2θ + τₓᵧ·sin 2θ. O círculo de Mohr mostra todos os planos de uma vez: seu centro está em C = (σₓ + σᵧ)/2 e seu raio é R = √(((σₓ − σᵧ)/2)² + τₓᵧ²). As tensões principais são C ± R, e a maior tensão de cisalhamento no plano é R. Em três dimensões a tensão de cisalhamento máxima absoluta é (σmax − σmin)/2 considerando as três tensões principais; no estado plano de tensão a terceira é zero.

στxyCσ1​σ2​

Tensões principais no plano

C = 50 MPa, R = √(20² + (−40)²) = 44,72 MPa
σ1 = 94,72 MPa, σ2 = 5,279 MPa, σz = 0

O maior dos três círculos

τ = max(|σ1 − σ2|, |σ1|, |σ2|)/2 = max(89,44, 94,72, 5,279)/2 = 47,36 MPa

Resposta

τabs = 47,36 MPa

Aqui o círculo fora do plano governa: o máximo absoluto é maior que o máximo no plano R.

6.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: τθ = 39,05 MPa

Transformação do estado plano de tensões: em um plano girado de θ, σ = (σₓ + σᵧ)/2 + (σₓ − σᵧ)/2·cos 2θ + τₓᵧ·sin 2θ. O círculo de Mohr mostra todos os planos de uma vez: seu centro está em C = (σₓ + σᵧ)/2 e seu raio é R = √(((σₓ − σᵧ)/2)² + τₓᵧ²). As tensões principais são C ± R, e a maior tensão de cisalhamento no plano é R.

Equação de transformação

τθ = −25·−0,6428 + 30·0,766 = 39,05 MPa

Resposta

τθ = 39,05 MPa
7.Tensão e deformação axial

Resposta: δ = 0,1661 mm

Dois materiais: em série (um após o outro), cada trecho suporta a mesma força e os alongamentos se somam: δ = P·Σ L/(E·A). Em paralelo (lado a lado entre placas rígidas), as duas partes encurtam o mesmo tanto, de modo que suas deformações são iguais: a parte mais rígida assume a maior fatia, Pi = P·EiAi/ΣEA, e σi = Ei·ε. Uma barra presa entre duas paredes rígidas com uma carga na junção é estaticamente indeterminada: os dois trechos dividem a carga na proporção da sua rigidez k = EA/L.

Áreas

Ar = π·30²/4 = 706,9 mm²
At = π(100² − 70²)/4 = 4006 mm²

Rigidez axial combinada

ΣEA = 200·10³·706,9 + 100·10³·4006 = 5,419 × 10⁸ N

Encurtamento

δ = 150000·600/5,419 × 10⁸ = 0,1661 mm

Resposta

δ = 0,1661 mm
8.Tensão e deformação axial

Resposta: σ2 = 26,96 MPa

Dois materiais: em série (um após o outro), cada trecho suporta a mesma força e os alongamentos se somam: δ = P·Σ L/(E·A). Em paralelo (lado a lado entre placas rígidas), as duas partes encurtam o mesmo tanto, de modo que suas deformações são iguais: a parte mais rígida assume a maior fatia, Pi = P·EiAi/ΣEA, e σi = Ei·ε. Uma barra presa entre duas paredes rígidas com uma carga na junção é estaticamente indeterminada: os dois trechos dividem a carga na proporção da sua rigidez k = EA/L.

Rigidezes

k₁ = 200000·314,2/600 = 104720 N/mm
k₂ = 120000·1963/300 = 785398 N/mm

Fatia do trecho 2

F2 = 60000·785398/890118 = 52941 N

Tensão

σ2 = 52941/1963 = 26,96 MPa (compressão)

Resposta

σ2 = 26,96 MPa
9.Flambagem de pilares

Resposta: Pcr = 47 kN

Flambagem de Euler: um pilar esbelto fica instável em Pcr = π²EI/(KL)², onde KL é o comprimento efetivo: K = 1 para articulado–articulado, 2 para engastado–livre, 0,7 para engastado–articulado e 0,5 para engastado–engastado. Ele flamba em torno do eixo com o menor I. A fórmula vale para pilares esbeltos, cuja tensão crítica fica abaixo da tensão de escoamento.

Menor momento de inércia

Um retângulo flamba em torno do eixo fraco, usando a menor dimensão ao cubo.

Imin = h·b³/12 = 100·40³/12 = 533333 mm⁴

Comprimento efetivo

KL = 0,7·4000 = 2800 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·533333/2800² = 46998 N = 47 kN

Resposta

Pcr = 47 kN
10.Flambagem de pilares

Resposta: σcr = 126,3 MPa

Flambagem de Euler: um pilar esbelto fica instável em Pcr = π²EI/(KL)², onde KL é o comprimento efetivo: K = 1 para articulado–articulado, 2 para engastado–livre, 0,7 para engastado–articulado e 0,5 para engastado–engastado. Ele flamba em torno do eixo com o menor I. A fórmula vale para pilares esbeltos, cuja tensão crítica fica abaixo da tensão de escoamento.

Menor momento de inércia

Uma seção circular tem o mesmo I em relação a qualquer eixo.

I = πd⁴/64 = π·40⁴/64 = 125664 mm⁴

Raio de giração e esbeltez

A = 1257 mm²
r = √(I/A) = √(125664/1257) = 10 mm
KL = 0,5·2500 = 1250 mm
KL/r = 1250/10 = 125

Tensão crítica

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/125² = 126,3 MPa

Resposta

σcr = 126,3 MPa
11.Vibrações mecânicas

Resposta: ζ = 0,493

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·√(5000·15) = 547,7 N·s/m

Fator de amortecimento

ζ = c/cc = 270/547,7 = 0,493

Resposta

ζ = 0,493

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

12.Vibrações mecânicas

Resposta: fn = 2,906 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 = 1/20 + 1/40 → keq = 20·40/(20 + 40) = 13,33 kN/m

Frequência natural

ωn = √(13333/40) = 18,26 rad/s
fn = 18,26/(2π) = 2,906 Hz

Resposta

fn = 2,906 Hz

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