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​ = 80 mmd2​ = 200 mm960 rpmn2​ = ?

Uma polia de 80 mm a 960 rpm aciona uma polia de 200 mm por uma correia com 2 % de escorregamento. Encontre a velocidade n2 da polia movida.

n1 = 960 rpmd1 = 80 mmd2 = 200 mms = 2 %
n2 = rpm
2.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
d1​ = 100 mmd2​ = 200 mm2880 rpmC = 800 mmθ = ?

Uma correia aberta liga uma polia de 100 mm e uma polia de 200 mm cujos centros estão a 800 mm de distância. Encontre o ângulo de abraçamento θ na polia menor, em graus.

d1 = 100 mmd2 = 200 mmC = 800 mm
θ = °
3.Torção de eixosMédia
T = 750 N·md = 40 mmL = 1 mφ = ?

Um eixo maciço de alumínio 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 = 750 N·md = 40 mmL = 1 mG = 26 GPa
φ = °
4.Torção de eixosDifícil
Tdo​ = 75 mm, di​ = 45 mm

Um eixo vazado transmite 20 kW a 300 rpm. Encontre a tensão de cisalhamento máxima τmax no eixo.

P = 20 kWN = 300 rpmdo = 75 mmdi = 45 mm
τmax = MPa
5.Círculo de Mohr e transformação de tensõesMédia
σx​ = −10MPaτxy​ = ?

Um ponto tem σₓ = −10 MPa e σᵧ = 0 MPa. Até que valor a tensão de cisalhamento τxy (em módulo) pode chegar antes que a maior tensão principal atinja 55 MPa?

σx = −10 MPaσy = 0 MPaσ1 = 55 MPa
τxy = MPa
6.Círculo de Mohr e transformação de tensõesDifícil
σx​ = 50σy​ = −50τxy​ = 40MPa

Um ponto de uma peça carregada tem σₓ = 50 MPa, σᵧ = −50 MPa e τₓᵧ = 40 MPa (tração positiva). Calcule a tensão de cisalhamento τθ em um plano cuja normal está girada 20° no sentido anti-horário a partir do eixo x (positiva no mesmo sentido de τₓᵧ).

σx = 50 MPaσy = −50 MPaτxy = 40 MPaθ = 20°
τθ = MPa
7.Tensão e deformação axialMédia
Ø 12 mmLatão3 mP = 95 kN

Encontre o alongamento δ da barra de latão sob a carga axial.

P = 95 kNd = 12 mmL = 3 mE = 100 GPa
δ = mm
8.Tensão e deformação axialDifícil
Ø 25 mmCobre2 mØ 20 mmLatão1 mP = 55 kN

A barra escalonada está engastada na parede e carregada na extremidade livre. Encontre o alongamento total δ.

P = 55 kNtrecho 1: Ø25 mm, 2 m, cobre (E = 117 GPa)trecho 2: Ø20 mm, 1 m, latão (E = 100 GPa)
δ = mm
9.Flambagem de pilaresMédia
PL = 5 m25 × 40 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 = 5 mE = 70 GPa (alumínio)b × h = 25 × 40 mm
Pcr = kN
10.Flambagem de pilaresDifícil
PL = 6 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 = 6 mE = 200 GPa (aço)d = 40 mm
σcr = MPa
11.Vibrações mecânicasMédia
k = 25 kN/mc = 40 N·s/mm = 5 kg

Uma massa de 5 kg é sustentada por uma mola com rigidez de 25 kN/m e por um amortecedor viscoso com coeficiente de amortecimento de 40 N·s/m. Encontre o fator de amortecimento ζ.

m = 5 kgk = 25 kN/mc = 40 N·s/m
ζ =
12.Vibrações mecânicasDifícil
k1​ = 12k2​ = 12k3​ = 30m = 100 kg

Uma massa de 100 kg está pendurada na mola k₃ = 30 kN/m. O topo de k₃ está preso a uma barra rígida que está pendurada em duas molas lado a lado, k₁ = 12 kN/m e k₂ = 12 kN/m; a barra permanece nivelada. Despreze o amortecimento e as massas das molas e da barra. Encontre a frequência natural fn da vibração vertical em Hz.

m = 100 kgk1 = 12 kN/mk2 = 12 kN/mk3 = 30 kN/m
fn = Hz

3Soluções

1.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: n2 = 376,3 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

960·80/200 = 384 rpm

Com escorregamento

n2 = 384·0,98 = 376,3 rpm

Resposta

n2 = 376,3 rpm
2.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: θ = 172,8 °

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(0,0625) = 3,583°

Ângulo de abraçamento

θ = 180 − 2·3,583 = 172,8°

Resposta

θ = 172,8°
3.Torção de eixos

Resposta: φ = 6,576 °

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·40⁴/32 = 251327 mm⁴

Ângulo de torção

φ = TL/(GJ) = 750·1000·1000/(26000·251327) = 0,1148 rad
φ = 0,1148·180/π = 6,576°

Resposta

φ = 6,576°
4.Torção de eixos

Resposta: τmax = 8,83 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·300/60 = 31,42 rad/s
T = P/ω = 20000/31,42 = 636,6 N·m

Momento polar de inércia

J = π(75⁴ − 45⁴)/32 = 2,704 × 10⁶ mm⁴

Tensão de cisalhamento máxima

τmax = T·(do/2)/J = 636620·37,5/2,704 × 10⁶ = 8,83 MPa

Resposta

τmax = 8,83 MPa
5.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: τxy = 59,79 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.

Raio necessário

C = (−10 + 0)/2 = −5 MPa
R = σ1 − C = 55 − (−5) = 60 MPa
στxyCσ1​σ2​

Tensão de cisalhamento

τxy = √(R² − ((σₓ − σᵧ)/2)²) = √(60² − 5²) = 59,79 MPa

Resposta

τxy = 59,79 MPa
6.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: τθ = −1,498 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 = −50·0,6428 + 40·0,766 = −1,498 MPa

Resposta

τθ = −1,498 MPa
7.Tensão e deformação axial

Resposta: δ = 25,2 mm

Lei de Hooke: no regime elástico σ = E·ε. Combinando com σ = P/A e ε = δ/L, obtém-se δ = PL/(AE).

Tensão

A = π·12²/4 = 113,1 mm²
σ = P/A = 95·1000/113,1 = 840 MPa

Deformação (lei de Hooke)

E for latão = 100 GPa = 100000 MPa.

ε = σ/E = 840/100000 = 0,0084 = 8400 µε

Alongamento

δ = ε·L = 0,0084·3000 mm = 25,2 mm

Resposta

δ = 25,2 mm
8.Tensão e deformação axial

Resposta: δ = 3,666 mm

Barras com carga axial: cada trecho prismático obedece a δ = PL/(AE). Para barras em série, os alongamentos se somam.

A mesma força nos dois trechos

A extremidade livre suporta P, então toda seção da barra suporta a mesma força axial P. Só as áreas e os materiais mudam.

A1 = π·25²/4 = 490,9 mm², A2 = π·20²/4 = 314,2 mm²
σ1 = 112 MPa
σ2 = 175,1 MPa

Some os alongamentos dos trechos

δ1 = σ1L1/E1 = 112·2000/117000 = 1,915 mm
δ2 = σ2L2/E2 = 175,1·1000/100000 = 1,751 mm
δ = δ1 + δ2 = 3,666 mm

Resposta

δ = 3,666 mm
9.Flambagem de pilares

Resposta: Pcr = 2,937 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 = 40·25³/12 = 52083 mm⁴

Comprimento efetivo

KL = 0,7·5000 = 3500 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·52083/3500² = 2937 N = 2,937 kN

Resposta

Pcr = 2,937 kN
10.Flambagem de pilares

Resposta: σcr = 21,93 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 = 0,5·6000 = 3000 mm
KL/r = 3000/10 = 300

Tensão crítica

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/300² = 21,93 MPa

Resposta

σcr = 21,93 MPa
11.Vibrações mecânicas

Resposta: ζ = 0,05657

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·√(25000·5) = 707,1 N·s/m

Fator de amortecimento

ζ = c/cc = 40/707,1 = 0,05657

Resposta

ζ = 0,05657

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

12.Vibrações mecânicas

Resposta: fn = 1,838 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

Só k1 e k2 estão em paralelo. Esse par está em série com k3, então combine-os pelos inversos.

k12 = 12 + 12 = 24 kN/m
keq = 24·30/(24 + 30) = 13,33 kN/m

Frequência natural

ωn = √(13333/100) = 11,55 rad/s
fn = 11,55/(2π) = 1,838 Hz

Resposta

fn = 1,838 Hz

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