Estática: 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

Vetores: produto escalar e vetorial

Módulo
|a| = √(ax² + ay² + az²)
Vetor unitário
û = a/|a|
Componentes a partir de um ângulo
Fx = F·cos θ, Fy = F·sin θ
Produto escalar
a·b = axbx + ayby + azbz = |a||b|cos θ
Projeção escalar de a sobre b
a·b/|b|
Trabalho
W = F·d
Produto vetorial
a × b = (aybz − azby, azbx − axbz, axby − aybx)
Áreas
paralelogramo |a × b|, triângulo ½|a × b|
Momento em relação a O
MO = r × F, r = A − O
Volume de um paralelepípedo
V = |a·(b × c)|

Método

  1. Escreva todo vetor em componentes; para uma força dada por um módulo e um ângulo, use F·cos θ e F·sin θ.
  2. Para comprimentos e direções use o módulo √(x² + y² + z²) e o vetor unitário a/|a|.
  3. Use o produto escalar para ângulos, projeções, perpendicularidade e trabalho: a·b = |a||b|cos θ.
  4. Use o produto vetorial para vetores perpendiculares, áreas e momentos: escreva as três componentes com cuidado, mantendo a ordem a × b.

Reações de apoio em vigas

Equilíbrio
ΣFx = 0, ΣFy = 0, ΣM = 0
Carga uniforme
resultante w·L no meio da carga
Momento
M = F·d

Método

  1. Desenhe um diagrama de corpo livre e substitua cada apoio por suas reações.
  2. Substitua cada carga distribuída por uma única força no seu centroide.
  3. Tome momentos em relação a um apoio para encontrar a reação no outro.
  4. Use ΣFy = 0 para encontrar a reação restante e confira com uma segunda equação de momentos.

Treliça: método dos nós

Método dos nós
ΣFx = 0, ΣFy = 0 at each joint
Método das seções
ΣM = 0 about a cut point
Esforço na barra
positivo = tração, negativo = compressão

Método

  1. Encontre as reações de apoio da treliça inteira.
  2. Método dos nós: comece em um nó com no máximo duas forças de barra desconhecidas e use ΣFx = 0 e ΣFy = 0.
  3. Método das seções: corte a barra de que você precisa e tome momentos em relação a um ponto onde as outras barras desconhecidas se encontram.
  4. Suponha tração; uma resposta negativa significa compressão.

Pórticos e máquinas

Equilíbrio de cada membro
ΣFx = 0, ΣFy = 0, ΣM = 0
Membro de duas forças
força ao longo da reta que passa pelos seus dois pinos
Força no pino
iguais e opostas nos dois membros que ele liga
Módulo de uma força no pino
F = √(Fx² + Fy²)
Alavanca, alicate, alavanca angular
Fin·a = Fout·b
Articulação de joelho
Flink = F/(2 sin θ), Q = F/(2 tan θ)
Carga uniforme
resultante w·L no meio da carga

Método

  1. Desenhe a estrutura inteira e encontre as reações de apoio se houver no máximo três incógnitas.
  2. Identifique os membros de duas forças: carregados apenas em dois pinos, sua força atua ao longo da reta entre os pinos.
  3. Desmonte o pórtico e desenhe cada membro separadamente, com forças nos pinos iguais e opostas onde os membros se encontram.
  4. Para cada membro, tome momentos em torno de um pino com forças desconhecidas e use depois ΣFx = 0 e ΣFy = 0; combine as componentes em um módulo só no final.

Esforço cortante e momento fletor

Cortante e momento
V = ΣF de um lado, M = ΣF·d de um lado
Tensão de flexão
σ = M·y/I
Retângulo
I = bh³/12
Módulo de resistência
W = I/ymax
Viga biapoiada, carga uniforme
Mmax = wL²/8

Método

  1. Encontre as reações de apoio pelo equilíbrio da viga inteira.
  2. Corte a viga na seção de que você precisa e fique com um dos lados.
  3. Esforço cortante: soma das forças verticais daquele lado. Momento fletor: soma dos momentos dessas forças em relação ao corte.
  4. Para o momento máximo, encontre onde o esforço cortante é zero.

Centroide e momento de inércia

Centroide
ȳ = ΣAiyi/ΣAi
Retângulo
I = bh³/12
Teorema dos eixos paralelos
I = Ic + A·d²
Seção composta
I = Σ(Ic,i + Aidi²)

2Exercícios

1.Vetores: produto escalar e vetorialMédia
xyzdFAB

Uma força constante F = (0, 20, −25) N atua sobre um objeto enquanto ele se move em linha reta do ponto A(−5, 4, −4) ao ponto B(−5, 1, −3). As coordenadas estão em metros. Encontre o trabalho W realizado pela força.

F = (0, 20, −25) NA(−5, 4, −4) mB(−5, 1, −3) m
W = J
2.Vetores: produto escalar e vetorialDifícil
xyzabc

Encontre o volume V do paralelepípedo cujas arestas a partir de um vértice são a = (3, 3, −1), b = (4, 0, −1) e c = (5, 4, 1).

a = (3, 3, −1)b = (4, 0, −1)c = (5, 4, 1)
V =
3.Reações de apoio em vigasMédia
P1​ = 30 kNP2​ = 35 kNABRA​ = ?RB​1,5 m1 m1,5 m

A viga simplesmente apoiada tem um apoio fixo em A e um apoio móvel em B. Encontre a reação vertical de apoio RA.

L = 4 mP1 = 30 kN em 1,5 mP2 = 35 kN em 2,5 m
RA = kN
4.Reações de apoio em vigasDifícil
P = 30 kN, 60°Q = 80 kNABRA​ = ?3 m1,5 m1,5 m

A viga simplesmente apoiada tem um apoio fixo em A e um apoio móvel em B. Uma carga P atua a 4,5 m de A, inclinada a 60° em relação à horizontal, e uma carga vertical Q atua a 3 m de A. Encontre o módulo da força de reação total RA no apoio fixo A.

L = 6 mP = 30 kN em 4,5 m, θ = 60°Q = 80 kN em 3 m
RA = kN
5.Treliça: método dos nósMédia
ABCDEFGH30 kN10 kN15 kN4 × 3 m4 m

Exatamente um membro desta treliça não suporta força sob estas cargas. Qual é o membro de força nula? Clique nele no diagrama.

B: 30 kN ↓F: 10 kN ↓H: 15 kN ↓
  1. 1membro AB
  2. 2membro BC
  3. 3membro CD
  4. 4membro DE
  5. 5membro FG
  6. 6membro GH
  7. 7membro AF
  8. 8membro HE
  9. 9membro BF
  10. 10membro CG
  11. 11membro DH
  12. 12membro BG
  13. 13membro DG
6.Treliça: método dos nósDifícil
ABCDEFGH40 kN30 kN20 kN4 × 4 m3 m

Exatamente um membro desta treliça não suporta força sob estas cargas. Qual é o membro de força nula? Clique nele no diagrama.

B: 40 kN ↓D: 30 kN ↓F: 20 kN →
  1. 1membro AB
  2. 2membro BC
  3. 3membro CD
  4. 4membro DE
  5. 5membro FG
  6. 6membro GH
  7. 7membro AF
  8. 8membro HE
  9. 9membro BF
  10. 10membro CG
  11. 11membro DH
  12. 12membro BG
  13. 13membro DG
7.Pórticos e máquinasMédia
8 kN4 m0,6 m1,8 m0,8 mABCDEK

O pórtico em A mostrado está apoiado em um pino em A e em um rolete em B, a 4 m de distância, com o pino do vértice C a 2,4 m de altura e o tirante horizontal DE a 0,6 m acima do solo. Uma carga vertical de 8 kN atua na perna AC em K, a 0,8 m (na horizontal) de A. Encontre a tração T no tirante.

P = 8 kNAB = 4 maltura de C = 2,4 maltura de DE = 0,6 mdistância horizontal de A a K = 0,8 m
T = kN
8.Pórticos e máquinasDifícil
15 kN4,8 m1 m1 m1,8 mABCDEK

O pórtico em A mostrado está apoiado em um pino em A e em um rolete em B, a 4,8 m de distância, com o pino do vértice C a 2 m de altura e o tirante horizontal DE a 1 m acima do solo. Uma carga vertical de 15 kN atua na perna AC em K, a 1,8 m (na horizontal) de A. Encontre o módulo da força C que o pino C exerce sobre a perna BC.

P = 15 kNAB = 4,8 maltura de C = 2 maltura de DE = 1 mdistância horizontal de A a K = 1,8 m
C = kN
9.Esforço cortante e momento fletorMédia
P1​ = 50 kNP2​ = 45 kNAB1,5 m0,5 m2 m

A viga simplesmente apoiada suporta duas cargas concentradas. Encontre o momento fletor máximo Mmax na viga.

L = 4 mP1 = 50 kN em 1,5 mP2 = 45 kN em 2 m
Mmax = kN·m
10.Esforço cortante e momento fletorDifícil
w = 4 kN/mP = 10 kNAB7 m1 m

A viga simplesmente apoiada suporta uma carga uniformemente distribuída w em todo o vão e uma carga concentrada P. Encontre o momento fletor máximo Mmax na viga.

L = 8 mP = 10 kN em 7 mw = 4 kN/m de 0 a 8 m
Mmax = kN·m
11.Centroide e momento de inérciaMédia
120101208xdimensões em mm

Encontre o momento de inércia Ix da seção T em relação ao eixo horizontal x pelo seu centroide.

bf = 120 mmtf = 10 mmtw = 8 mmhw = 120 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
12.Centroide e momento de inérciaDifícil
260152608xM = 50 kN·mdimensões em mm

A seção T é usada como viga com a mesa em cima e suporta um momento fletor positivo de 50 kN·m. Encontre a tensão de flexão σbase na borda inferior.

bf = 260 mmtf = 15 mmtw = 8 mmhw = 260 mmM = 50 kN·m
σbase = MPa

3Soluções

1.Vetores: produto escalar e vetorial

Resposta: W = −85 J

Dot product: a·b = axbx + ayby + azbz = |a|·|b|·cos θ, a scalar. It gives the angle between two vectors, cos θ = a·b/(|a|·|b|), and it is zero when they are perpendicular. The scalar projection of a onto b is a·b/|b|, and a constant force F moving through a displacement d does work W = F·d.

Deslocamento

d = B − A = (−5, 1, −3) − (−5, 4, −4) = (0, −3, 1) m

Trabalho

W = F·d = 0·0 + 20·(−3) + (−25)·1 = −85 J

Resposta

W = −85 J

Trabalho negativo: a força atua principalmente contra o movimento.

2.Vetores: produto escalar e vetorial

Resposta: V = 31

Cross product: a × b = (aybz − azby, azbx − axbz, axby − aybx) is perpendicular to both vectors, and |a × b| = |a|·|b|·sin θ is the area of the parallelogram they span (the triangle has half of it). Order matters: b × a = −(a × b). The moment of a force F applied at point A about point O is MO = r × F, with r = A − O.

Produto vetorial b × c

(b × c)x = bycz − bzcy = 0·1 − (−1)·4 = 4
(b × c)y = bzcx − bxcz = (−1)·5 − 4·1 = −9
(b × c)z = bxcy − bycx = 4·4 − 0·5 = 16

Produto escalar com a

a·(b × c) = 3·4 + 3·(−9) + (−1)·16 = −31
V = |−31| = 31

Resposta

V = 31
3.Reações de apoio em vigas

Resposta: RA = 31,88 kN

Equilíbrio estático: um corpo em repouso tem ΣFx = 0, ΣFy = 0 e ΣM = 0 em relação a qualquer ponto. Tomar momentos em relação a um apoio elimina a reação desse apoio da equação.

P1​ = 30 kNP2​ = 35 kNABRA​RB​1,5 m1 m1,5 m

Diagrama de corpo livre

Substitua os apoios por forças de reação. Um apoio móvel dá uma reação vertical; com apenas cargas verticais, o apoio fixo também dá uma reação vertical.

Equilíbrio

Momentos em relação a A, positivos no sentido anti-horário. Depois o equilíbrio das forças verticais.

ΣMA = 0: RB·4 = 30·1,5 + 35·2,5
RB = 132,5/4 = 33,13 kN
ΣFy = 0: RA = 65 − 33,13 = 31,88 kN

Resposta

RA = 31,88 kN
4.Reações de apoio em vigas

Resposta: RA = 48,85 kN

Equilíbrio estático: um corpo em repouso tem ΣFx = 0, ΣFy = 0 e ΣM = 0 em relação a qualquer ponto. Substitua cada carga distribuída pela sua resultante (a sua área) atuando no centroide do diagrama de carga, e tome momentos em relação a um apoio para eliminar a reação desse apoio da equação.

Componentes de P

Pv = 30·sin 60° = 25,98 kN
Ph = 30·cos 60° = 15 kN

Reações

ΣMA = 0: RB·6 = 25,98·4,5 + 80·3 → RB = 59,49 kN
Ay = 25,98 + 80 − 59,49 = 46,5 kN
Ax = Ph = 15 kN

Resultante em A

RA = √(15² + 46,5²) = 48,85 kN

Resposta

RA = 48,85 kN
5.Treliça: método dos nós

Resposta: membro CG

Membros de força nula: em um nó, as forças devem se equilibrar em todas as direções. Se um nó não tem carga nem apoio, e dois de seus três membros estão alinhados, então o equilíbrio na direção perpendicular a essa linha envolve apenas o terceiro membro, e portanto sua força é zero. Se apenas dois membros se encontram em um nó sem carga e não estão alinhados, ambos são nulos.

Nó C

BC e CD estão em uma mesma reta e o nó não tem carga. Equilibrar as forças na direção perpendicular a essa reta deixa apenas CG.

ΣF⊥ = 0 → FCG = 0

Verifique com o método dos nós

Resolver todos os nós dá estas forças nos membros (T = tração, C = compressão).

AB: 25,31 kN (T), BC: 20,63 kN (T), CD: 20,63 kN (T), DE: 15,94 kN (T), FG: 25,31 kN (C), GH: 15,94 kN (C), AF: 42,19 kN (C), HE: 26,56 kN (C), BF: 23,75 kN (T), CG: 0, DH: 6,25 kN (T), BG: 7,812 kN (T), DG: 7,812 kN (C)

Resposta

Membro de força nula: CG
6.Treliça: método dos nós

Resposta: membro CG

Membros de força nula: em um nó, as forças devem se equilibrar em todas as direções. Se um nó não tem carga nem apoio, e dois de seus três membros estão alinhados, então o equilíbrio na direção perpendicular a essa linha envolve apenas o terceiro membro, e portanto sua força é zero. Se apenas dois membros se encontram em um nó sem carga e não estão alinhados, ambos são nulos.

Nó C

BC e CD estão em uma mesma reta e o nó não tem carga. Equilibrar as forças na direção perpendicular a essa reta deixa apenas CG.

ΣF⊥ = 0 → FCG = 0

Verifique com o método dos nós

Resolver todos os nós dá estas forças nos membros (T = tração, C = compressão).

AB: 65 kN (T), BC: 56,67 kN (T), CD: 56,67 kN (T), DE: 48,33 kN (T), FG: 65 kN (C), GH: 48,33 kN (C), AF: 56,25 kN (C), HE: 60,42 kN (C), BF: 33,75 kN (T), CG: 0, DH: 36,25 kN (T), BG: 10,42 kN (T), DG: 10,42 kN (C)

Resposta

Membro de força nula: CG
7.Pórticos e máquinas

Resposta: T = 1,778 kN

Pórticos e máquinas: ao contrário de uma treliça, um pórtico contém pelo menos um membro que suporta forças em mais de dois pontos, ou uma carga entre seus pinos. Procure primeiro os membros de duas forças: um membro carregado apenas em dois pinos tem sua força ao longo da reta que passa por eles, de modo que traz uma incógnita, e não duas. Depois use a estrutura inteira para as reações de apoio quando houver no máximo três incógnitas. Por fim, desmonte o pórtico: desenhe cada membro separadamente, com as forças nos pinos iguais e opostas nos dois membros que eles ligam, e escreva ΣFx = 0, ΣFy = 0 e ΣM = 0 para ele. Tomar momentos em torno de um pino elimina da equação as duas componentes da força desse pino.

Pórtico inteiro: momentos em torno de A

By = 8·0,8/4 = 1,6 kN

Perna BC: momentos em torno de C

1,6·2 = T·1,8
T = 1,778 kN

Resposta

T = 1,778 kN
8.Pórticos e máquinas

Resposta: C = 14,62 kN

Pórticos e máquinas: ao contrário de uma treliça, um pórtico contém pelo menos um membro que suporta forças em mais de dois pontos, ou uma carga entre seus pinos. Procure primeiro os membros de duas forças: um membro carregado apenas em dois pinos tem sua força ao longo da reta que passa por eles, de modo que traz uma incógnita, e não duas. Depois use a estrutura inteira para as reações de apoio quando houver no máximo três incógnitas. Por fim, desmonte o pórtico: desenhe cada membro separadamente, com as forças nos pinos iguais e opostas nos dois membros que eles ligam, e escreva ΣFx = 0, ΣFy = 0 e ΣM = 0 para ele. Tomar momentos em torno de um pino elimina da equação as duas componentes da força desse pino.

Reação de apoio em B

By = 15·1,8/4,8 = 5,625 kN

Força no tirante

T = 5,625·2,4/1 = 13,5 kN

Força no pino sobre BC

Cx = 13,5 kN, Cy = −5,625 kN
C = √(13,5² + 5,625²) = 14,62 kN

Resposta

C = 14,62 kN
9.Esforço cortante e momento fletor

Resposta: Mmax = 82,5 kN·m

Método das seções: corte a viga onde você quer os esforços internos e fique com um lado. O esforço cortante V equilibra as forças verticais desse lado, e o momento fletor M equilibra os momentos delas em relação ao corte. Momento máximo: como dM/dx = V, o momento fletor atinge seu pico onde o esforço cortante passa por zero, seja em uma carga concentrada, seja dentro de uma carga distribuída.

Reações de apoio

Equilíbrio da viga inteira.

ΣMA = 0: RB·4 = 50·1,5 + 45·2
RB = 165/4 = 41,25 kN
ΣFy = 0: RA = 95 − 41,25 = 53,75 kN

Momento sob cada carga

Fique com a parte à esquerda de cada carga.

sob P1: M = RA·1,5 = 53,75·1,5 = 80,63 kN·m
sob P2: M = RB·2 = 41,25·2 = 82,5 kN·m

Maior valor

Mmax = 82,5 kN·m (sob P2)

Resposta

Mmax = 82,5 kN·m
10.Esforço cortante e momento fletor

Resposta: Mmax = 37,2 kN·m

Método das seções: corte a viga onde você quer os esforços internos e fique com um lado. O esforço cortante V equilibra as forças verticais desse lado, e o momento fletor M equilibra os momentos delas em relação ao corte. Momento máximo: como dM/dx = V, o momento fletor atinge seu pico onde o esforço cortante passa por zero, seja em uma carga concentrada, seja dentro de uma carga distribuída.

Reações de apoio

Equilíbrio da viga inteira.

Resultante da carga distribuída: W = w·ℓ = 4·8 = 32 kN, atuando em x̄ = 4 m
ΣMA = 0: RB·8 = 10·7 + 4·8·4
RB = 198/8 = 24,75 kN
ΣFy = 0: RA = 42 − 24,75 = 17,25 kN

Onde V = 0?

RA − w·x0 = 0 → x0 = 17,25/4 = 4,313 m

Momento máximo

Mmax = RA·x0 − w·x0²/2 = 17,25·4,313 − 4·4,313²/2 = 37,2 kN·m

Resposta

Mmax = 37,2 kN·m

Ele ocorre em x = 4,313 m a partir de A.

11.Centroide e momento de inércia

Resposta: Ix = 3,415 × 10⁶ mm⁴

Áreas compostas: divida a seção em retângulos. O centroide é a média ponderada pelas áreas ȳ = ΣAᵢyᵢ/ΣAᵢ. O momento de inércia em relação ao eixo centroidal soma o bh³/12 próprio de cada parte e seu termo de eixos paralelos A·d², onde d é a distância do centroide da parte ao centroide geral. A tensão de flexão é σ = M·y/I.

Divida em dois retângulos

Meça todo y a partir da borda inferior.

mesa: Af = 120·10 = 1200 mm², yf = 120 + 10/2 = 125 mm
alma: Aw = 8·120 = 960 mm², yw = 120/2 = 60 mm

Centroide

ȳ = (Afyf + Awyw)/(Af + Aw) = (1200·125 + 960·60)/2160 = 96,11 mm

Teorema dos eixos paralelos

mesa: 120·10³/12 + 1200·(125 − 96,11)² = 1,011 × 10⁶ mm⁴
alma: 8·120³/12 + 960·(60 − 96,11)² = 2,404 × 10⁶ mm⁴
Ix = 1,011 × 10⁶ + 2,404 × 10⁶ = 3,415 × 10⁶ mm⁴ = 3,415 × 10⁶ mm⁴

Resposta

Ix = 3,415 × 10⁶ mm⁴
12.Centroide e momento de inércia

Resposta: σbase = 293,4 MPa

Áreas compostas: divida a seção em retângulos. O centroide é a média ponderada pelas áreas ȳ = ΣAᵢyᵢ/ΣAᵢ. O momento de inércia em relação ao eixo centroidal soma o bh³/12 próprio de cada parte e seu termo de eixos paralelos A·d², onde d é a distância do centroide da parte ao centroide geral. A tensão de flexão é σ = M·y/I.

Divida em dois retângulos

Meça todo y a partir da borda inferior.

mesa: Af = 260·15 = 3900 mm², yf = 260 + 15/2 = 267,5 mm
alma: Aw = 8·260 = 2080 mm², yw = 260/2 = 130 mm

Centroide

ȳ = (Afyf + Awyw)/(Af + Aw) = (3900·267,5 + 2080·130)/5980 = 219,7 mm

Teorema dos eixos paralelos

mesa: 260·15³/12 + 3900·(267,5 − 219,7)² = 8,994 × 10⁶ mm⁴
alma: 8·260³/12 + 2080·(130 − 219,7)² = 2,844 × 10⁷ mm⁴
Ix = 8,994 × 10⁶ + 2,844 × 10⁷ = 3,744 × 10⁷ mm⁴

Tensão de flexão

A borda inferior está a ȳ do eixo.

y = 219,7 mm
σ = M·y/I = 5 × 10⁷·219,7/3,744 × 10⁷ = 293,4 MPa

Resposta

σbase = 293,4 MPa

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