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
xyzab

Encontre o produto escalar a·b de a = (2, 3, 3) e b = (1, 5, −1).

a = (2, 3, 3)b = (1, 5, −1)
a·b =
2.Vetores: produto escalar e vetorialDifícil
xyzrFOA

Uma força F = (30, 60, −50) N atua no ponto A(2, −3, −4). As coordenadas estão em metros. Encontre o módulo |M| do momento da força em relação a o ponto O(−3, 1, −2).

F = (30, 60, −50) NA(2, −3, −4) mO(−3, 1, −2) m
|M| = N·m
3.Reações de apoio em vigasMédia
P1​ = 30 kNP2​ = 30 kNABRA​RB​ = ?3 m1 m6 m

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

L = 10 mP1 = 30 kN em 3 mP2 = 30 kN em 4 m
RB = kN
4.Reações de apoio em vigasDifícil
w = 12 kN/mP = 60 kNABRA​RB​ = ?7 m1 m

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

L = 8 mP = 60 kN em 7 mw = 12 kN/m de 0 a 8 m
RB = kN
5.Treliça: método dos nósMédia
ABBCACACB10 kN4 m1 m2 m

Use o método dos nós para encontrar a força FAB na barra AB. Dê tração como positiva e compressão como negativa.

vão = 4 maltura = 2 mB está a 1 m de Acarga vertical = 10 kN
FAB = kN
6.Treliça: método dos nósDifícil
ABBCACACB60 kN30 kN4 m1 m3 m

Use o método dos nós para encontrar a força FBC na barra BC. Dê tração como positiva e compressão como negativa.

vão = 4 maltura = 3 mB está a 1 m de Acarga vertical = 60 kNcarga horizontal = 30 kN →
FBC = kN
7.Pórticos e máquinasMédia
OAB300 NQ150 mm120 mmFO​ = ?

A alavanca angular mostrada gira em torno do pino O. Uma força vertical de 300 N em A (a 150 mm de O) é equilibrada por uma força horizontal em B (a 120 mm acima de O). Encontre o módulo da reação no pino FO.

F = 300 NOA = 150 mmOB = 120 mm
FO = N
8.Pórticos e máquinasDifícil
F = ?2500 N15 mmABC

Uma prensa de articulação de joelho tem duas barras iguais AB e BC, cada uma com 200 mm de comprimento entre pinos. A junta B está 15 mm acima da reta AC. Que força para baixo F em B produz uma força de prensagem horizontal de 2500 N no cursor C? Despreze o atrito e os pesos.

Q = 2500 NAB = BC = 200 mmh = 15 mm
F = N
9.Esforço cortante e momento fletorMédia
w = 10 kN/mP = 35 kNABseção1,5 m1 m0,5 m

A viga em balanço está engastada em A. Ela suporta uma carga uniformemente distribuída w em todo o comprimento e uma carga concentrada P a 2,5 m de A. Encontre o momento fletor Mx na seção x = 1,5 m a partir do engaste A. Use momentos positivos quando tracionam a face inferior e cortante para cima na face esquerda positivo.

L = 3 mP = 35 kN em 2,5 mw = 10 kN/m de 0 a 3 mx = 1,5 m
Mx = kN·m
10.Esforço cortante e momento fletorDifícil
w = 3 kN/mP = 40 kNABseção0,5 m0,5 m7 m

Encontre o momento fletor Mx na seção x = 0,5 m a partir do apoio A. Use momentos positivos quando tracionam a face inferior e cortante para cima na face esquerda positivo.

L = 8 mP = 40 kN em 1 mw = 3 kN/m de 0 a 8 mx = 0,5 m
Mx = kN·m
11.Centroide e momento de inérciaMédia
xD = 120d = 100dimensões em mm

Um tubo circular tem diâmetro externo D = 120 mm e diâmetro interno d = 100 mm. Encontre seu raio de giração r em relação ao eixo centroidal horizontal.

D = 120 mmd = 100 mm
r = mm
12.Centroide e momento de inérciaDifícil
120170223101016xdimensões em mm

Um perfil I soldado tem mesa superior de 120 × 22 mm, alma de 310 mm de altura e 16 mm de espessura, e mesa inferior de 170 × 10 mm (largura × espessura). Encontre seu momento de inércia Ix em relação ao eixo horizontal x que passa pelo centroide.

mesa superior: 120 × 22 mmalma: 16 × 310 mmmesa inferior: 170 × 10 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴

3Soluções

1.Vetores: produto escalar e vetorial

Resposta: a·b = 14

Produto escalar: a·b = axbx + ayby + azbz = |a|·|b|·cos θ, um escalar. Ele dá o ângulo entre dois vetores, cos θ = a·b/(|a|·|b|), e é nulo quando eles são perpendiculares. A projeção escalar de a sobre b é a·b/|b|, e uma força constante F que atua ao longo de um deslocamento d realiza o trabalho W = F·d.

Multiplique as componentes correspondentes e some

a·b = 2·1 + 3·5 + 3·(−1) = 2 + 15 + (−3) = 14

Resposta

a·b = 14

Positivo: o ângulo entre os vetores é menor que 90°.

2.Vetores: produto escalar e vetorial

Resposta: |M| = 561,2 N·m

Produto vetorial: a × b = (aybz − azby, azbx − axbz, axby − aybx) é perpendicular aos dois vetores, e |a × b| = |a|·|b|·sin θ é a área do paralelogramo que eles formam (o triângulo tem metade dela). A ordem importa: b × a = −(a × b). O momento de uma força F aplicada no ponto A em relação ao ponto O é MO = r × F, com r = A − O.

Vetor de posição de O a A

r = A − O = (2, −3, −4) − (−3, 1, −2) = (5, −4, −2) m

Momento M = r × F

(r × F)x = ryFz − rzFy = (−4)·(−50) − (−2)·60 = 320 N·m
(r × F)y = rzFx − rxFz = (−2)·30 − 5·(−50) = 190 N·m
(r × F)z = rxFy − ryFx = 5·60 − (−4)·30 = 420 N·m

Módulo

|M| = √(320² + 190² + 420²) = 561,2 N·m

Resposta

|M| = 561,2 N·m
3.Reações de apoio em vigas

Resposta: RB = 21 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​ = 30 kNABRA​RB​3 m1 m6 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·10 = 30·3 + 30·4
RB = 210/10 = 21 kN
ΣFy = 0: RA = 60 − 21 = 39 kN

Resposta

RB = 21 kN
4.Reações de apoio em vigas

Resposta: RB = 100,5 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.

w = 12 kN/mP = 60 kNABRA​RB​7 m1 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.

Resultante da carga distribuída: W = w·ℓ = 12·8 = 96 kN, atuando em x̄ = 4 m
ΣMA = 0: RB·8 = 60·7 + 12·8·4
RB = 804/8 = 100,5 kN
ΣFy = 0: RA = 156 − 100,5 = 55,5 kN

Resposta

RB = 100,5 kN
5.Treliça: método dos nós

Resposta: FAB = −8,385 kN

Método dos nós: cada nó de uma treliça está em equilíbrio, então ΣFx = 0 e ΣFy = 0 em cada nó. Comece por um nó com no máximo duas forças de barra desconhecidas. Um resultado negativo significa que a barra está comprimida.

ABBCACACB10 kNAy​Cy​

Reações de apoio

Equilíbrio da treliça inteira. Momentos em relação a A, positivos no sentido anti-horário.

ΣMA = 0: Cy·4 = 10·1 → Cy = 2,5 kN
ΣFy = 0: Ay = 10 − 2,5 = 7,5 kN

Nó A

Suponha que toda barra está tracionada (puxando para fora do nó). Só AB tem componente vertical em A.

sin α = 2/2,236 = 0,8944
ΣFy = 0: Ay + FAB·sin α = 0
FAB = −7,5/0,8944 = −8,385 kN

Resposta

FAB = −8,385 kN (compressão)
6.Treliça: método dos nós

Resposta: FBC = −53,03 kN

Método dos nós: cada nó de uma treliça está em equilíbrio, então ΣFx = 0 e ΣFy = 0 em cada nó. Comece por um nó com no máximo duas forças de barra desconhecidas. Um resultado negativo significa que a barra está comprimida.

ABBCACACB60 kN30 kNAy​Cy​Ax​

Reações de apoio

Equilíbrio da treliça inteira. Momentos em relação a A, positivos no sentido anti-horário.

ΣMA = 0: Cy·4 = 60·1 + 30·3 → Cy = 37,5 kN
ΣFy = 0: Ay = 60 − 37,5 = 22,5 kN
ΣFx = 0: Ax = −30 kN

Nó C

O apoio móvel dá apenas uma reação vertical, então o nó C tem só duas forças de barra desconhecidas. Suponha ambas tracionadas.

sin γ = 3/4,243 = 0,7071, cos γ = 3/4,243 = 0,7071
ΣFy = 0: Cy + FBC·sin γ = 0 → FBC = −37,5/0,7071 = −53,03 kN

Resposta

FBC = −53,03 kN (compressão)
7.Pórticos e máquinas

Resposta: FO = 480,2 N

Máquinas: alicates, alavancas, articulações e grampos transformam uma força de entrada em uma força de saída maior ou de outra direção. Desenhe uma peça como corpo livre e tome momentos em torno do seu pivô: a força no pino sai da equação, e Fin·a = Fout·b dá a vantagem mecânica a/b. A força no pino decorre então de ΣF = 0 na mesma peça. Em uma articulação de joelho, duas barras se encontram em um ângulo raso θ; cada barra é um membro de duas forças, de modo que uma pequena força F na junta cria grandes forças F/(2 sen θ) nas barras e uma força de aperto F/(2 tan θ).

Força em B

Q = 300·150/120 = 375 N

Reação no pino

Ox = 375 N, Oy = 300 N
FO = √(375² + 300²) = 480,2 N

Resposta

FO = 480,2 N
8.Pórticos e máquinas

Resposta: F = 376,1 N

Máquinas: alicates, alavancas, articulações e grampos transformam uma força de entrada em uma força de saída maior ou de outra direção. Desenhe uma peça como corpo livre e tome momentos em torno do seu pivô: a força no pino sai da equação, e Fin·a = Fout·b dá a vantagem mecânica a/b. A força no pino decorre então de ΣF = 0 na mesma peça. Em uma articulação de joelho, duas barras se encontram em um ângulo raso θ; cada barra é um membro de duas forças, de modo que uma pequena força F na junta cria grandes forças F/(2 sen θ) nas barras e uma força de aperto F/(2 tan θ).

Ângulo da barra

sin θ = 15/200 = 0,075, θ = 4,301°

Força na barra

Flink = Q/cos θ = 2507 N

Força em B

F = 2·Flink·sin θ = 2·2500·tan θ = 376,1 N

Resposta

F = 376,1 N
9.Esforço cortante e momento fletor

Resposta: Mx = −46,25 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.

Fique com a parte da extremidade livre

P: −35·1 = −35 kN·m
w: −10·1,5²/2 = −11,25 kN·m
Mx = −35 − 11,25 = −46,25 kN·m

Resposta

Mx = −46,25 kN·m

Negativo significa tração na face superior.

10.Esforço cortante e momento fletor

Resposta: Mx = 23,13 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.

Reações de apoio

Equilíbrio da viga inteira.

Resultante da carga distribuída: W = w·ℓ = 3·8 = 24 kN, atuando em x̄ = 4 m
ΣMA = 0: RB·8 = 40·1 + 3·8·4
RB = 136/8 = 17 kN
ΣFy = 0: RA = 64 − 17 = 47 kN
w = 3 kN/mP = 40 kNABRA​ = 47RB​ = 17seção0,5 m0,5 m7 m

Corte em x = 0,5 m e fique com a parte esquerda

Só aparecem as forças à esquerda do corte. Uma parte da carga distribuída age como uma única força no meio dessa parte.

M = RA·x − (cada carga à esquerda do corte × sua distância até o corte)
Mx = 47·0,5 − 3·0,5·0,25 = 23,13 kN·m

Resposta

Mx = 23,13 kN·m
11.Centroide e momento de inércia

Resposta: r = 39,05 mm

Momento de inércia de área: para um retângulo em relação ao seu próprio eixo centroidal I = bh³/12, e em relação à sua base bh³/3 (teorema dos eixos paralelos I = Ic + A·d²). Um furo é tratado subtraindo seu I, desde que as duas partes usem o mesmo eixo. O módulo de resistência elástico é S = I/c, onde c é a distância até a fibra mais afastada. O raio de giração r = √(I/A) é a distância na qual toda a área daria o mesmo I; ele é usado na flambagem de pilares.

Área e momento de inércia líquidos

A = π(D² − d²)/4 = 3456 mm²
I = π(D⁴ − d⁴)/64 = 5,27 × 10⁶ mm⁴

Raio de giração

r = √(I/A) = √(5,27 × 10⁶/3456) = 39,05 mm

Resposta

r = 39,05 mm
12.Centroide e momento de inércia

Resposta: Ix = 153,1 × 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 três retângulos

Meça todo y a partir da borda inferior.

mesa superior: A = 2640 mm², y = 331 mm
alma: A = 4960 mm², y = 165 mm
mesa inferior: A = 1700 mm², y = 5 mm

Centroide

ȳ = (2640·331 + 4960·165 + 1700·5)/9300 = 182,9 mm

Teorema dos eixos paralelos

mesa superior: 120·22³/12 + 2640·148,1² = 5,803 × 10⁷ mm⁴
alma: 16·310³/12 + 4960·17,88² = 4,131 × 10⁷ mm⁴
mesa inferior: 170·10³/12 + 1700·177,9² = 5,38 × 10⁷ mm⁴
Ix = 5,803 × 10⁷ + 4,131 × 10⁷ + 5,38 × 10⁷
Ix = 1,531 × 10⁸ mm⁴ = 153,1 × 10⁶ mm⁴

Resposta

Ix = 153,1 × 10⁶ mm⁴

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