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 = (−20, 15, 0) N atua sobre um objeto enquanto ele se move em linha reta do ponto A(−2, 0, 3) ao ponto B(−1, −3, 1). As coordenadas estão em metros. Encontre o trabalho W realizado pela força.

F = (−20, 15, 0) NA(−2, 0, 3) mB(−1, −3, 1) m
W = J
2.Vetores: produto escalar e vetorialDifícil
xyzABC

Encontre a área A do triângulo de vértices A(−1, −3, −3), B(1, −4, −2) e C(−2, 3, 2). As coordenadas estão em metros.

A(−1, −3, −3)B(1, −4, −2)C(−2, 3, 2)
A = m²
3.Reações de apoio em vigasMédia
P1​ = 30 kNP2​ = 15 kNABRA​RB​ = ?2,5 m0,5 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 = 4 mP1 = 30 kN em 2,5 mP2 = 15 kN em 3 m
RB = kN
4.Reações de apoio em vigasDifícil
w = 12 kN/mP = 30 kNABRA​ = ?RB​1 m3 m2 m2 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 = 8 mP = 30 kN em 4 mw = 12 kN/m de 1 a 6 m
RA = kN
5.Treliça: método dos nósMédia
ABCDEFGH15 kN25 kN10 kN40 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.

D: 15 kN ↓F: 25 kN ↓G: 10 kN ↓H: 40 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
ABCDEFGH20 kN25 kN30 kN25 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: 20 kN ↓F: 25 kN ↓G: 30 kN ↓H: 25 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 m1,2 m1,8 mABCDE

O pórtico em A mostrado está apoiado em um pino em A e em um rolete em B, a 4 m de distância. As pernas se encontram no pino C, a 3 m de altura, e o tirante horizontal DE está a 1,2 m acima do solo. Uma carga de 8 kN atua em C. Encontre o módulo da força C que o pino C exerce sobre a perna BC.

P = 8 kNAB = 4 maltura de C = 3 maltura de DE = 1,2 m
C = kN
8.Pórticos e máquinasDifícil
5 kN1,5 kN4 m2 mABC

Uma lança horizontal uniforme AB de peso 1,5 kN está articulada a uma parede em A e sustentada por um cabo de B ao ponto C da parede, 2 m acima de A. Uma carga de 5 kN está pendurada em B. Encontre o módulo da reação no pino A.

W = 5 kNWb = 1,5 kNAB = 4 mAC = 2 m
A = kN
9.Esforço cortante e momento fletorMédia
M0​ = 50 kN·mAB1 m4 m

A viga simplesmente apoiada suporta um binário no sentido horário M0 = 50 kN·m em x = 1 m a partir de A, e nenhuma outra carga. Encontre o momento fletor Mx logo à direita do binário. Use momentos positivos quando tracionam a face inferior e cortante para cima na face esquerda positivo.

L = 5 mM0 = 50 kN·m no sentido horário, em 1 m
Mx = kN·m
10.Esforço cortante e momento fletorDifícil
55 kN20 kN40 kNABCDEFG2 m2 m2 m2 m2 m2 m

As marcas A a G dividem a viga em seis partes iguais. Em qual marca o momento fletor é maior em valor absoluto, positivo ou negativo? Clique nela no diagrama.

55 kN @ 0 m20 kN @ 12 m40 kN @ 6 m
  1. 1A (x = 0 m)
  2. 2B (x = 2 m)
  3. 3C (x = 4 m)
  4. 4D (x = 6 m)
  5. 5E (x = 8 m)
  6. 6F (x = 10 m)
  7. 7G (x = 12 m)
11.Centroide e momento de inérciaMédia
180260168xdimensões em mm

Um perfil I simétrico tem mesas de 180 mm de largura e 16 mm de espessura, altura total de 260 mm e alma de 8 mm de espessura. Encontre seu módulo de resistência elástico Sx para flexão em relação ao eixo centroidal horizontal x.

B = 180 mmH = 260 mmtf = 16 mmtw = 8 mm
Sx = × 10³ mm³
12.Centroide e momento de inérciaDifícil
1002530014xM negativodimensões em mm

Uma viga de ferro fundido tem a seção T mostrada, com a mesa em cima. As tensões admissíveis são 60 MPa na tração e 120 MPa na compressão. Encontre o maior momento fletor negativo Mallow que a viga pode suportar (dê o seu módulo).

bf = 100 mmtf = 25 mmtw = 14 mmhw = 300 mmσt,allow = 60 MPaσc,allow = 120 MPa
Mallow = kN·m

3Soluções

1.Vetores: produto escalar e vetorial

Resposta: W = −65 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 = (−1, −3, 1) − (−2, 0, 3) = (1, −3, −2) m

Trabalho

W = F·d = (−20)·1 + 15·(−3) + 0·(−2) = −65 J

Resposta

W = −65 J

Trabalho negativo: a força atua principalmente contra o movimento.

2.Vetores: produto escalar e vetorial

Resposta: A = 9,526 m²

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.

Vetores das arestas

AB = B − A = (2, −1, 1)
AC = C − A = (−1, 6, 5)

Produto vetorial

(AB × AC)x = AByACz − ABzACy = (−1)·5 − 1·6 = −11
(AB × AC)y = ABzACx − ABxACz = 1·(−1) − 2·5 = −11
(AB × AC)z = ABxACy − AByACx = 2·6 − (−1)·(−1) = 11
|AB × AC| = √((−11)² + (−11)² + 11²) = 19,05

Área do triângulo

A = ½·19,05 = 9,526 m²

Resposta

A = 9,526 m²
3.Reações de apoio em vigas

Resposta: RB = 30 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​ = 15 kNABRA​RB​2,5 m0,5 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.

ΣMA = 0: RB·4 = 30·2,5 + 15·3
RB = 120/4 = 30 kN
ΣFy = 0: RA = 45 − 30 = 15 kN

Resposta

RB = 30 kN
4.Reações de apoio em vigas

Resposta: RA = 48,75 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 = 30 kNABRA​RB​1 m3 m2 m2 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 = 12·5 = 60 kN, atuando em x̄ = 3,5 m
ΣMA = 0: RB·8 = 30·4 + 12·5·3,5
RB = 330/8 = 41,25 kN
ΣFy = 0: RA = 90 − 41,25 = 48,75 kN

Resposta

RA = 48,75 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: 50 kN (T), BC: 66,67 kN (T), CD: 66,67 kN (T), DE: 70 kN (T), FG: 50 kN (C), GH: 70 kN (C), AF: 62,5 kN (C), HE: 87,5 kN (C), BF: 12,5 kN (T), CG: 0, DH: 12,5 kN (T), BG: 20,83 kN (C), DG: 4,167 kN (T)

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: 17,81 kN (T), BC: 26,87 kN (T), CD: 26,87 kN (T), DE: 13,44 kN (T), FG: 42,81 kN (C), GH: 38,44 kN (C), AF: 71,35 kN (C), HE: 22,4 kN (C), BF: 32,08 kN (T), CG: 0, DH: 17,92 kN (T), BG: 15,1 kN (C), DG: 22,4 kN (C)

Resposta

Membro de força nula: CG
7.Pórticos e máquinas

Resposta: C = 5,979 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.

Força no tirante a partir da perna BC

By = 4 kN
T = 4·2/1,8 = 4,444 kN

Componentes da força no pino sobre BC

Cx = T = 4,444 kN, Cy = −By = −4 kN

Módulo

C = √(4,444² + 4²) = 5,979 kN

Resposta

C = 5,979 kN
8.Pórticos e máquinas

Resposta: A = 11,52 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.

Tração no cabo

T = (5 + 1,5/2)/0,4472 = 12,86 kN

Componentes em A

Ax = T·cos β = 11,5 kN
Ay = 5 + 1,5 − T·sin β = 0,75 kN

Módulo

A = √(11,5² + 0,75²) = 11,52 kN

Resposta

A = 11,52 kN
9.Esforço cortante e momento fletor

Resposta: Mx = 40 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. Um binário aplicado faz o diagrama de momento fletor saltar do valor do binário.

Reações de apoio

Momentos em relação a A, positivos no sentido anti-horário: RB·L − M0 = 0. Equilíbrio vertical: RA + RB = 0.

RB = M0/L = 50/5 = 10 kN (para cima)
RA = −RB = −10 kN (para baixo)

Corte logo à direita do binário

A parte esquerda agora contém RA e o binário.

Mx = RA·a + M0 = −10·1 + 50 = 40 kN·m

Resposta

Mx = 40 kN·m
10.Esforço cortante e momento fletor

Resposta: B (x = 2 m)

Maior momento fletor: M muda de inclinação onde quer que a força cortante mude, então seus picos ficam onde a força cortante cruza o zero: sob uma carga pontual, dentro de uma carga distribuída ou sobre um apoio de um balanço. No engaste de uma viga em balanço, o momento é maior na parede. Compare o tamanho de M nesses lugares, positivo ou negativo.

Reações de apoio

Tome momentos em torno de um apoio e depois use o equilíbrio das forças verticais.

R1 = 83,75 kN, R2 = 31,25 kN

Momento fletor em cada marca

Some os momentos de todas as forças de um lado do corte. O momento que traciona embaixo é positivo, o que traciona em cima é negativo.

MA = 0, MB = −110 kN·m, MC = −52,5, MD = 5, ME = −17,5, MF = −40, MG = 0

Resposta

Marca B: MB = −110 kN·m
11.Centroide e momento de inércia

Resposta: Sx = 721,2 × 10³ mm³

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.

Retângulo externo menos os dois recortes laterais

Os dois recortes juntos têm (B − tw) de largura e hw = H − 2tf de altura, e compartilham o eixo x.

hw = 260 − 2·16 = 228 mm
Ix = (B·H³ − (B − tw)·hw³)/12 = (180·260³ − 172·228³)/12
Ix = 9,376 × 10⁷ mm⁴

Módulo de resistência

c = H/2 = 130 mm
Sx = I/c = 9,376 × 10⁷/130
Sx = 721202 mm³ = 721,2 × 10³ mm³

Resposta

Sx = 721,2 × 10³ mm³
12.Centroide e momento de inércia

Resposta: Mallow = 38,31 kN·m

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.

Centroide

ȳ = (2500·312,5 + 4200·150)/6700 = 210,6 mm
borda superior: c = 325 − 210,6 = 114,4 mm

Momento de inércia de área

I = 100·25³/12 + 2500·101,9² + 14·300³/12 + 4200·60,63² = 7,301 × 10⁷ mm⁴

Momento admitido por cada borda

Momento negativo: a face superior fica tracionada, a inferior comprimida.

borda superior: M = 60·7,301 × 10⁷/114,4 = 38,31 kN·m
borda inferior: M = 120·7,301 × 10⁷/210,6 = 41,6 kN·m

Valor determinante

Mallow = min = 38,31 kN·m (borda superior)

Resposta

Mallow = 38,31 kN·m

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