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| = √(a_x² + a_y² + a_z²)
Vetor unitário: û = a/|a|
Componentes a partir de um ângulo: F_x = F·cos θ, F_y = F·sin θ
Produto escalar: a·b = a_xb_x + a_yb_y + a_zb_z = |a||b|cos θ
Projeção escalar de a sobre b: a·b/|b|
Trabalho: W = F·d
Produto vetorial: a × b = (a_yb_z − a_zb_y, a_zb_x − a_xb_z, a_xb_y − a_yb_x)
Áreas: paralelogramo |a × b|, triângulo ½|a × b|
Momento em relação a O: M_O = r × F, r = A − O
Volume de um paralelepípedo: V = |a·(b × c)|

Método

Escreva todo vetor em componentes; para uma força dada por um módulo e um ângulo, use F·cos θ e F·sin θ.
Para comprimentos e direções use o módulo √(x² + y² + z²) e o vetor unitário a/|a|.
Use o produto escalar para ângulos, projeções, perpendicularidade e trabalho: a·b = |a||b|cos θ.
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: ΣF_x = 0, ΣF_y = 0, ΣM = 0
Carga uniforme: resultante w·L no meio da carga
Momento: M = F·d

Método

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

Treliça: método dos nós

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

Método

Encontre as reações de apoio da treliça inteira.
Método dos nós: comece em um nó com no máximo duas forças de barra desconhecidas e use ΣF_x = 0 e ΣF_y = 0.
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.
Suponha tração; uma resposta negativa significa compressão.

Pórticos e máquinas

Equilíbrio de cada membro: ΣF_x = 0, ΣF_y = 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 = √(F_x² + F_y²)
Alavanca, alicate, alavanca angular: F_in·a = F_out·b
Articulação de joelho: F_link = F/(2 sin θ), Q = F/(2 tan θ)
Carga uniforme: resultante w·L no meio da carga

Método

Desenhe a estrutura inteira e encontre as reações de apoio se houver no máximo três incógnitas.
Identifique os membros de duas forças: carregados apenas em dois pinos, sua força atua ao longo da reta entre os pinos.
Desmonte o pórtico e desenhe cada membro separadamente, com forças nos pinos iguais e opostas onde os membros se encontram.
Para cada membro, tome momentos em torno de um pino com forças desconhecidas e use depois ΣF_x = 0 e ΣF_y = 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/y_max
Viga biapoiada, carga uniforme: M_max = wL²/8

Método

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

Centroide e momento de inércia

Centroide: ȳ = ΣA_iy_i/ΣA_i
Retângulo: I = bh³/12
Teorema dos eixos paralelos: I = I_c + A·d²
Seção composta: I = Σ(I_c,i + A_id_i²)

2Exercícios

1.Vetores: produto escalar e vetorialMédia

Encontre o ângulo θ entre os vetores a = (−6, 5, −3) e b = (2, 1, −2), em graus.

a = (−6, 5, −3)b = (2, 1, −2)

θ = °

2.Vetores: produto escalar e vetorialDifícil

Uma força F = (50, 20, 0) N atua no ponto A(3, 3, −3). As coordenadas estão em metros. Encontre a componente x M_x do momento da força em relação a o ponto O(3, −3, 2).

F = (50, 20, 0) NA(3, 3, −3) mO(3, −3, 2) m

M_x = N·m

3.Reações de apoio em vigasMédia

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

L = 5 mP₁ = 35 kN em 1,5 mP₂ = 55 kN em 2,5 m

R_B = kN

4.Reações de apoio em vigasDifícil

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

L = 4 mP = 55 kN em 2,5 mw = 12 kN/m de 2 a 3 m

R_A = kN

5.Treliça: método dos nósMédia

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

vão = 4 maltura = 2 mB está a 3 m de Acarga vertical = 50 kN

F_AB = kN

6.Treliça: método dos nósDifícil

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

B: 25 kN ↓D: 20 kN ↓F: 30 kN →H: 20 kN ↓

1membro AB
2membro BC
3membro CD
4membro DE
5membro FG
6membro GH
7membro AF
8membro HE
9membro BF
10membro CG
11membro DH
12membro BG
13membro DG

7.Pórticos e máquinasMédia

Uma viga horizontal AB está articulada a uma parede em A e escorada pela escora CD, articulada à parede em C, 0,6 m abaixo de A. Uma carga de 12 kN está pendurada em B. Despreze os pesos. Encontre o módulo da força A no pino sobre a viga em A.

P = 12 kNAD = 1,2 mAB = 3,6 mAC = 0,6 m

A = kN

8.Pórticos e máquinasDifícil

Uma lança horizontal uniforme AB de peso 1 kN está articulada a uma parede em A e sustentada por um cabo de B ao ponto C da parede, 4 m acima de A. Uma carga de 5 kN está pendurada em B. Encontre o módulo da reação no pino A.

W = 5 kNW_b = 1 kNAB = 2 mAC = 4 m

A = kN

9.Esforço cortante e momento fletorMédia

Encontre o momento fletor M_x na seção x = 6 m a partir do apoio A. Use momentos positivos quando tracionam a face inferior e cortante para cima na face esquerda positivo.

L = 8 mw = 10 kN/m de 0 a 8 mx = 6 m

M_x = kN·m

10.Esforço cortante e momento fletorDifícil

Encontre o momento fletor M_x na seção x = 1 m a partir do apoio A. Use momentos positivos quando tracionam a face inferior e cortante para cima na face esquerda positivo.

L = 4 mP = 40 kN em 1 mw = 12 kN/m de 0 a 4 mx = 1 m

M_x = kN·m

11.Centroide e momento de inérciaMédia

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

b_f = 280 mmt_f = 30 mmt_w = 12 mmh_w = 200 mm

I_x = × 10⁶ mm⁴

12.Centroide e momento de inérciaDifícil

Uma placa de 150 mm × 240 mm tem um recorte retangular de 50 mm de largura e 20 mm de altura, centrado na linha de centro vertical, com seu centro a 96 mm acima da base. Encontre o momento de inércia da área I_x em torno do eixo horizontal que passa pelo centroide.

b = 150 mmh = 240 mmrecorte: 50 × 20 mmcentro do furo: y = 96 mm

I_x = × 10⁶ mm⁴

3Soluções

1.Vetores: produto escalar e vetorial

Resposta: θ = 92,28 °

Dot product: a·b = a_xb_x + a_yb_y + a_zb_z = |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.

Produto escalar

a·b = (−6)·2 + 5·1 + (−3)·(−2) = −1

Módulos

|a| = √((−6)² + 5² + (−3)²) = 8,367

|b| = √(2² + 1² + (−2)²) = 3

Ângulo

cos θ = −1/(8,367·3) = −0,03984

θ = arccos(−0,03984) = 92,28°

Resposta

θ = 92,28°

2.Vetores: produto escalar e vetorial

Resposta: M_x = 100 N·m

Cross product: a × b = (a_yb_z − a_zb_y, a_zb_x − a_xb_z, a_xb_y − a_yb_x) 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 M_O = r × F, with r = A − O.

Vetor de posição de O a A

r = A − O = (3, 3, −3) − (3, −3, 2) = (0, 6, −5) m

Momento M = r × F

(r × F)_x = r_yF_z − r_zF_y = 6·0 − (−5)·20 = 100 N·m

(r × F)_y = r_zF_x − r_xF_z = (−5)·50 − 0·0 = −250 N·m

(r × F)_z = r_xF_y − r_yF_x = 0·20 − 6·50 = −300 N·m

Componente pedida

M_x = 100 N·m

Resposta

M_x = 100 N·m

3.Reações de apoio em vigas

Resposta: R_B = 38 kN

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

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.

ΣM_A = 0: R_B·5 = 35·1,5 + 55·2,5

R_B = 190/5 = 38 kN

ΣF_y = 0: R_A = 90 − 38 = 52 kN

Resposta

R_B = 38 kN

4.Reações de apoio em vigas

Resposta: R_A = 25,13 kN

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

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 = 12·1 = 12 kN, atuando em x̄ = 2,5 m

ΣM_A = 0: R_B·4 = 55·2,5 + 12·1·2,5

R_B = 167,5/4 = 41,88 kN

ΣF_y = 0: R_A = 67 − 41,88 = 25,13 kN

Resposta

R_A = 25,13 kN

5.Treliça: método dos nós

Resposta: F_AB = −22,53 kN

Método dos nós: cada nó de uma treliça está em equilíbrio, então ΣF_x = 0 e ΣF_y = 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.

Reações de apoio

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

ΣM_A = 0: C_y·4 = 50·3 → C_y = 37,5 kN

ΣF_y = 0: A_y = 50 − 37,5 = 12,5 kN

Nó A

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

sin α = 2/3,606 = 0,5547

ΣF_y = 0: A_y + F_AB·sin α = 0

F_AB = −12,5/0,5547 = −22,53 kN

Resposta

F_AB = −22,53 kN (compressão)

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 → F_CG = 0

Verifique com o método dos nós

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

AB: 44,06 kN (T), BC: 39,38 kN (T), CD: 39,38 kN (T), DE: 34,69 kN (T), FG: 44,06 kN (C), GH: 34,69 kN (C), AF: 23,44 kN (C), HE: 57,81 kN (C), BF: 18,75 kN (T), CG: 0, DH: 26,25 kN (T), BG: 7,813 kN (T), DG: 7,813 kN (C)

Resposta

Membro de força nula: CG

7.Pórticos e máquinas

Resposta: A = 75,89 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 ΣF_x = 0, ΣF_y = 0 e ΣM = 0 para ele. Tomar momentos em torno de um pino elimina da equação as duas componentes da força desse pino.

Força na escora

F_CD = 12·3,6/(0,4472·1,2) = 80,5 kN

Componentes em A

A_x = F_CD·cos α = 72 kN (em direção à parede)

A_y = 12 − F_CD·sin α = −24 kN

Módulo

A = √(72² + −24²) = 75,89 kN

Resposta

A = 75,89 kN

Um A_y negativo significa que a parede puxa a viga para baixo em A.

8.Pórticos e máquinas

Resposta: A = 2,795 kN

Tração no cabo

T = (5 + 1/2)/0,8944 = 6,149 kN

Componentes em A

A_x = T·cos β = 2,75 kN

A_y = 5 + 1 − T·sin β = 0,5 kN

Módulo

A = √(2,75² + 0,5²) = 2,795 kN

Resposta

A = 2,795 kN

9.Esforço cortante e momento fletor

Resposta: M_x = 60 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 = 10·8 = 80 kN, atuando em x̄ = 4 m

ΣM_A = 0: R_B·8 = 10·8·4

R_B = 320/8 = 40 kN

ΣF_y = 0: R_A = 80 − 40 = 40 kN

Corte em x = 6 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 = R_A·x − (cada carga à esquerda do corte × sua distância até o corte)

M_x = 40·6 − 10·6·3 = 60 kN·m

Resposta

M_x = 60 kN·m

10.Esforço cortante e momento fletor

Resposta: M_x = 48 kN·m

Reações de apoio

Equilíbrio da viga inteira.

Resultante da carga distribuída: W = w·ℓ = 12·4 = 48 kN, atuando em x̄ = 2 m

ΣM_A = 0: R_B·4 = 40·1 + 12·4·2

R_B = 136/4 = 34 kN

ΣF_y = 0: R_A = 88 − 34 = 54 kN

Corte em x = 1 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 = R_A·x − (cada carga à esquerda do corte × sua distância até o corte)

M_x = 54·1 − 12·1·0,5 = 48 kN·m

Resposta

M_x = 48 kN·m

11.Centroide e momento de inércia

Resposta: I_x = 33,32 × 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: A_f = 280·30 = 8400 mm², y_f = 200 + 30/2 = 215 mm

alma: A_w = 12·200 = 2400 mm², y_w = 200/2 = 100 mm

Centroide

ȳ = (A_fy_f + A_wy_w)/(A_f + A_w) = (8400·215 + 2400·100)/10800 = 189,4 mm

Teorema dos eixos paralelos

mesa: 280·30³/12 + 8400·(215 − 189,4)² = 6,116 × 10⁶ mm⁴

alma: 12·200³/12 + 2400·(100 − 189,4)² = 2,72 × 10⁷ mm⁴

I_x = 6,116 × 10⁶ + 2,72 × 10⁷ = 3,332 × 10⁷ mm⁴ = 33,32 × 10⁶ mm⁴

Resposta

I_x = 33,32 × 10⁶ mm⁴

12.Centroide e momento de inércia

Resposta: I_x = 172,2 × 10⁶ mm⁴

Seções com furos: trate um furo como uma área negativa. O centroide é ȳ = (A₁y₁ − A₂y₂)/(A₁ − A₂), com A₁, y₁ para a placa inteira e A₂, y₂ para o furo. Para o momento de inércia da área (segundo momento de área) em torno do eixo que passa pelo centroide, use o teorema dos eixos paralelos para cada parte e subtraia o furo: I = (I_c1 + A₁d₁²) − (I_c2 + A₂d₂²), em que d é a distância do centroide próprio de cada parte ao eixo que passa por ȳ. Um retângulo tem I_c = bh³/12 e um círculo I_c = πd⁴/64.

Centroide

ȳ = (36000·120 − 1000·96)/(36000 − 1000) = 120,7 mm

Placa inteira em torno de ȳ

150·240³/12 + 36000·−0,6857² = 172,8 × 10⁶ mm⁴

Furo em torno de ȳ

50·20³/12 + 1000·−24,69² = 0,6427 × 10⁶ mm⁴

Subtraia

I_x = 172,2 × 10⁶ mm⁴

Resposta

I_x = 172,2 × 10⁶ mm⁴

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