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ENG 01156 – Mecânica - Aula 04 Prof Inácio Benvegnu Morsch - CEMACOM 24 4. REDUÇÃO DE SISTEMAS DE FORÇAS 4.1 DEFINIÇÕES GERAIS Binário. Representa um conjunto formado por duas forças opostas de mesmo módulo, mesma direção e não colineares. A Fig. (4.1) ilustra um binário. Quando se troca uma roda de carro com uma chave estrela aplica-se um binário para apertar ou afrouxar um parafuso. O efeito prático de um binário sobre um corpo é provocar a rotação deste em torno de um eixo. Figura 4.1 – Ilustração de um binário. Conjugado. O momento produzido por um binário é conhecido por conjugado, na prática pode-se substituir um binário por um conjugado e vice-versa. Pode-se demonstrar que o conjugado é um vetor livre. Para tal, considera-se a Fig (4.2) na qual deseja-se calcular o momento no ponto O. Logo pode-se escrever Figura 4.2 – Ilustração de um conjugado. ( ) ( ) FrFrrFrFr ×=×−=−×+× BABA (4.1) Como o vetor r não depende da posição da origem O, diz-se que o conjugado Mo é um vetor livre. Na realidade, pode-se representar este momento simplesmente por M. O módulo do conjugado é calculado fazendo-se dFFrMO ⋅=⋅⋅= θsen (4.2) No plano esta demonstração também pode ser feita conforme indicado na figura (4.3). X Z Y d F -F r A r B M O r A B O θ F -F ENG 01156 – Mecânica - Aula 04 Prof Inácio Benvegnu Morsch - CEMACOM 25 F -F O a d ( ) dFaFdaFM ⋅=⋅−+= Figura 4.3 – Representação de um conjugado no plano. Conjugados Equivalentes. Diz-se que dois conjugados são equivalentes quando 2211 dFdF ⋅=⋅ Conjugado Resultante. Representa a soma dos conjugados existentes no sistema de forças ou seja ∑= MMR . 4.2 TRANSPORTE DE FORÇA ENTRE DUAS RETAS PARALELAS Deseja-se transportar uma força F que desliza sobre uma reta r para outra reta s que é paralela à primeira, conforme ilustrado na Fig. (4.4). Figura 4.4 – Transporte de forças (etapa 1). Aplica-se no ponto desejado (ponto B da reta s) um par de forças F, de mesmo módulo e direção, mas de sentidos contrários, conforme ilustrado na Fig. (4.5). Deste modo o equilíbrio não é alterado. Figura 4.5 - Transporte de forças (etapa 2). F B A s r F B A s r F -F ENG 01156 – Mecânica - Aula 04 Prof Inácio Benvegnu Morsch - CEMACOM 26 A força F, que atua na reta r, e –F formam um binário, que pode ser substituído por um conjugado, conforme ilustrado na Fig. (4.6). Com este procedimento a configuração das forças foi modificado sem alterar a condição do equilíbrio do sistema. Figura 4.6 - Transporte de forças (etapa 3). Em resumo, qualquer força F que atua sobre um corpo rígido pode ser deslocada para um ponto arbitrário desde que seja adicionado um conjugado de valor igual ao momento de F em relação a este ponto. Como o conjugado é um vetor livre, ele pode ser aplicado em qualquer ponto. Entretanto, por conveniência, ele é aplicado no ponto para o qual vamos deslocar F. É importante salientar que o sinal do conjugado é obtido aplicando-se a regra da mão direita, considerando-se a força na sua posição original (ponto A da reta r). Este mesmo raciocínio pode ser empregado de modo inverso, para substituir um sistema força-conjugado por uma força aplicada num ponto conveniente. Exemplo 4.1. Dois binários atuam em um bloco conforme ilustrado na Fig. (4.7). Deseja-se substituir estes dois binários por um conjugado equivalente. Figura 4.7 – Ilustração do exemplo 4.1. Solução: Substitui-se cada um dos binários pelo seu conjugado correspondente. O resultado desta operação está representado no esquema acima. Depois deve-se adicionar os dois conjugados de modo a se obter um conjugado resultante (esta operação é uma simples soma vetorial). oo 1202602360 o =→+⋅= ββ logo Nm 86,5120cos75,33275,33 22 =⋅⋅⋅−+=M o x o y y 4,566,33 86,5 120sen 75,3 sen =→=→= φφ φ B A s r F M M = F. d A B D C 25 N 25 N 30 N 30 N 150 mm 100 mm 60o 60o 3 Nm 3,75Nm 60o β 3 Nm 3,75Nm φx φy ENG 01156 – Mecânica - Aula 04 Prof Inácio Benvegnu Morsch - CEMACOM 27 4.3 SIMPLIFICAÇÃO DE UM SISTEMA DE FORÇAS E MOMENTOS Pode-se reduzir um sistema de forças e momentos que atua sobre um corpo rígido em uma única força resultante, que atua num ponto arbitrário O, e um único conjugado resultante. O procedimento consiste em transladar todas as forças para um ponto O como ilustrado na Fig. (4.8). Como as forças tornam-se, então, concorrentes em O, elas podem ser somadas vetorialmente, valendo o mesmo para os momentos. Logo, pode-se escrever ∑∑ == MMFR O, (4.3) Figura 4.8 – Simplificação de um sistema de forças. É importante resaltar que esta simplificação de um sistema de forças sempre é possível seja o problema plano ou espacial. Os resultados possíveis aplicando-se a (4.3) são: 1) R = 0 e Mo = 0 : Sistema de forças em equilíbrio; 2) 0R ≠ e Mo = 0 : Sistema de forças equivalente a uma resultante única; 3) R = 0 e 0M ≠o : Sistema de forças equivalente a um momento; 4) 0R ≠ e 0M ≠o : Este caso admite duas situações particulares. a) oo MRMR ⊥→=• 0 : Sistema equivalente a uma resultante única; b) 0≠• oMR : Sistema equivalente a um torsor. Dos quatro casos possíveis, o de maior interesse prático é o primeiro porque ele fornece a condição de equilíbrio de um corpo rígido, a qual será intensamente aplicada posteriormente. O caso 4) será analisado em detalhe porque ele permite algumas considerações extras. O item a) corresponde ao caso da resultante R e o momento resultante Mo serem ortogonais. Esta situação ocorre quando se tem um problema com forças coplanares (problema 2D) porque neste caso as forças são do tipo ( )0,, yx FF=F e os momentos são do tipo ( )zo M,0,0=M . Em problemas com forças paralelas este caso também se verifica (por exemplo um problema 3D com todas as forças na direção Z). Quando se verifica a condição 0=• oMR é possível uma redução extra, que é feita deslocando-se a resultante R para uma posição tal, que gere um momento –MO que elimine o momento MO. A Fig. (4.9) ilustra esta operação. = F 1 F 4 F 3 F 2O M 3 M 2 M 4 M 1 F 1 r 1 F 4 F 3 F 2 r 4 r 3 r 2 O R M o O = ENG 01156 – Mecânica - Aula 04 Prof Inácio Benvegnu Morsch - CEMACOM 28 θ F Mo O Figura 4.9 – Redução a uma resultante única. O resultado desta operação é que se reduz o sistema de forças a uma resultante única R que deve ser aplicada num ponto distante d do ponto de redução. Como o momento gerado deve eliminar Mo , a distância d é facilmente calculada fazendo-se RMd o= e a posição do ponto B é obtida de modo que o sinal do momento gerado pelo transporte da resultante seja contrário ao do momento Mo . Quando a condição 0=• oMR não se verifica há um ângulo θ entre a resultante R e o momento resultante Mo. Neste caso o sistema pode ser reduzido a um torsor equivalente, bastando seguir os passos ilustrados na figura (4.10). (a) (b) (c) (d) Figura 4.10 – Redução num torsor equivalente. O primeiro passo é calcular o ângulo entre a resultante R e o momento Mo . Depois deve-se decompor o momento numa componente paralela a R (M1) e numa componente ortogonal a R O R M o O R M o = d - M o = O R d B B θ F Mo M1 M2 O F M1 M2 - M2 d O B F M1 d O B ENG 01156 – Mecânica - Aula 04 Prof Inácio Benvegnu Morsch - CEMACOM 29 A 600 N 100 N 400 N 100 Nm 0,4 0,4 0 ,3 45,0° A 500 N 100 N 200 N B C D E 2 1,5 1 1,5 (m) 0 ,5 60o (M2) conforme ilustrado na Fig (4.10b). A seguir a componente M2 deve ser eliminada transportando-se a resultante R para um ponto B conveniente, tal que seja gerado um momento - M2 conforme ilustrado na Fig. (4.10c). O resultado deste processo, Fig. (4.10d), éuma resultante R e um momento M1 que atuam na mesma reta suporte. Esta combinação de uma força com momento colinear é chamado de torsor. O efeito de um torsor sobre um corpo é o de provocar translação e rotação em torno do mesmo eixo, por este motivo o torsor também costuma ser chamado de efeito parafuso. O procedimento ilustrado na Fig. (4.10) é realizado matematicamente seguindo os passos abaixo • Calcular θ : o o MR ⋅ • = MR arccosθ ; • Obter as projeções: θcos1 ⋅= oMM e θsen2 ⋅= oMM • Obter M1 e M2 : RM uM ⋅= 11 em que R R R u = e 12 MMM −= o 4.4 EXERCÍCIOS RESOLVIDOS 1) Reduzir o sistema de forças aplicado ao corpo rígido da figura ao ponto A. Solução: Inicialmente deve-se calcular as componentes da força resultante R. N 84,38245cos400100 −=⋅−−==∑ XX FR N 84,88245sen400600 −=⋅−−==∑ YY FR ( ) N 84,882;84,382 −−=R Outro modo de indicar a resultante é ( ) ( ) N 3,96284,88284,382 22 =−+−=R o x y R R 6,66 84,382 84,882 arctan =→== θθ ou ( ) N 917,0;398,03,962 −−=R v Nm 1,4513,045cos4008,045sen4004,0600100 −=⋅⋅−⋅⋅−⋅−==∑ AA MM ou em notação vetorial Nm 1,451 kM −=A 2) Determine o módulo, sentido e a posição na viga da resultante única equivalente ao sistema de forças dado. Solução: Este exercício tem um grau de dificuldade um pouco superior ao anterior porque não é especificado um ponto para fazer a redução do sistema de forças. Neste caso qualquer um dos pontos ilustrados na figura poderia ser escolhido. No entanto, com objetivo de simplificar a solução elimina-se a possibilidade de escolha do ponto D. Inicia- se o processo calculando-se a resultante R que independe do ponto de escolha para a redução do sistema de forças. N 35060cos500100 =⋅+==∑ XX FR e N 23360sen500200 −=⋅−==∑ YY FR ENG 01156 – Mecânica - Aula 04 Prof Inácio Benvegnu Morsch - CEMACOM 30 Utilizando-se outra notação pode-se escrever a resultante como N 5,420=R com o 7,33=θ Escolhendo-se para redução o ponto A tem-se Nm 2165,01005,32002060sen500 −=⋅−⋅+⋅⋅−==∑ AA MM Com esta operação se reduziu o sistema de forças a uma resultante e um momento resultante em A. A figura abaixo ilustra este resultado. O próximo passo é deslocar a resultante de modo a gerar um momento contrário a MA. Para tal faz-se m 93,0 233 216 ==d a direita de A. É importante ressaltar que aplicou-se apenas o módulo da componente vertical da força porque a componente horizontal não gera momento quando se desloca sobre a viga. Um erro comum neste tipo de problema é dividir o valor do momento pelo módulo da resultante. 3) Quatro rebocadores são usados para trazer um transatlântico ao caís. Cada rebocador exerce uma força de 25 kN nas direções e sentidos ilustrados. Determinar o sistema força- binário equivalente no mastro dianteiro, o ponto no casco onde um só rebocador mais poderoso deverá empurrar para produzir o mesmo efeito que os quatro rebocadores originais Solução: N 2,4545cos25 53cos2560cos25 =⋅+⋅+⋅==∑ XX FR N 9,482553sen2560sen2545sen25 −=−⋅−⋅−⋅==∑ YY FR 90252145cos256045sen252153cos252760sen251560cos25 ⋅−⋅⋅+⋅⋅+⋅⋅−⋅⋅+⋅⋅−==∑ OO MM kNm 99,736−=OM Como o texto diz que um rebocador deverá empurrar a única solução possível está apresentada na figura a seguir. m 34,499,7369,48212,45 −=→=⋅+⋅ xx 420,5 N 216 Nm 33,7A 420,5 N 33,7A 0,93 3060 3027 60° 53° 45° 25 kN 25 kN 25 kN 25 kN 1 5 2 1 O (m) ENG 01156 – Mecânica - Aula 04 Prof Inácio Benvegnu Morsch - CEMACOM 31 Z X Y 500 N 400 N 100 N 600 N 8 2 5 5 A B C O (m) Z X Y 1400 N O x y X Y Z 300 N1000 Nm 200 N 4 m 3 m 5 m 30° A B C O 4) A placa ilustrada na figura é submetida a quatro forças paralelas. Determine o módulo e sentido da resultante única equivalente ao sistema de forças dado e localize o seu ponto de aplicação na placa. Solução: Inicialmente deve-se calcular a resultante. N 1400400500600100 −=−−−==∑ ZZ FR ( ) N 1400,0,0 −=R Para localizar o ponto de aplicação da força resultante, considera-se que esta atua num ponto P de coordenadas (x, y). Aplicando-se o Teorema de Varignon, o momento causado pela resultante em relação ao ponto O deve ser igual a soma dos momentos das forças que atuam no sistema em relação ao mesmo ponto. A figura ao lado ilustra esta solução. Aplicando-se uma solução escalar pode-se escrever ∑= xOx MM m 5,25100104001400 =→⋅+⋅−=⋅− yy ∑= MyMOy m 3610086001400 =→⋅−⋅=⋅ xx Portanto o resultado é uma força de –1400 k N aplicada num ponto P (3 ; 2,5) m. 5) Reduzir o sistema ilustrado na figura ao ponto O. Encontrar o torsor equivalente a este sistema. Solução: Inicialmente deve-se calcular a força resultante. N 12053200 =⋅==∑ XX FR N 16054200 −=⋅−==∑ YY FR N 300==∑ ZZ FR ( ) N 300,160,120 −=R Outra forma de escrever a força resultante que é mais conveniente a este problema é x 45,2 kN O 48,9 kN ENG 01156 – Mecânica - Aula 04 Prof Inácio Benvegnu Morsch - CEMACOM 32 ( ) N 832,0;444,0;333,056,360 −⋅=R ou seja o produto do módulo da resultante pelo seu vetor unitário correspondente. Esta operação é facilmente realizada usando-se a calculadora HP conforme já anteriormente. O próximo passo é calcular o momento em O. Para tal deve-se decompor o momento aplicado no ponto C nas direções Z e Y de modo a se obter ( )866,500,0 − Nm. Depois deve-se calcular os momentos das forças aplicadas em A e B em relação ao ponto O. O momento resultante é então obtido pela expressão ( ) ( ) Nm 386,100,2000 0160120 503 30000 540866,500,0 = − + +−==∑ kjikji M OO M Aplicando-se a mesma notação da força resultante pode-se escrever ( ) Nm 189,0;049,0;981,036,2039 ⋅=OM Até este ponto foi concluída a primeira etapa da questão. Para se obter o torsor equivalente deve-se inicialmente decompor o momento resultante na direção da força resultante e na direção ortogonal a ela. Como os vetores unitários que definem as direções da resultante e do momento resultante são conhecidos pode-se calcular o ângulo θ entre os dois vetores fazendo-se ( ) 47,62462,0arccosarccos =→=•= θθ MoR uu Nm 52,94247,62cos36,20391 =⋅=M e ( ) Nm 832,0;444,0;333,052,9421 −⋅=M ( ) ( ) ( ) Nm 18,398;47,518;14,1686832,0;444,0;333,052,942386,100,200012 −=−⋅−=−= MMM O ( ) Nm 22,0;287,0;932,043,18082 −⋅=M A distância que deve-se deslocar a resultante para eliminar o momento M2 é obtida fazendo-se m 5 56,360 43,1808 ==d medidos numa direção ortogonal a reta suporte da força resultante. A reta suporte do torsor é encontrada fazendo-se 2MRr =× em que r é o vetor posição do eixo do torsor. Executando-se esta operação obtém-se ( )18,398;47,518;14,1686 300160120 −= − zyx kji zyzy 533,062,514,1686160300 −=→=+ (1) zxzx 4,0728,147,518120300 +−=→=+− (2) 18,398120160 −=−− yx (3) Substituindo-se (1) e (2) em (3) deve-se encontrar 0 = 0 salvo erros de arredondamento. As equações (1) e (2) do modo como estão apresentadas são as equações da reta suporte do torsor. Fazendo-se z = 0 nestas equações obtém-se a interseção do eixo do torsor com o plano XY, que é (-1,768 ; 5,62 ; 0). Portanto a resposta da segunda etapa da questão pode ser escrita da seguinte forma: ( ) N 832,0;444,0;333,056,360 −⋅=R , ( ) Nm 832,0;444,0;333,052,9421 −⋅=M aplicados na reta definida pelas equações zy 533,062,5 −= e zx 4,0728,1 +−= ou aplicando-se o princípio da transmissibilidade ( ) N 832,0;444,0;333,056,360 −⋅=R , ( ) Nm 832,0;444,0;333,052,9421 −⋅=M aplicados no ponto (-1,768 ; 5,62 ; 0). ENG 01156 – Mecânica - Aula 04 Prof Inácio Benvegnu Morsch - CEMACOM 33 ENG 1156 – MECÂNICA – TRABALHO 2 Os trabalhos devem ser desenvolvidos em folha A4 branca a caneta e sem rasuras, ou podem ser desenvolvidos em editor de texto. Neste caso, o trabalho pode ser entregue em arquivo (formato .rtf, pdf ou .doc) ou impressoem folha A4 branca. Trabalhos fora destas condições não serão avaliados. 1) Uma força F de módulo, direção e sentido desconhecidos está aplicada no ponto C do cano ABCD conforme figura (1). Determine o momento My de F em relação ao eixo Y sabendo que Mx = 150 Nm e Mz = 90 Nm. Y X Z 0 B C D 600 400 450 A (mm) Figura (1) 2) Determine o valor da força F2, figura (2), que é ortogonal à reta AO, para que o somatório dos momentos em O seja igual a zero. 400 N F 30o 45o 80 15 0 160 2 0 A O ENG 01156 – Mecânica - Aula 04 Prof Inácio Benvegnu Morsch - CEMACOM 34 3) Reduza o sistema de forças apresentado na figura (5) para um sistema força - momento no ponto O. Substitua o sistema resultante por um torsor equivalente. X Y Z 200 N 100 N 1 m 2 m 1 m O 50 N 50 N 100 N
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