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07/03/2023 Disciplina: Cinemática Prof. Roberto Faculdade de Engenharia Mecânica Universidade Federal de Uberlândia Disciplina: Cinemática Prof. Dr. Roberto de Souza Martins Disciplina: Cinemática Prof. Roberto Faculdade de Engenharia Mecânica Universidade Federal de Uberlândia Programa da Disciplina 1 – Cinemática da partícula 1.1 Introdução: - Cinemática / Dinâmica - Partícula / Corpo rígido - Grandezas cinemáticas fundamentais: posição, deslocamento, velocidade e aceleração; 1.2 Movimento curvilíneo da partícula; 1.3 Velocidade e aceleração angulares de uma linha; 1.4 Derivadas de funções vetoriais em relação à grandezas escalares; 1.5 Movimento retilíneo da partícula: interpretação geométrica; 1.6 Movimento curvilíneo plano da partícula: coordenadas cartesianas, normal, tangencial e polares; 1.7 Movimento curvilíneo espacial da partícula: coordenadas cartesianas, cilíndricas; 1.8 Movimento relativo: plano e espacial. 2 – Cinemática do corpo rígido 2.1 Introdução; 2.2 Movimento de translação; 2.3 Movimento de rotação em torno de um eixo fixo; 2.4 Movimento plano geral: velocidades absolutas e relativas, C.I.R. e acelerações absolutas e relativas; 2.5 Movimento com um eixo fixo; 2.6 Movimento geral: velocidades e acelerações absolutas e relativas. 07/03/2023 Disciplina: Cinemática Prof. Roberto Faculdade de Engenharia Mecânica Universidade Federal de Uberlândia Avaliações Provas: 90 pontos; - 11/04/2023 - Prova 1: 25 pontos - 16/05/2023 - Prova 2: 30 pontos - 20/06/2023 - Prova 3: 30 pontos Trabalhos: 15 pontos (trabalhos de sala – datas a serem definidas conforme andamento das aulas) Prova de recuperação: 27/06/2023 - Aplicada apenas à discentes que não conseguiram obter 60 pontos ao longo do período letivo e que tenha, no mínimo, 75% de presença; - Substitui a menor nota entre as três avaliações; - Conteúdo: de todo o semestre. Disciplina: Cinemática Prof. Roberto Faculdade de Engenharia Mecânica Universidade Federal de Uberlândia Bibliografia BEER, F. e Johnston Jr., E. R., “Mecânica Vetorial para Engenheiros: Cinemática e Dinâmica”, 5º Edição, Makron Books, 1991. HIBBELER, R. C., “Dinâmica: mecânica para engenharia”, 12º edição, Ed. Pearson. MERIAN, J. L., “Dinâmica”, 5º edição, LTC. Bibliografia Complementar: ALONSO, M.; FINN, E. J., Física; Um Curso Universitário – Mecânica, Vol.1. São Paulo, Ed. Edgard Blucher, 1992. Kimbrell, Jack T., Kinematics analysis and synthesis, New York : McGraw-Hill, 1991. Ocvirk, Fred W., Dinâmica das máquinas / Hamilton H. Mabie, Fred W. Ocvirk ; tradução de Edival Ponciano de Carvalho, Edição 2. ed., Rio de Janeiro : Livros Técnicos e Científicos, 1980. SEARS, F.; ZEMANSKY, M. W.; YOUNG, H. D. e FREEDMAN, R. A., Física 1 – Mecânica. 12ª Ed.. São Paulo, Addison Wesley, 2008. TENEMBAUM, R., Dinâmica. Ed. da Universidade Federal do Rio de Janeiro, 1997. Waldron, Kenneth J., Kinematics, dynamics, and design of machinery, Edição: 2nd ed., Hoboken, NJ : J. Wiley, 2004. 07/03/2023 Disciplina: Cinemática Prof. Roberto Faculdade de Engenharia Mecânica Universidade Federal de Uberlândia Mecânica: ramo das ciências físicas que estuda o repouso e o movimento dos corpos sujeitos à ação de forças. Subdivide-se, dentro da engenharia, em: Estática: diz respeito ao equilíbrio de um corpo que está em repouso ou se move com velocidade constante. Dinâmica: trata do movimento acelerado de um corpo. Cinemática: trata somente dos aspectos geométricos do movimento. Cinética: a análise das forças que causam o movimento. Disciplina: Cinemática Prof. Roberto Faculdade de Engenharia Mecânica Universidade Federal de Uberlândia Física do movimento de corpos Cinemática: estuda o comportamento do movimento de um corpo - Partícula - Corpo rígido Dinâmica: forças agente em um corpo e o movimento resultante destas forças 07/03/2023 Disciplina: Cinemática Prof. Roberto Faculdade de Engenharia Mecânica Universidade Federal de Uberlândia Partícula ou Ponto Material • Depende da situação de análise; Ex.: um carro na garagem e em um movimento entre Uberlândia e São Paulo • Partícula pode representar qualquer corpo, como um trem, um avião, um carro, uma bala de canhão, um míssil etc. • Por que ponto e por que material? - Ponto: na resolução de problemas será desprezado as dimensões do corpo em movimento, sempre que as distâncias envolvidas forem muito grandes em relação às dimensões do corpo. - Material: embora as dimensões do corpo sejam desprezadas, sua massa será considerada (dinâmica). • Quando considerar a dimensão: corpo rígido ou flexível Disciplina: Cinemática Prof. Roberto Faculdade de Engenharia Mecânica Universidade Federal de Uberlândia Referencial Examine as seguintes situações: - Quando estamos dentro de um veículo em movimento, a paisagem circundante é fundamental para estabelecermos os conceitos de movimento e repouso; - Quando observamos o movimento do sol através da esfera celeste, podemos concluir que a Terra se movimenta ao redor do Sol; - Uma pessoa nasce e cresce em um ambiente fechado, sem janelas, não saindo dali durante toda a sua existência. Nesse caso, pode ser que essa pessoa não tenha condições de afirmar se aquele ambiente está em repouso ou em movimento. Conclusão Tudo é relativo REFERENCIAL 07/03/2023 Disciplina: Cinemática Prof. Roberto Faculdade de Engenharia Mecânica Universidade Federal de Uberlândia Grandezas Cinemáticas Fundamentais • Posição: determina o local onde o corpo se encontra no instante analisado: • Deslocamento: o quanto o corpo se deslocou em um determinado intervalo de tempo; • Velocidade: taxa de variação da posição do corpo no intervalo de tempo analisado ou em um instante; • Aceleração: taxa de variação da velocidade no intervalo de tempo analisado ou em um instante. OBS.: SÃO TODAS GRANDEZAS VETORIAIS EM 3D Disciplina: Cinemática Prof. Roberto Faculdade de Engenharia Mecânica Universidade Federal de Uberlândia A forma mais efetiva de se aprender os princípios da cinemática é resolver problemas: Leia o problema cuidadosamente e tente correlacionar a situação física real com a teoria que você estudou. Desenhe quaisquer diagramas necessários e tabule os dados do problema. Estabeleça um sistema de coordenadas e aplique os princípios relevantes, geralmente em forma matemática. Solução de problemas 07/03/2023 Disciplina: Cinemática Prof. Roberto Faculdade de Engenharia Mecânica Universidade Federal de Uberlândia A forma mais efetiva de se aprender os princípios da cinemática é resolver problemas: Resolva as equações necessárias algebricamente até onde for prático; em seguida, utilize um sistema de unidades consistente e complete a solução numericamente. Apresente a resposta com o mesmo número de algarismos significativos dos dados fornecidos. Análise a resposta fazendo uso de julgamento técnico e bom-senso para avaliar se ela parece ou não razoável. Uma vez que a solução tenha sido completada, reveja o problema. Tente pensar em outras maneiras de obter a mesma solução Solução de problemas Disciplina: Cinemática Prof. Roberto Faculdade de Engenharia Mecânica Universidade Federal de Uberlândia Cinemática de uma partícula 07/03/2023 Disciplina: Cinemática Prof. Roberto Faculdade de Engenharia Mecânica Universidade Federal de Uberlândia Lembre-se de que uma partícula tem uma massa, mas dimensão e forma desprezíveis. Cinemática retilínea A cinemática de uma partícula é caracterizada ao se especificar, em qualquer instante, posição, velocidade e aceleração da partícula. Cinemática retilínea: movimento contínuo Disciplina: Cinemática Prof. Roberto Faculdade de Engenharia Mecânica Universidade Federal de Uberlândia Posição A trajetória em linha reta de uma partícula será definida utilizando- se um único eixo de coordenada s, Nesse caso, s é positivo, visto que o eixo de coordenada é positivo à direita da origem. Da mesma maneira,ele é negativo se a partícula for posicionada à esquerda de O. Cinemática retilínea: movimento contínuo 07/03/2023 Disciplina: Cinemática Prof. Roberto Faculdade de Engenharia Mecânica Universidade Federal de Uberlândia Deslocamento O deslocamento de uma partícula é definido como a variação na sua posição. Cinemática retilínea: movimento contínuo Disciplina: Cinemática Prof. Roberto Faculdade de Engenharia Mecânica Universidade Federal de Uberlândia Velocidade Se uma partícula se move com um deslocamento ∆s durante o intervalo de tempo ∆t, a velocidade média da partícula durante esse intervalo de tempo é: Consequentemente, a velocidade instantânea é um vetor definido como Cinemática retilínea: movimento contínuo 07/03/2023 Disciplina: Cinemática Prof. Roberto Faculdade de Engenharia Mecânica Universidade Federal de Uberlândia Velocidade Por exemplo: Cinemática retilínea: movimento contínuo Disciplina: Cinemática Prof. Roberto Faculdade de Engenharia Mecânica Universidade Federal de Uberlândia A aceleração instantânea no tempo t é um vetor que é determinado tomando-se valores cada vez menores de ∆t e correspondentes valores cada vez menores de ∆v, de maneira que Cinemática retilínea: movimento contínuo Aceleração 07/03/2023 Disciplina: Cinemática Prof. Roberto Faculdade de Engenharia Mecânica Universidade Federal de Uberlândia Multiplicando a equação da aceleração por ds/ds, temos � � �� �� . �� �� � � �� �� . �� �� Mas, v = ds/dt: Por fim, uma relação diferencial importante envolvendo deslocamento, velocidade e aceleração ao longo da trajetória resulta em: � � �. �� �� �. �� � �. �� Disciplina: Cinemática Prof. Roberto Faculdade de Engenharia Mecânica Universidade Federal de Uberlândia Equações importantes � � �� �� �. �� � �. �� � � �� �� 07/03/2023 Disciplina: Cinemática Prof. Roberto Faculdade de Engenharia Mecânica Universidade Federal de Uberlândia Quando a aceleração é constante, cada uma das três equações cinemáticas pode ser integrada para se obter fórmulas que relacionam ac, v, s e t. Velocidade como uma função do tempo Integre ac = dv/dt, supondo que, inicialmente, v = v0 quando t = 0. Aceleração constante, a = ac Disciplina: Cinemática Prof. Roberto Faculdade de Engenharia Mecânica Universidade Federal de Uberlândia Integre v = ds/dt = v0 + act, supondo que inicialmente s = s0 quando t = 0. Velocidade como uma função da posição Integrando v dv = ac ds, supondo que inicialmente v = v0 em s = s0. Posição como uma função do tempo 07/03/2023 Disciplina: Cinemática Prof. Roberto Faculdade de Engenharia Mecânica Universidade Federal de Uberlândia A dinâmica trata de corpos que têm movimento com aceleração. A cinemática é um estudo da geometria do movimento. A cinética é um estudo das forças que causam o movimento. A cinemática retilínea refere-se ao movimento em linha reta. Velocidade escalar refere-se à intensidade da velocidade. Pontos importantes Disciplina: Cinemática Prof. Roberto Faculdade de Engenharia Mecânica Universidade Federal de Uberlândia A velocidade escalar média é a distância total percorrida dividido pelo tempo total. Isso é diferente da velocidade média, que é o deslocamento dividido pelo tempo. Uma partícula que está se movendo mais devagar está desacelerando. Uma partícula pode ter uma aceleração e, no entanto, ter velocidade zero. Pontos importantes 07/03/2023 Disciplina: Cinemática Prof. Roberto Faculdade de Engenharia Mecânica Universidade Federal de Uberlândia Sistema de coordenadas Estabeleça uma coordenada de posição s ao longo da trajetória e especifique sua origem fixa e direção positiva. Visto que o movimento é ao longo de uma linha reta, as quantidades vetoriais de posição, velocidade e aceleração podem ser representadas como grandezas escalares algébricas. Para trabalho analítico, o sentido de s, v e a é, então, definido por seus sinais algébricos. O sentido positivo para cada um desses escalares pode ser indicado por uma seta mostrada ao lado de cada equação cinemática na forma que ela é aplicada. Procedimento para análise Disciplina: Cinemática Prof. Roberto Faculdade de Engenharia Mecânica Universidade Federal de Uberlândia Quando uma partícula tem um movimento irregular ou variável, uma série de funções será necessária para especificar o movimento em diferentes intervalos. Por essa razão, é conveniente representar o movimento na forma de um gráfico. Cinemática retilínea: movimento irregular 07/03/2023 Disciplina: Cinemática Prof. Roberto Faculdade de Engenharia Mecânica Universidade Federal de Uberlândia Quando uma partícula se move ao longo de uma trajetória curva. Posição Considere uma partícula localizada em um ponto sobre uma curva espacial definida pela função trajetória s(t), A posição da partícula, medida a partir de um ponto fixo O, será designada pelo vetor posição r = r(t). Movimento curvilíneo geral Disciplina: Cinemática Prof. Roberto Faculdade de Engenharia Mecânica Universidade Federal de Uberlândia O deslocamento ∆r representa a variação na posição da partícula e é determinado pela subtração vetorial, Deslocamento 07/03/2023 Disciplina: Cinemática Prof. Roberto Faculdade de Engenharia Mecânica Universidade Federal de Uberlândia Durante o tempo ∆t, a velocidade média da partícula é A velocidade instantânea é determinada a partir dessa equação. Por conseguinte, Velocidade Disciplina: Cinemática Prof. Roberto Faculdade de Engenharia Mecânica Universidade Federal de Uberlândia 07/03/2023 Disciplina: Cinemática Prof. Roberto Faculdade de Engenharia Mecânica Universidade Federal de Uberlândia Visto que dr será tangente à curva, a direção de v também será tangente à curva, Assim, a velocidade escalar pode ser obtida derivando a função trajetória s em relação ao tempo. Velocidade Disciplina: Cinemática Prof. Roberto Faculdade de Engenharia Mecânica Universidade Federal de Uberlândia Para obter a aceleração instantânea, Aceleração 07/03/2023 Disciplina: Cinemática Prof. Roberto Faculdade de Engenharia Mecânica Universidade Federal de Uberlândia A aceleração a está sempre direcionada para o lado interno da trajetória. Obs.: não confundir com o centro da curva. Aceleração Disciplina: Cinemática Prof. Roberto Faculdade de Engenharia Mecânica Universidade Federal de Uberlândia Ocasionalmente, o movimento de uma partícula pode ser mais bem descrito ao longo de uma trajetória que pode ser expressa em termos de suas coordenadas x, y, z. Posição Se a partícula está em um ponto (x, y, z) sobre a trajetória curva s mostrada na figura ao lado, então sua posição é definida pelo vetor posição: r = xi + yj + zk Movimento curvilíneo: componentes retangulares 07/03/2023 Disciplina: Cinemática Prof. Roberto Faculdade de Engenharia Mecânica Universidade Federal de Uberlândia A primeira derivada de r em relação ao tempo produz a velocidade da partícula. O resultado final é A direção é sempre tangente à trajetória, como mostrado na figura ao lado Velocidade Disciplina: Cinemática Prof. Roberto Faculdade de Engenharia Mecânica Universidade Federal de Uberlândia A aceleração da partícula é obtida tomando-se a primeira derivada da equação da velocidade em relação ao tempo. onde: Aceleração 07/03/2023 Disciplina: Cinemática Prof. Roberto Faculdade de Engenharia Mecânica Universidade Federal de Uberlândia A aceleração tem uma intensidade e uma direção especificada pelo vetor unitário ua = a/a. Em geral a não será tangente à trajetória, Aceleração Disciplina: Cinemática Prof. Roberto Faculdade de Engenharia Mecânica Universidade Federal de Uberlândia O movimento curvilíneo pode causar variações tanto na intensidade quanto na direção dos vetores posição, velocidade e aceleração. O vetor velocidade está sempre direcionado tangente à trajetória. Em geral, o vetor aceleração não é tangente à trajetória. Pontos importantes Seo movimento é descrito utilizando-se coordenadas retangulares, então as componentes ao longo de cada um dos eixos não variam a direção; somente sua intensidade e seu sentido (sinal algébrico) variarão. 07/03/2023 Disciplina: Cinemática Prof. Roberto Faculdade de Engenharia Mecânica Universidade Federal de Uberlândia Sistema de coordenadas Um sistema de coordenadas retangulares pode ser usado para solucionar problemas para os quais o movimento pode ser convenientemente expresso em termos das suas componentes x, y, z. Quantidades cinemáticas Visto que o movimento retilíneo ocorre ao longo de cada eixo coordenado, o movimento ao longo de cada eixo é determinado utilizando v = ds/dt e a = dv/dt; ou, nos casos onde o movimento não é expresso como uma função do tempo, a equação a ds = v dv pode ser usada. Procedimento para análise Disciplina: Cinemática Prof. Roberto Faculdade de Engenharia Mecânica Universidade Federal de Uberlândia Quantidades cinemáticas Em duas dimensões, a equação da trajetória y = f(x) pode ser usada para relacionar as componentes x e y da velocidade e aceleração aplicando a regra da cadeia do cálculo. Uma vez que as componentes x, y, z de v e a tenham sido determinadas, as intensidades desses vetores são obtidas por meio do teorema de Pitágoras e seus ângulos de direção coordenados a partir das componentes dos seus vetores unitários. Procedimento para análise 07/03/2023 Disciplina: Cinemática Prof. Roberto Faculdade de Engenharia Mecânica Universidade Federal de Uberlândia O movimento de um projétil em voo livre é frequentemente estudado em termos das suas componentes retangulares. Movimento de um projétil Disciplina: Cinemática Prof. Roberto Faculdade de Engenharia Mecânica Universidade Federal de Uberlândia Visto que ax = 0, a aplicação das equações de aceleração constante, resulta em: A primeira e a última equação indicam que a componente horizontal da velocidade sempre permanece constante durante o movimento. Movimento horizontal 07/03/2023 Disciplina: Cinemática Prof. Roberto Faculdade de Engenharia Mecânica Universidade Federal de Uberlândia Visto que o eixo y positivo está direcionado para cima, então ay = – g. Obtemos A última equação pode ser formulada com base na eliminação do tempo t das duas primeiras equações, e, portanto, apenas duas das três equações anteriormente apresentadas são mutuamente independentes. Movimento vertical Disciplina: Cinemática Prof. Roberto Faculdade de Engenharia Mecânica Universidade Federal de Uberlândia Sistema de coordenadas Estabeleça os eixos de coordenadas x, y fixos e esboce a trajetória da partícula. Entre quaisquer dois pontos sobre a trajetória, especifique os dados fornecidos pelo problema e identifique as três incógnitas. Em todos os casos, a aceleração da gravidade age para baixo e é igual a 9,81 m/s2. As velocidades iniciais e finais da partícula devem ser representadas em termos das suas componentes x e y. Lembre-se de que as componentes positivas e negativas da posição, velocidade e aceleração sempre agem de acordo com suas direções coordenadas associadas. Procedimento para análise 07/03/2023 Disciplina: Cinemática Prof. Roberto Faculdade de Engenharia Mecânica Universidade Federal de Uberlândia Equações cinemáticas Dependendo dos dados conhecidos e do que deve ser determinado, uma escolha deve ser feita quanto as três das quatro equações seguintes que devem ser aplicadas entre os dois pontos sobre a trajetória para se obter a solução mais direta para o problema. Movimento horizontal A velocidade na horizontal ou direção x é constante, ou seja, vx = (v0)x, e x = x0 + (v0)x t Procedimento para análise Disciplina: Cinemática Prof. Roberto Faculdade de Engenharia Mecânica Universidade Federal de Uberlândia Movimento vertical Na vertical ou direção y apenas duas das três equações seguintes podem ser usadas para a solução. Por exemplo, se a velocidade final da partícula vy não é necessária, então a primeira e a terceira dessas equações não serão úteis. Procedimento para análise 07/03/2023 Disciplina: Cinemática Prof. Roberto Faculdade de Engenharia Mecânica Universidade Federal de Uberlândia Disciplina: Cinemática Prof. Roberto Faculdade de Engenharia Mecânica Universidade Federal de Uberlândia 07/03/2023 Disciplina: Cinemática Prof. Roberto Faculdade de Engenharia Mecânica Universidade Federal de Uberlândia Quando a trajetória ao longo da qual uma partícula se move é conhecida, costuma ser conveniente descrever o movimento utilizando-se eixos de coordenadas n e t os quais atuam normal e tangente à trajetória, respectivamente, e no instante considerado tem sua origem localizada na partícula. Movimento curvilíneo: componentes normal e tangencial Disciplina: Cinemática Prof. Roberto Faculdade de Engenharia Mecânica Universidade Federal de Uberlândia Considere a partícula mostrada na Figura acima, que se move em um plano ao longo de uma curva fixa tal que em dado instante ela está na posição s, medida a partir do ponto O. Movimento plano 07/03/2023 Disciplina: Cinemática Prof. Roberto Faculdade de Engenharia Mecânica Universidade Federal de Uberlândia A única escolha para o eixo normal pode ser feita observando-se que geometricamente a curva é construída a partir de uma série de segmentos do arco diferenciais ds, O plano que contém os eixos n e t é referido como o plano osculador, e nesse caso ele é fixo no plano do movimento. Movimento plano Disciplina: Cinemática Prof. Roberto Faculdade de Engenharia Mecânica Universidade Federal de Uberlândia A velocidade da partícula v tem uma direção que é sempre tangente à trajetória, Desse modo, onde: Velocidade 07/03/2023 Disciplina: Cinemática Prof. Roberto Faculdade de Engenharia Mecânica Universidade Federal de Uberlândia A aceleração da partícula é a taxa de variação temporal da velocidade. Assim, Aceleração Disciplina: Cinemática Prof. Roberto Faculdade de Engenharia Mecânica Universidade Federal de Uberlândia Como mostrado na Figura abaixo, precisamos u´t = ut + dut. Aceleração 07/03/2023 Disciplina: Cinemática Prof. Roberto Faculdade de Engenharia Mecânica Universidade Federal de Uberlândia a pode ser escrita como a soma de suas duas componentes, onde: ou e Aceleração Disciplina: Cinemática Prof. Roberto Faculdade de Engenharia Mecânica Universidade Federal de Uberlândia Essas duas componentes mutuamente perpendiculares são mostradas na Figura abaixo. Portanto, a intensidade da aceleração é o valor positivo de: Aceleração 07/03/2023 Disciplina: Cinemática Prof. Roberto Faculdade de Engenharia Mecânica Universidade Federal de Uberlândia Se nenhum movimento ocorre na direção ub, e essa direção e ut são conhecidos, então un pode ser determinado, onde, nesse caso, un = ub × ut. Lembre, entretanto, que un, está sempre do lado côncavo da curva. Movimento tridimensional Disciplina: Cinemática Prof. Roberto Faculdade de Engenharia Mecânica Universidade Federal de Uberlândia Sistema de coordenadas Contanto que a trajetória da partícula seja conhecida, podemos estabelecer um conjunto de coordenadas n e t tendo uma origem fixa, a qual é coincidente com a partícula no instante considerado. O eixo tangente positivo age na direção do movimento e o eixo normal positivo está direcionado para o centro de curvatura da trajetória. Procedimento para análise 07/03/2023 Disciplina: Cinemática Prof. Roberto Faculdade de Engenharia Mecânica Universidade Federal de Uberlândia Velocidade A velocidade da partícula é sempre tangente à trajetória. A intensidade da velocidade é encontrada a partir da derivada temporal da função posição. Aceleração tangencial A componente tangencial da aceleração é o resultado da taxa de variação temporal na intensidade da velocidade. Essa componente age na direção s positiva se a velocidade escalar da partícula está aumentando ou na direção oposta se a velocidade escalar estádiminuindo. Procedimento para análise Disciplina: Cinemática Prof. Roberto Faculdade de Engenharia Mecânica Universidade Federal de Uberlândia Aceleração tangencial As relações entre at, v, t e s são as mesmas que para o movimento retilíneo, nominalmente Se at é constante, at = (at)c, as equações anteriormente apresentadas, quando integradas, resultam em: Procedimento para análise 07/03/2023 Disciplina: Cinemática Prof. Roberto Faculdade de Engenharia Mecânica Universidade Federal de Uberlândia Aceleração normal A componente normal da aceleração é o resultado da taxa de variação temporal na direção da velocidade. Essa componente está sempre direcionada para o centro de curvatura da trajetória, ou seja, ao longo do eixo positivo n. A intensidade dessa componente é determinada por Procedimento para análise Disciplina: Cinemática Prof. Roberto Faculdade de Engenharia Mecânica Universidade Federal de Uberlândia Aceleração normal Se a trajetória é expressa como y = f (x), o raio da curvatura ρ em qualquer ponto sobre a trajetória é determinado pela equação: A derivação desse resultado é dada em qualquer texto básico de cálculo. Procedimento para análise 07/03/2023 Disciplina: Cinemática Prof. Roberto Faculdade de Engenharia Mecânica Universidade Federal de Uberlândia Às vezes, o movimento da partícula está restrito a uma trajetória que é mais bem descrita utilizando-se coordenadas cilíndricas. Se o movimento é restrito ao plano, então coordenadas polares são usadas. Coordenadas polares Podemos especificar a posição da partícula utilizando uma coordenada radial r, que se estende para fora a partir da origem fixa O até a partícula, e a coordenada transversal θ, que é o ângulo no sentido anti-horário entre uma linha de referência fixa e o eixo r. Movimento curvilíneo: componentes cilíndricas Disciplina: Cinemática Prof. Roberto Faculdade de Engenharia Mecânica Universidade Federal de Uberlândia Em qualquer instante, a posição da partícula é definida pelo vetor posição: Velocidade A variação temporal de ur é, então, ∆ur. Para ângulos ∆θ pequenos esse vetor tem uma intensidade Δur ≈ 1 (Δθ) e age na direção uθ. Portanto, Δur = Δθuθ, e assim, Posição 07/03/2023 Disciplina: Cinemática Prof. Roberto Faculdade de Engenharia Mecânica Universidade Federal de Uberlândia A velocidade pode ser escrita na forma de componentes como: onde: Velocidade Disciplina: Cinemática Prof. Roberto Faculdade de Engenharia Mecânica Universidade Federal de Uberlândia Aceleração 07/03/2023 Disciplina: Cinemática Prof. Roberto Faculdade de Engenharia Mecânica Universidade Federal de Uberlândia Podemos escrever a aceleração na forma de componentes como: onde: Visto que ar e aθ são sempre perpendiculares, a intensidade da aceleração é simplesmente o valor positivo de: Aceleração Disciplina: Cinemática Prof. Roberto Faculdade de Engenharia Mecânica Universidade Federal de Uberlândia As derivadas temporais deste vetor são zero, e, portanto, a posição, velocidade e aceleração da partícula podem ser escritas em termos das suas coordena- das cilíndricas, como a seguir: Coordenadas cilíndricas 07/03/2023 Disciplina: Cinemática Prof. Roberto Faculdade de Engenharia Mecânica Universidade Federal de Uberlândia As equações anteriores requerem a obtenção das derivadas temporais , a fim de avaliarmos as componentes r e θ de v e a. Dois tipos de problemas geralmente ocorrem: Se as coordenadas polares são especificadas como equações paramétricas em função do tempo r = r(t) e θ = θ(t), então as derivadas temporais podem ser determinadas diretamente. Se as equações paramétricas em função do tempo não são dadas, então a trajetória r = f (θ) tem de ser conhecida. Utilizando a regra da cadeia do cálculo, podemos encontrar a relação entre ṙ e e entre r̈ e . Derivadas temporais Disciplina: Cinemática Prof. Roberto Faculdade de Engenharia Mecânica Universidade Federal de Uberlândia Sistema de coordenadas Coordenadas polares são uma escolha apropriada para resolver problemas quando os dados relativos ao movimento angular da coordenada radial r descrevem o movimento da partícula. Ademais, algumas trajetórias do movimento podem ser convenientemente descritas em termos dessas coordenadas. Para usar coordenadas polares, a origem é estabelecida em um ponto fixo, e a linha radial r é direcionada para a partícula. A coordenada transversal θ é medida a partir de uma linha de referência fixa até a linha radial. Procedimento para análise 07/03/2023 Disciplina: Cinemática Prof. Roberto Faculdade de Engenharia Mecânica Universidade Federal de Uberlândia Velocidade e aceleração Uma vez que r e as quatro derivadas temporais ṙ, r̈ , e tenham sido avaliadas no instante considerado, seus valores podem ser substituídos nas equações já citadas para obtermos as componentes radiais e transversais de v e a. Se for necessário calcular as derivadas temporais de r = f (θ), então a regra da cadeia do cálculo tem de ser usada. (Ver Apêndice C.) Movimento em três dimensões requer uma extensão simples do procedimento acima para incluir ż e z̈. Procedimento para análise Disciplina: Cinemática Prof. Roberto Faculdade de Engenharia Mecânica Universidade Federal de Uberlândia Em alguns tipos de problemas, o movimento de uma partícula dependerá do movimento correspondente de outra partícula. Por exemplo, o movimento do bloco A para baixo ao longo do plano inclinado na figura ao lado vai causar um movimento correspon- dente do bloco B para cima no outro plano inclinado. Análise de movimento absoluto dependente de duas partículas 07/03/2023 Disciplina: Cinemática Prof. Roberto Faculdade de Engenharia Mecânica Universidade Federal de Uberlândia Procedimento para análise Equação das coordenadas de posição Estabeleça cada coordenada de posição com uma origem posicionada em um ponto ou referência fixa. Não é necessário que a origem seja a mesma para cada uma das coordenadas; entretanto, é importante que cada eixo coordenado escolhido esteja direcionado ao longo da trajetória do movimento da partícula. Disciplina: Cinemática Prof. Roberto Faculdade de Engenharia Mecânica Universidade Federal de Uberlândia Procedimento para análise Equação das coordenadas de posição Utilizando geometria ou trigonometria, relacione as coordenadas de posição ao comprimento total da corda, lT, ou aquela porção da corda, l, que exclui os segmentos que não variam de comprimento à medida em que a partícula se move — tal como segmentos de arco passando em volta de polias. Se um problema envolve um sistema de duas ou mais cordas passando em volta de polias, então a posição de um ponto sobre uma corda deve ser relacionada à posição de um ponto sobre a outra corda utilizando o procedimento que acabamos de descrever. Equações separadas estão escritas para um comprimento fixo de cada corda do sistema e as posições das duas partículas são, então, relacionadas por estas equações. 07/03/2023 Disciplina: Cinemática Prof. Roberto Faculdade de Engenharia Mecânica Universidade Federal de Uberlândia Análise de movimento absoluto dependente de duas partículas Disciplina: Cinemática Prof. Roberto Faculdade de Engenharia Mecânica Universidade Federal de Uberlândia 07/03/2023 Disciplina: Cinemática Prof. Roberto Faculdade de Engenharia Mecânica Universidade Federal de Uberlândia Disciplina: Cinemática Prof. Roberto Faculdade de Engenharia Mecânica Universidade Federal de Uberlândia 07/03/2023 Disciplina: Cinemática Prof. Roberto Faculdade de Engenharia Mecânica Universidade Federal de Uberlândia Disciplina: Cinemática Prof. Roberto Faculdade de Engenharia Mecânica Universidade Federal de Uberlândia 07/03/2023 Disciplina: Cinemática Prof. Roberto Faculdade de Engenharia Mecânica Universidade Federal de Uberlândia Procedimento para análise Derivadas temporais Duas derivadas temporaissucessivas das equações de coordenadas de posições resultam nas equações de velocidade e aceleração necessárias as quais relacionam os movimentos das partículas. Os sinais dos termos nessas equações serão consistentes com aqueles que especificam o sentido positivo e negativo das coordenadas de posição. Disciplina: Cinemática Prof. Roberto Faculdade de Engenharia Mecânica Universidade Federal de Uberlândia Posição Considere as partículas A e B, as quais se movem ao longo de trajetórias arbitrárias mostradas na Figura abaixo: Utilizando-se a adição de vetores, os três vetores mostrados na figura ao lado podem ser relacionados pela equação: Movimento relativo de duas partículas usando eixos de translação 07/03/2023 Disciplina: Cinemática Prof. Roberto Faculdade de Engenharia Mecânica Universidade Federal de Uberlândia Uma equação que relaciona as velocidades das partículas é determinada calculando-se as derivadas temporais da equação anteriormente apresentada; ou seja, Aceleração A derivada temporal da equação acima produz uma relação vetorial similar entre as acelerações absoluta e relativa das partículas A e B. Velocidade Disciplina: Cinemática Prof. Roberto Faculdade de Engenharia Mecânica Universidade Federal de Uberlândia Quando aplicando as equações de velocidade e aceleração relativa, é primeiro necessário especificar a partícula A que é a origem dos eixos de translação x´, y´, z´. Normalmente, esse ponto tem uma velocidade ou aceleração conhecida. Visto que a soma de vetores forma um triângulo, pode haver no máximo duas incógnitas representadas pelas intensidades e/ou direções das quantidades vetoriais. Estas incógnitas podem ser determinadas graficamente, utilizando-se trigonometria (lei dos senos, lei dos cossenos), ou decompondo cada um dos três vetores em componentes retangulares ou cartesianos, gerando dessa maneira um conjunto de equações escalares. Procedimento para análise 07/03/2023 Disciplina: Cinemática Prof. Roberto Faculdade de Engenharia Mecânica Universidade Federal de Uberlândia Disciplina: Cinemática Prof. Roberto Faculdade de Engenharia Mecânica Universidade Federal de Uberlândia 07/03/2023 Disciplina: Cinemática Prof. Roberto Faculdade de Engenharia Mecânica Universidade Federal de Uberlândia Disciplina: Cinemática Prof. Roberto Faculdade de Engenharia Mecânica Universidade Federal de Uberlândia 07/03/2023 Disciplina: Cinemática Prof. Roberto Faculdade de Engenharia Mecânica Universidade Federal de Uberlândia Disciplina: Cinemática Prof. Roberto Faculdade de Engenharia Mecânica Universidade Federal de Uberlândia 07/03/2023 Disciplina: Cinemática Prof. Roberto Faculdade de Engenharia Mecânica Universidade Federal de Uberlândia Disciplina: Cinemática Prof. Roberto Faculdade de Engenharia Mecânica Universidade Federal de Uberlândia 07/03/2023 Disciplina: Cinemática Prof. Roberto Faculdade de Engenharia Mecânica Universidade Federal de Uberlândia Disciplina: Cinemática Prof. Roberto Faculdade de Engenharia Mecânica Universidade Federal de Uberlândia 07/03/2023 Disciplina: Cinemática Prof. Roberto Faculdade de Engenharia Mecânica Universidade Federal de Uberlândia Os carros A e B estão se movimento em pistas circulares, conforme mostrado na figura ao lado. Neste instante, a velocidade de A está diminuindo à taxa de 7 m/s2, enquanto B está acelerando com taxa de 2 m/s2. Com estas informações, determine: a) a velocidade de B, em relação a A; b) a aceleração de B em relação a A.
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