aula03

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Mecânica Geral I
3. EQUILÍBRIO
A estática lida, principalmente, com a descrição das condições necessárias e sufici-
entes para manter o equilíbrio de forças em estruturas de engenharia. Desse modo, este
capítulo sobre equilíbrio constitui a parte mais importante da estática e os procedimen-
tos desenvolvidos aqui formam a base para a resolução de problemas tanto em estática
quanto em dinâmica. Faremos uso contínuo dos conceitos desenvolvidos na seção 2 en-
volvendo forças, momentos, binários e resultantes à medida que aplicarmos os princípios
de equilíbrio.
Quando um corpo está em equilíbrio, a resultante de todas as forças atuando nele é
nula. Assim, a força resultante ~R e o momento resultante ~M valem ambos zero e temos
as equações de equilíbrio
∑
~F = 0
∑
~M = 0
Em uma referência cartesiana xyz, devemos escrever estas duas equações em termos
de suas componentes
∑
~F =



∑
Fx = 0
∑
Fy = 0
∑
Fz = 0
∑
~M =



∑
Mx = 0
∑
My = 0
∑
Mz = 0
Essas equações são as condições necessárias e suficientes para o equilíbrio.
Todos os corpos são tridimensionais, mas podemos tratar muitos deles como bidi-
mensionais, quando as forças, às quais eles estão submetidos, atuam em um único plano
ou podem ser projetadas em um único plano. Quando essa simplificação não é possível,
o problema deve ser tratado como tridimensional. Seguiremos a metodologia usada na
seção 2 e discutiremos o equilíbrio de corpos submetidos a sistemas de forças bidimensi-
onais e o equilíbrio de corpos submetidos a sistemas de forças tridimensionais.
Em geral, qualquer sistema de forças pode ser substituído por sua força resultante ~R
e seu momento resultante ~M . Em dinâmica, normalmente escolhemos o centro de massa
como ponto de referência. A mudança no movimento linear do corpo é determinada
pela força resultante e a mudança no movimento angular do corpo é determinada pelo
momento resultante. Em estática, o corpo está em completo equilíbrio quando a força
resultante ~R é zero e o momento resultante ~M também é zero. Assim, a determinação das
resultantes é fundamental tanto em estática como em dinâmica.
Mecânica Geral I
Examinaremos agora as resultantes para vários sistemas de forças especiais.
Forças Concorrentes Para um sistema de forças concorrentes em um ponto, apenas
∑
~F = 0 precisa ser verificada porque não existem momentos em relação ao ponto de
concorrência. A figura 19 ilustra esta condição, onde, automaticamente, o equilíbrio de
momento já está atendido.
Figura 19: Sistemas de forças concorrentes.
Forças Paralelas Para um sistema de forças paralelas, o módulo da força paralela re-
sultante ~R é simplesmente o valor da soma algébrica das forças dadas, já que todas têm
componentes em uma única direção. A posição de sua linha de ação é obtida pelo prin-
cípio dos momentos exigindo-se que ~r × ~R = ~MR. Aqui, ~r é um vetor posicional que se
estende do ponto de referência força-binário à linha de ação final de ~R, e ~MR é a soma dos
momentos das forças individuais em relação ao mesmo ponto de referência. Desta forma,
as equações de equilíbrio de resumem a soma de forças em uma única direção e somatório
de momento nas duas direções ortogonais. A figura 20 mostra um exemplo onde as forças
possuem componentes somente na direção de y, desta forma só podem produzir momento
em torno de x e z, sendo assim as equações utilizadas para verificar o equilíbrio são
Figura 20: Sistemas de forças paralelas.
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Forças Coplanares Se as forças atuam no mesmo plano do corpo, é um caso que pode
ser tratado como bidimensional. A figura 21 ilustra uma situação onde as forças atuam
em um plano xy e a geometria do corpo pertence a este mesmo plano. Neste caso só pode
ocorrer momento em torno de z e o equilíbrio é verificado com as seguintes equações
Figura 21: Sistemas de forças coplanares.
3.1 Diagrama de Corpo Livre
Antes de aplicarmos as equações de equilíbrio, devemos definir, sem qualquer ambi-
guidade, o corpo ou o sistema mecânico específico a ser analisado e representar clara e
completamente todas as forças atuando no corpo. A omissão de uma força que atua no
corpo em questão, ou a inclusão de uma força que não atua no corpo, fornecerá resultados
errados.
Um sistema mecânico é definido como um corpo ou grupo de corpos que podem ser
conceitualmente isolados de todos os outros corpos. Um sistema pode ser um único corpo
ou uma combinação de corpos interligados. Os corpos podem ser rígidos ou não rígidos.
O sistema pode ser também uma massa fluida identificável, tanto líquida quanto gasosa,
ou uma combinação de fluidos e sólidos. Em estática, estudamos principalmente forças
que atuam em corpos rígidos em repouso, embora estudemos também forças atuando em
fluidos em equilíbrio.
Uma vez decidido qual o corpo ou conjunto de corpos a analisar, tratamos, então,
esse corpo ou o conjunto de corpos como um único corpo isolado de todos os outros
corpos vizinhos. Esse isolamento é obtido por intermédio do diagrama de corpo livre,
uma representação esquemática do sistema isolado, tratado como um único corpo. O
diagrama mostra todas as forças aplicadas ao sistema por contato mecânico com outros
corpos, que se imagina terem sido removidos. Se forças apreciáveis de corpo estiverem
presentes, tal como a força da gravidade ou atração magnética, então essas forças também
devem ser mostradas no diagrama de corpo livre do sistema isolado. Apenas depois de tal
diagrama ter sido cuidadosamente construído é que as equações de equilíbrio devem ser
escritas. Devido à sua importância crítica, enfatizamos aqui que o diagrama de corpo
livre é o passo mais importante na solução de problemas em mecânica.
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Antes de tentarmos construir um diagrama de corpo livre, devemos relembrar as ca-
racterísticas básicas de uma força. Estas características foram descritas na Seção 2, dando-
se atenção especial às propriedades vetoriais da força. Forças podem ser aplicadas tanto
por contato físico direto ou por ação remota. Forças podem ser tanto internas quanto ex-
ternas ao sistema sob consideração. A aplicação de uma força é acompanhada por uma
força de reação, e tanto as forças aplicadas quanto as reativas podem ser concentradas
ou distribuídas. O princípio da transmissibilidade permite o tratamento da força como
um vetor móvel enquanto seus efeitos externos sobre um corpo rígido estiverem sendo
considerados.
Usaremos agora essas características das forças para desenvolver modelos conceitu-
ais para sistemas mecânicos isolados. Esses modelos nos permitem escrever as equações
de equilíbrio apropriadas, com o auxílio do diagrama de corpo livre para identificar as
ações (que são fornecidadas como dados do problema) e as reações (que são as incógnitas
a serem determinadas) nas condições de apoio.
Um corpo rígido, ou uma combinação rígida de elementos tratada como um único
corpo, que possui mais apoios externos ou restrições do que o necessário para manter
uma posição de equilíbrio é chamado estaticamente indeterminado. Apoios que podem
ser removidos sem destruir a condição de equilíbrio do corpo são denominados redun-
dantes. O número de elementos de apoio redundantes presente corresponde ao grau de
indeterminação estática e é igual ao número total de forças externas incógnitas menos o
número de equações de equilíbrio independentes disponíveis. Por outro lado, corpos que
são apoiados pelo número mínimo de restrições necessário para assegurar uma configu-
ração de equilíbrio são chamados estaticamente determinados, e para esses corpos as
equações de equilíbrio são suficientes para determinar as forças externas incógnitas.
Os problemas sobre equilíbrio nesse item são restritos a corpos estaticamente deter-
minados, em que as restrições são apenas suficientes para assegurar uma configuração de
equilíbrio estável e em que as forças de apoio incógnitas podem ser totalmente determi-
nadas pelas equações de equilíbrio independentes disponíveis. Problemas estaticamente
inderterminados requerem equações auxiliaresa partir da deformação do corpo, as quais
são estudadas na Resistência dos Materiais.
O procedimento completo para desenhar um diagrama de corpo livre que isola um
corpo ou um sistema consiste nos seguintes passos:
• Passo 1: Decida qual sistema deve ser isolado. O sistema escolhido deve, normal-
mente, envolver uma ou mais das incógnitas a se determinar.
• Passo 2: Em seguida, isole o sistema escolhido, desenhando um diagrama que re-
presente completamente seu contorno externo. Esse contorno define o isolamento
do sistema de todos os outros corpos em contato ou que exerçam atração, que serão
considerados removidos. Esse passo é frequentemente o mais crucial de todos. Te-
nha certeza de que você isolou completamente o sistema antes de prosseguir com o
próximo passo.
• Passo 3: Identifique todas as forças que atuam no sistema isolado devidas aos cor-
pos removidos, que façam contato, ou que exerçam atração, e as represente em suas
posições adequadas no diagrama do sistema isolado. Percorra sistematicamente
todo o contorno para identificar todas as forças de contato. Inclua forças de corpo,
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tal como os pesos, quando forem relevantes. Represente todas as forças conheci-
das por vetores, cada um com seu módulo, direção e sentido adequados indicados.
Cada força incógnita deve ser representada por um vetor com o módulo ou a direção
desconhecida indicada por um símbolo. Se o sentido do vetor for também desco-
nhecido, você deve atribuir um sentido arbitrário. Os cálculos subsequentes com
as equações de equilíbrio fornecerão um valor positivo, se o sentido correto tiver
sido atribuído e um valor negativo, se o sentido incorreto tiver sido considerado. É
preciso ser consistente, durante todos os cálculos, com as características atribuídas
às forças incógnitas. Se você for consistente, a solução das equações de equilíbrio
revelará os sentidos corretos.
• Passo 4: Mostre a escolha dos eixos coordenados diretamente no diagrama. Por
conveniência, dimensões pertinentes podem também ser representadas. Observe,
entretanto, que o diagrama de corpo livre serve para o propósito de focalizar a aten-
ção na ação das forças externas e, portanto, o diagrama não deve ser carregado com
informação excessiva. Distinga claramente os vetores das forças de setas represen-
tando outras quantidades diferentes. Um lápis colorido pode ser usado com esse
propósito.
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3.2 Equilíbrio em duas dimensões
O quadro mostrado na figura 22 ilustra os tipos comuns de aplicação de forças em
sistemas mecânicos, para a análise em duas dimensões. Cada exemplo mostra a força
exercida no corpo a ser isolado, pelo corpo a ser removido. A terceira lei de Newton, que
indica a existência de uma reação igual e oposta para cada ação, deve ser cuidadosamente
observada. A força exercida no corpo em questão por um elemento de contato ou de apoio
é sempre no sentido de se opor ao movimento do corpo isolado, que ocorreria se o corpo
de contato ou de apoio fosse removido.
Figura 22: Modelo de forças.
O exemplo 1 mostra a ação de um cabo flexível, de uma correia, corda ou corrente
sobre o corpo ao qual ele está preso. Devido a sua flexibilidade, uma corda ou um cabo é
incapaz de oferecer qualquer resistência à flexão, cisalhamento ou compressão e, assim,
exerce apenas uma força de tração, em uma direção tangente ao cabo, no seu ponto de
conexão. A força exercida pelo cabo sobre o corpo ao qual ele está preso é sempre para
longe do corpo. Quando a força trativa T for grande comparada com o peso do cabo,
podemos considerar que o cabo forma uma linha reta. Quando o peso do cabo não for
desprezível comparado com a força trativa, a curvatura do cabo se torna importante, e a
força trativa no cabo muda de direção e de módulo ao longo de seu comprimento.
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Quando as superfícies lisas de dois corpos estão em contato, como no exemplo 2, a
força exercida por um corpo no outro é normal à tangente às superfícies e é compressiva.
Embora nenhuma superfície real seja perfeitamente lisa, para propósitos práticos podemos
fazer essa consideração em muitas situações.
Quando as superfícies de corpos que se tocam são rugosas, como no exemplo 3, a
força de contato não é necessariamente normal à tangente às superfícies, mas pode ser
rebatida em uma componente tangencial ou de fricção F e em uma componente normal
N .
O exemplo 4 ilustra diversas formas de apoios mecânicos que efetivamente eliminam
forças de fricção tangenciais. Nesses casos, a reação resultante é normal à superfície de
apoio.
O exemplo 5mostra a ação de uma guia lisa sobre o corpo que ela sustenta. Não pode
existir nenhuma resistência paralela à guia.
Figura 23: Modelo de forças - continuação.
O exemplo 6 do quadro da figura 23 ilustra a ação de uma conexão com um pino.
Tal tipo de conexão pode sustentar uma força em qualquer direção normal ao eixo do
pino. Normalmente representamos essa ação em termos de duas componentes retangu-
lares. O sentido correto dessas componentes em um determinado problema depende de
como o elemento está carregado. Quando o sentido não for conhecido inicialmente, ele é
arbitrariamente especificado e as equações de equilíbrio são então escritas. Se a solução
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dessas equações levar a um sinal algébrico positivo para a componente de força, o sen-
tido atribuído estava correto. Um sinal negativo indica que o sentido é o oposto àquele
inicialmente assumido.
Se a junta for livre para girar em torno do pino, a conexão pode suportar apenas a
força R. Se a junta não puder girar, a conexão pode suportar também um momento de
reação M . O sentido de M está arbitrariamente mostrado aqui, mas o sentido verdadeiro
depende de como o elemento está carregado.
O exemplo 7 mostra as resultantes da distribuição de forças bastante complexas, na
seção transversal de uma barra esbelta, ou de uma viga, engastada ou com um apoio
rígido. O sentido das reações F e V e do momento fletor M em um dado problema
depende, evidentemente, de como o elemento está carregado.
Uma das forças mais comuns é aquela devida à atração gravitacional, exemplo 8. Essa
força afeta todos os elementos de massa em um corpo e é, portanto, distribuída por todo
o corpo. A resultante da força gravitacional em todos os elementos é o peso W = mg
do corpo, que passa pelo centro de massa G e está direcionada para o centro da Terra,
para as estruturas alicerçadas na Terra. A posição de G é frequentemente óbvia a partir
da geometria do corpo, particularmente quando existir simetria. Quando a localização
não é aparente, de imediato, ela deve ser determinada experimentalmente ou por meio de
cálculos.
Observações semelhantes se aplicam à ação remota de forças magnéticas e elétricas.
Essas forças de ação remota têm o mesmo efeito geral em um corpo rígido que forças de
módulo e direção iguais, aplicadas por contato externo direto.
O exemplo 9 ilustra a ação de uma mola linear elástica e de uma mola não linear com
características de endurecimento ou de amolecimento. A força exercida por uma mola
linear, em tração ou em compressão, é dada por F = kx, em que k é a rigidez da mola e
x é sua variação de comprimento, medida a partir da posição neutra ou não deformada.
As representações nos dois quadros anteriores não são diagramas de corpo livre, são
apenas elementos usados para construir diagramas de corpo livre. Estude essas nove
condições e identifique-as nos problemas, de modo que você possa construir os diagramas
de corpo livre corretos.
Exemplos de diagramas de corpo livre :
O quadro da figura 24 dá quatro exemplos de mecanismos e estruturas juntamente
com seus diagramas de corpo livre corretos. Dimensões e valores são omitidos por cla-
reza. Em cada caso tratamos todo o sistema como um único corpo, de modo que as forças
internas não estão mostradas. As características dos vários tipos de forças de contato
ilustradas nos quadros 22 e 23 são usadas, quando aplicáveis, nos quatro exemplos.
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Figura 24: Exemplos de diagramas de corpo livre.Mecânica Geral I
Condições de equilíbrio :
No início desta seção definimos equilíbrio como a condição na qual a resultante de
todas as forças e momentos atuando em um corpo é nula. Enunciado de outro modo,
um corpo está em equilíbrio se todas as forças e momentos aplicados nele estiverem em
equilíbrio. Esses requisitos estão contidos nas equações vetoriais de equilíbrio que, para
duas dimensões no plano xy, podem ser escritas em forma escalar como
∑
Fx = 0
∑
Fy = 0
∑
Mz = 0
Aplicações das equações de equilíbrio no plano caem, naturalmente, em diversas
categorias facilmente identificáveis. As categorias dos sistemas de força atuando sobre
corpos em equilíbrio bidimensional estão resumidas no quadro da figura 25 e são mais
detalhadas a seguir.
Figura 25: Categorias de equilíbrio bidimensional.
Mecânica Geral I
Exemplo 01 Determine os módulos das forças C e T , que, juntamente com as outras três
forças mostradas, atuam no nó de uma treliça de uma ponte, como mostra a figura abaixo.
Solução: Vemos que todas as forças concorrem em um único ponto, logo temos como
diagrama de corpo livre
e as equações de equilíbrio ficam somente
∑
Fx = 0 ⇒ 8 + T cos40o + Csen20o − 16 = 0
∑
Fy = 0 ⇒ T sen40o − Ccos20o − 3 = 0
Da segunda equação⇒ T =
Ccos20o + 3
sen40o
substituindo na primeira: 8 +
(Ccos20o + 3)cos40o
sen40o
+ Csen20o − 16 = 0
Ccos20ocos40o
sen40o
+Csen20o = 16−8−3cos40o
sen40o
⇒ 1, 462C = 4, 425 ⇒ C = 3, 02KN
∴ T =
3, 02cos20o + 3
sen40o
⇒ T = 9, 09KN
Mecânica Geral I
Exemplo 02 Calcule a força trativa T no cabo que sustenta a massa de 500 kg, com o
arranjo de polias mostrado. Cada polia pode girar livremente em torno de seu mancal e
os pesos de todas as peças são pequenos em comparação com a carga. Ache o módulo da
força total no mancal da polia C.
Solução:
O diagrama de corpo livre de cada polia está desenhado em suas posições relativas
com os outros. Começamos pela polia A, que inclui a única força conhecida. Designando
por r o raio da polia, que não foi especificado no problema, o equilíbrio dos momentos
em relação a seu centro O e o equilíbrio de forças na direção vertical requerem
∑
MO = 0 ⇒ T1 · r − T2 · r = 0 ⇒ T1 = T2
∑
Fy = 0 ⇒ T1 + T2 − 500 · 9, 81 = 0 ⇒ 2T1 = 4905 ⇒ T1 = T2 = 2452, 5N
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Na polia B
∑
MO = 0 ⇒ T3 · r − T4 · r = 0 ⇒ T3 = T4
∑
Fy = 0 ⇒ T3 + T4 − T2 = 0 ⇒ 2T3 = 2452, 5 ⇒ T3 = T4 = 1226, 25N
Na polia C
∑
MO = 0 ⇒ T3 · r − T · r = 0 ⇒ T3 = T = 1226, 25
∑
Fy = 0 ⇒ −T3 + T sen30o + Fy = 0 ⇒ Fy = 1226, 25(1− sen30o) ⇒ Fy = 613, 12N
∑
Fx = 0 ⇒ T cos30o − Fx = 0 ⇒ Fx = 1226, 25cos30o = 1061, 96N
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3.3 Equlíbrio tridimensional
Como já esclarecido no início desta seção, as condições de equilíbrio em termos das
componentes escalares dos vetores resultantes força e momento, atendem as equações de
equilíbrio abaixo
∑
~F =



∑
Fx = 0
∑
Fy = 0
∑
Fz = 0
∑
~M =



∑
Mx = 0
∑
My = 0
∑
Mz = 0
A representação correta das forças em um diagrama de corpo livre requer um co-
nhecimento das características das superfícies de contato. Essas características foram
descritas nos quadros das figura 22 e 23 para os problemas bidimensionais e sua extensão
aos problemas tridimensionais está representada na figura 26, para as situações mais co-
muns de transmissão de força. As representações nas figuras 22, 23 e 26 serão usadas na
análise em três dimensões.
A aplicação das equações de equilíbrio recai em quatro categorias que podemos iden-
tificar com a ajuda do quadro na figura 27. Essas categorias diferem no número e tipo
(força ou momento) de equações de equilíbrio independentes necessárias para resolver o
problema.
• Categoria 1, o equilíbrio de forças, todas concorrentes no ponto O, requer todas as
três equações de força, mas nenhuma equação de momento porque o momento das
forças em torno de qualquer eixo que passe por O vale zero.
• Categoria 2, o equilíbrio de forças, que são concorrentes com uma linha, requer
todas as equações, exceto a equação de momento em torno da linha de força, que é
automaticamente satisfeita.
• Categoria 3, o equilíbrio de forças paralelas requer apenas uma equação de força,
aquela na direção das forças (a direção x, como mostrado) e duas equações de
momento em torno dos eixos (y e z) que são normais à direção das forças.
• Categoria 4, o equilíbrio de um sistema geral de forças requer todas as três equações
de força e todas as três equações de momento.
As seis relações escalares das equações de equilíbrio, embora sejam condições ne-
cessárias e suficientes para estabelecer equilíbrio, não fornecem, necessariamente, todas
as informações necessárias para calcular as forças incógnitas que atuam em uma situação
de equilíbrio tridimensional. Novamente, como verificado para duas dimensões, a ques-
tão da adequação das informações é decidida pelas características das restrições impostas
pelos apoios. Existe um critério analítico para determinar a adequação das restrições, mas
ele está além do escopo do conteúdo da Mecânica Geral I.
Mecânica Geral I
Figura 26: Modelo de forças.
Mecânica Geral I
Figura 27: Categorias de equilíbrio tridimensional.
Mecânica Geral I
Exemplo 03: O eixo uniforme de aço, com 7 m de comprimento, tem uma massa de
200 kg e está apoiado sobre o chão por uma rótula em A. A extremidade esférica em B se
apoia na parede vertical lisa, como mostrado. Calcule as forças exercidas pelas paredes e
pelo chão nas extremidades do eixo.
Solução: Primeiramente, o diagrama de corpo livre da barra é construído e as forças
de contato atuando na barra emB são mostradas normais às superfícies das paredes. Além
do pesoW = mg = 200(9, 81) = 1962N , a força exercida pelo chão na rótula emA é re-
presentada pelas suas componentes x, y e z. Essas componentes estão mostradas em seus
sentidos físicos corretos, como fica evidente da necessidade de que A seja mantido em
seu lugar. A posição vertical de B é determinada por
√
22 + 62 + h2 = 7 ⇒ h = 3m.
Eixos coordenados seguindo a regra da mão direita foram atribuídos conforme mostrado.
Usando A como um centro de momentos para eliminar referência às forças atuando
em A. Os vetores posição necessários para calcular os momentos em relação a A são
~rAB = (0− 2)~i+ (0− 6)~j + (3− 0)~k = −2~i− 6~j + 3~k
~rAG = (1− 2)~i+ (3− 6)~j + (1, 5− 0)~k = −1~i− 3~j + 1, 5~k
Mecânica Geral I
A equação vetorial dos momentos resulta em
∑
~MA = 0 ⇒ ~rAB × ~B + ~rAG × ~W = 0
⇒
∑
~MA =


~i ~j ~k
−2 −6 3
Bx By 0

+


~i ~j ~k
−1 −3 1, 5
0 0 −W

 = 0
∑
~MA = (−3By + 3W )~i+ (3Bx − 1W )~j + (−2By + 6Bx)~k = 0~i+ 0~j + 0~k
Em termos das componentes de ~MA = 0, temos
MA
x = 0 ⇒ −3By + 3W = 0 ⇒ By = W = 1962N
MA
y = 0 ⇒ 3Bx − 1W = 0 ⇒ Bx =
W
3
= 654N
MA
z = 0 ⇒ −2By + 6Bx = 0 ⇒ −2 · 1962 + 6 · 654 = 0 ok!
∴ ~B = 654~i+ 1962~j + 0~k (N) ⇒ ‖ ~B ‖=
√
6542 + 19622 = 2068, 13N
Pelo somatório das componentes de forças
∑
Fx = 0 ⇒ Bx − Ax = 0 ⇒ Ax = 654N
∑
Fy = 0 ⇒ By − Ay = 0 ⇒ Ay = 1962N
∑
Fz = 0 ⇒ −W + Az = 0 ⇒ Az = 1962N
∴ ~A = 654~i+ 1962~j + 1962~k (N) ⇒ ‖ ~A ‖=
√
6542 + 19622 + 19622 = 2850, 72N