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Sistema de Força Tridimensional No caso de um sistema de forças tridimensional, como na figura a seguir, podemos decompor as forças em suas respectivas componentes i, j, k, se as forças forem expressas em modo cartesiano, de modo que: FR = ƩFx i + ƩFy j + ƩFz k A itensidade força resultante é dada por FR = O ângulos de direção, são determinados pelas componentes do vetor unitário que atuam na direção de Fr uFr= = i, j, k = cos-1 i = cos-1 j = cos-1 k Quando dois ângulos forem dados no problema, podemos calcular o terceiro com a seguinte equação: cos2 +cos2+cos2=1 Exemplo: Determine a itensidade e a direção da força resultante que atua sobre o encanamento. No entanto, é necessário que 2 < 90°, assim, 2=cos-1(0,7071)=45°. Ao resolver F1 e F2 em suas componentes x, y e z, F1 e F2 podem ser expressas em forma de vetor cartesiano. Representação do Momento de uma Força Quando temos um corpo sujeito à ação de forças de resultante não nula, o corpo pode adquirir tanto movimento de rotação quanto movimento de translação, isso ocorrendo ao mesmo tempo. Sendo assim, podemos definir o momento de uma força como sendo uma grandeza associada ao fato de uma força fazer com que um corpo (ou objeto) gire. Vamos considerar a figura acima, onde o objeto está sujeito à ação de duas forças. O ponto P na figura é chamado de polo e foi determinado aleatoriamente. Definimos momento de uma força em relação a um polo como sendo o produto da força (em módulo, isto é, considerando o valor positivo independentemente se o objeto gira no sentido horário ou anti-horário) pela distância entre o polo e o ponto de aplicação da força (ou linha de ação da força aplicada). O sinal adotado associa-se ao momento de cada força a fim de identificar se a força provoca no corpo um giro (rotação) no sentido horário ou no sentido anti-horário. Sendo assim, tomando como base a figura acima, vemos que a linha de ação de F1 está a uma distância d1 do polo e a linha de ação de F2 está a uma distância d2 do polo. Definimos o momento das forças F1 e F2 da seguinte maneira: M1=+F1.d1 e M2=-F2.d2 Na situação descrita usamos o sinal positivo para a tendência que o objeto tem de girar no sentido anti-horário e o sinal negativo é usado para representar que o objeto tende a girar no sentido horário. No Sistema Internacional de Unidades, a unidade de medida que caracteriza o momento de uma força é newton x metro (N.m). F – newton (N) d – metro (m) M – newton x metro – N.m Momento resultante O momento resultante em relação a um determinado polo é igual à soma algébrica dos momentos de todas as forças aplicadas no objeto, em relação ao mesmo polo. MR = MF1+ MF2+⋯+ MFN Exemplo A fim de erguer o poste de iluminacao a partir da posicao mostrada, a forca F aplicada ao cabo. Se F=1000N, determine o momento produzido por F em relacao ao ponto A. Aplicando a lei dos cossenos Em seguida, aplica-se a lei dos senos Momento em relacao ao ponto A Para entendermos essa definição, precisamos analisar o equilíbrio do corpo, do qual teremos o momento de uma força (que é a capacidade dessa força de fazer girar um objeto). O momento de uma força é representado pela equação matemática: M = Fd, responsável pelo cálculo de rotação do corpo quando se encontra sob a ação de uma força em torno de um ponto. Binário é a ação de duas forças de mesma intensidade, direção e sentidos opostos aplicados em diferentes pontos. Mesmo sofrendo a ação de duas forças, o binário tende a produzir apenas uma rotação. O equilíbrio de um binário só pode acontecer com outro binário, isso porque se uma única força atuar no corpo, provocaria uma força resultante diferente de zero (R≠0), o que não pode ocorrer, pois a força de um binário é nula (R = 0), uma vez que não ocorre aceleração durante o movimento. A representação matemática do binário é dada pela equação: Mbinário = F.d Onde: Mbinário = momento de um binário (torque) F = intensidade de força d = distância perpendicular ou braço do momento Obs: O braço do binário é a distância entre as forças atuantes. Exemplo Dois binarios agem sobre a viga. Determine a itensidade de F de modo que o momento de binario resultante seja 450 lb.ft, anti-horario. Onde atua na viga o momento de binario resultante O momento resultante e um vetor livre. Ele pode atuar em qualquer ponto da viga. Resultante de um Sistema de Forças e Momentos Usando um sistema de várias forças e momentos de binário agindo sobre um corpo pode ser reduzido a uma única força resultante equivalente agindo no ponto O e um momento de binário resultante. Se somarmos as forças e os momentos de binário, obteremos a força resultante Fr=F1+F2 e o momento de binário resultante (MR)o= M+M1+M2 Podemos generalizar o método anterior de reduzir um sistema de forças e binários a uma força resultante Fr equivalente agindo no ponto O e um momento de binário resultante( Mr)O usando as 2 equações a seguir. Fr=F (Mr)o=Mo + M A primeira equação estabelece que a força resultante do sistema seja equivalente à soma de todas as forças; e a segunda equação estabelece que o momento de binário resultante do sistema seja equivalente à soma de todos os momentos de binário M mais os momentos de todas as forças Mo em relação ao ponto O. Se o sistema de forças se situa no plano x-y e quais quer momentos de binário são perpendiculares a esse plano, então as equações anteriores se reduzem às três equações escalares a seguir. (FR)x = Fx (Fr)y = Fy (Mr)o = Mo + M Os seguintes pontos devem ser mantidos em mente ao simplificar um sistema de forças e momentos de binários para um sistema de forças e binário resultante equivalente. Estabeleça os eixos coordenados com a origem localizada no ponto O e o eixo tendo uma orientação selecionada Somátorio das Forças Se o sistema de forças for coplanar, decomponha cada força em suas componentes x e y. Se uma componente estiver direcionada ao longo do eixo positivo x ou y, ela representa um escalar positivo; enquanto se estiver direcionada ao longo do eixo negativo x ou y, ela é um escalar negativo. Em três dimensões, represente cada força como um vetor cartesiano antes de somar as forças. Somátorio dos Momentos A o determinar os momentos de um sistema de forças colpanares em relação ao ponto O, normalmente é vantajoso usar o príncipio dos momentos, ou seja, determinar os momentos das componentes de cada força em vez do momento da própria força. Em três dimensões, use o produto vetorial para determinar o momento de cada força em relação ao ponto O. Aqui, os vetores posição se extendem de O até qualquer ponto sobre a linha de ação de cada força. Exemplo: Substitua o sistema de forças que age sobre a viga por uma força e momento de binário equivalente no ponto A. Em três dimensões: Exemplo: Substitua as duas forças que agem na politriz por uma força e momento de binário resultante no ponto O. Expresse o resultado na forma de um vetor cartesiano. O momento resultante em O: Equilíbrio de um Corpo Rígido Chamamos de corpo rígido ou corpo extenso, todo o objeto que não pode ser descrito por um ponto. Para conhecermos o equilíbrio nestes casos é necessário estabelecer dois conceitos: Centro de massa Um corpo extenso pode ser considerado um sistema de partículas, cada uma com sua massa. A resultante total das massas das partículas é a massa total do corpo. Seja CM o ponto em que podemos considerar concentrada toda a massa do corpo, este ponto será chamado Centro de Massa do corpo. Para corpos simétricos, que apresentam distribuição uniforme de massa, o centro de massa é o próprio centro geométrico do sistema. Como no caso de uma esfera homogênea, ou de um cubo perfeito. Para os demais casos, o cálculo do centro de massa é feito através da média aritmética ponderada das distâncias de cada ponto do sistema. Para calcularmos o centro demassa precisamos saber suas coordenadas em cada eixo do plano cartesiano acima, levando em consideração a massa de cada partícula: Então o Centro de Massa do sistema de partículas acima está localizado no ponto (1,09 , 0,875), ou seja: Como forma genérica da fórmula do centro de massa temos: . Exemplos Desenho o diagrama de corpo livre da bobina de papel de 50kg que possui um centro de massa em G e se apoia sobre a lamina lisa da empilhadeira. Explique o significado de cada forca em acao no diagrama. O significado de cada força: W é o efeito da gravidade(peso) sobre o rolo de papel. NA e NB são as reações da lâmina lisa sobre o rolo de papel. Quando o corpo rigido está sujeito a um sistema de forças, todas situadas no plano x-y, então as forças podem ser decompostas em suas componentes x e y. Consequentemente, as condições para o equilíbrio em duas dimensões são: Fx= 0; Fy=0; M0=0; Exemplo: Determine a componentes horizontal e vertical da reação no pino A e a tração desenvolvida no cabo BC usado para sustentar a estrutura de aço. Em problemas tridimensionais usamos 6 equações para tentar achar todas incógnitas do sistema: Fx= 0; Mx=0; Fy=0; My=0; Fz=0; Mz=0; Exemplo: Se o cabo pode resistir a uma tração máxima de 1,5KN, determine a força máxima F que pode ser aplicada à placa. Calcule as componentes x, y, z da reação na dobradiça A para essa carga. Treliças Denomina-se treliça plana, o conjunto de elementos de construção (barras redondas, chatas, cantoneiras etc.), interligados entre si, sob forma geométrica triangular, através de pinos, soldas, rebites, parafusos, que visam formar uma estrutura rígida, com a finalidade de resistir a esforços normais apenas. A denominação treliça plana deve-se ao fato de todos os elementos do conjunto pertencerem a um único plano. A sua utilização na prática pode ser observada em pontes, viadutos, coberturas, guindastes, torres, etc. Dois métodos de dimensionamento podem ser utilizados para as treliças: • Método dos Nós ou Método de Cremona • Método de Ritter ou Método das Seções (analíticos e usados com maior freqüência) 6.2. Métodos dos Nós ou Método de Cremona A resolução de treliças planas pelo método dos nós consiste em verificar o equilíbrio de cada nó da treliça, seguindo-se os passos descritos a seguir: (a) determinação das reações de apoio (b) identificação do tipo de solicitação em cada barra (barra tracionada ou barra comprimida) (c) verificação do equilíbrio de cada nó da treliça, iniciando-se sempre os cálculos pelo nó que tenha o menor número de incógnitas. Equações necessárias: Fx=0; Fy=0; M=0; Exemplos: A treliça usada para sustentar um balcão está sujeita às cargas mostradas. Considere cada nó como um pino e determine a força em cada membro. Indique se os membros estão sob tração ou compressão. Faça P1=600lb e P2=400lb Nó A Nó B Nó D
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