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Thiago Alencar Nogueira
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como se ocupasse um ponto no espaço. Quando a resultante de todas as forças que atuam sobre um ponto material é nula, este ponto está em equilíbrio. Este princípio é conseqüência da primeira lei de Newton: “se a força resultante que atua sobre um ponto material é zero, este ponto permanece em repouso (se estava originalmente em repouso) ou move-se ao longo de uma reta com velocidade constante (se originalmente estava em movimento)”. Para exprimir algebricamente as condições de equilíbrio de um ponto material, escreve-se: 0==Σ RF onde: F = força R = resultante das forças Matemática - Série Concursos Públicos Curso Prático & Objetivo 8 A representação gráfica de todas as forças que atuam em um ponto material pode ser representada por um diagrama de corpo livre, como indica a figura ao lado. F3 F2 A F4 F1 Figura 2.2 Exemplo: verificar se o sistema de forças indicado está em equilíbrio As condições necessárias e suficientes para o equilíbrio são: 0=Σ xF 0º302000º3010001500 =−−=Σ sensenFx 010005001500 =−−=Σ xF ok 0=Σ yF 0866º30cos1000º30cos2000 =−−=Σ yF 08668661732 =−−=Σ yF ok xA F = 1500N1 F = 1000N3 F = 866N2 30° y F = 2000N4 30° Resposta: O sistema de forças está em equilíbrio 2.3 Resultante de uma força Constata-se experimentalmente que duas forças P e Q que atuam sobre um ponto material podem ser substituídas por uma única força R que tenha o mesmo efeito sobre esse ponto material. Essa força é chamada de resultante de P e Q. Portanto, a resultante de um grupo de forças é a força que, atuando sozinha, produz ação idêntica à produzida pelo grupo ou sistema de forças. A resultante pode ser determinada por soluções gráficas ou analíticas. a) Soluções gráficas: quando um ponto material está em equilíbrio sob a ação de mais de três forças o problema pode ser resolvido graficamente pelo desenho de um polígono de forças, como indicado nas figuras abaixo. Regra do paralelogramo Q A P A P Q R R Matemática - Série Concursos Públicos Curso Prático & Objetivo 9 Regra do Triângulo A Q A R=P+Q P Q P R=P+Q Composição de forças R=F1+F2-F3 F3 R=F1+F2 F1 F1 R=F1+F2+F3 F2 F3 F3 F2 F3 Decomposição de forças F Fx y x y F b) Soluções analíticas: os métodos analíticos utilizam a trigonometria e as equações de equilíbrio. Exemplos Determinar a Resultante das duas forças P e Q agem sobre o parafuso A. Q=60 N 25º 20ºA P=40 N Matemática - Série Concursos Públicos Curso Prático & Objetivo 10 a. Soluções gráficas 35.0° R=98 N A 20º 25º P=40 N Q=60 N R=98 N Q=60 N A P=40 N 35.0° Regra do paralelogramo Regra do triângulo b. Solução analítica: trigonometria Cálculo da força resultante: Lei dos cossenos: BPQQPR cos2222 −+= º155cos604024060 222 ×××−+=R NR 7,97= Cálculo do ângulo α Lei dos senos R senB Q senA = 7,97 º155 60 sensenA = 25,0=senA º15=A º20+= Aα º35º20º15 =+=α A R Q=60 N α P=40 N B 155° C Sabendo-se que o parafuso está fixo, portanto em equilíbrio, existem forças de reação que equilibram as forças Q e P. Este princípio é explicado pela terceira lei de Newton: “A toda ação corresponde uma reação, com a mesma intensidade, mesma direção e sentido contrário”. Portanto, o parafuso está reagindo por uma força de mesma intensidade da resultante de P e Q, mas em sentido contrário. A força de reação pode ser decomposta em duas forças Fx e Fy, que são suas projeções sobre os eixos (x e y). NFx 80º35cos7,97 =×= NsenFy 56º357,97 =×= A R=97,7 N 35° Fx=80 N 20º Fy=56 N R=97,7 N P=40 N 25º Q=60 N 35.0° Matemática - Série Concursos Públicos Curso Prático & Objetivo 11 Verificação do equilíbrio do ponto A Para que o ponto A esteja em equilíbrio é necessário que a somatória de todas as forças que agem no ponto A sejam nulas, ou seja: 0 1 =∑ = n i nF y Q=60 N Fy=56 N x 25º 20ºAFx=80 N P=40 N ∑ = 0xF ∑ =−×+×= 080º20cos40º45cos60xF 00 = ok ∑ = 0yF ∑ =−×+×= 056º2040º4560 sensenFy 00 = ok Um caso particular da terceira lei de Newton é a lei da gravitação que trata da atração da Terra sobre um ponto material localizado em sua superfície. A força de atração exercida pela Terra sobre o ponto material é definida como o seu peso (P). a intensidade do peso P de um ponto material de massa m é expresso como. gmP ⋅= onde g=9,81 m/s2 é a aceleração da gravidade. 2. Determinar as forças nos cabos. gmP ⋅= ( )2/81,9)(75 smkgP ×= NP 736= 30°50° A 75 kg C B 736 N 80° 60° ACT 40° TAB solução gráfica: desenho do polígono de forças. º80 736 º40º60 sensen T sen T ACAB == TAB = 647 N e TAC = 480 N Matemática - Série Concursos Públicos Curso Prático & Objetivo 12 50° 30° A 736 N TAB ACT solução analítica: equações de equilíbrio. 0=Σ xF 0º50cosº30cos =⋅−⋅ ABAC TT º30cos º50cos⋅= ABAC TT (1) 0=Σ yF 0736º30º50 =−⋅+⋅ senTsenT ACAB Substituindo TAC pela relação (1), tem-se 736º30 º30cos º50cosº50 =⋅⋅+⋅ senTsenT ABAB TAB = 647 N e TAC = 480 N Exercícios 1. Determinar a força F e o ângulo α. A AT =2,5 kN BT = 2,5 kN F y α x 50°20° C 20° B50° α F Respostas: F=2,85 kN e α = 74,7º 2. Determinar as forças nos cabos x y 60° 20° AT TB P m=50 kg A 60° 20° B Respostas: TA = 761,3 N e TB = 381 N 3. Determinar a resultante do sistema de forças indicado e o seu ângulo de inclinação em relação ao eixo x. 70° F = 15 N3 F = 10 N1 x50° F = 20 N2 Matemática - Série Concursos Públicos Curso Prático & Objetivo 13 Roteiro: a. Determinar inicialmente a resultante entre as forças F1 e F2 e seu respectivo ângulo (α12) em relação ao eixo x. Chamar a resultante de R12; b. Em seguida, determinar a resultante de todo o sistema, chamando-a de R123 (R123 é a resultante entre R12 e F3); c. Finalmente, determinar o ângulo (α123) de R123 em relação ao eixo x. Respostas: R123 = 32,19 N e α123 = 61,46º 4. Determinar o valor da força F. a) y x 159,65 N 300 N 20° 60° F b) x F60° 346,41 N 30° 200 N y Resp. F = 314,41 N Resp. F = 400 N c) F y x 45° 45° 141,42 N 141,42 N d) y x F30° 60° 45° 250 N 120 N 91,9 N Resp. F = 200 N Resp. F = 255,45 N e) 329,36 N 100 N 100 N F 60° 70° 45° x y f) 65° 61 kg 45° F 450 N Resp. F = 321,74 N Resp. F=268,95 N Matemática - Série Concursos Públicos Curso Prático & Objetivo 14 2.4 Momento de uma força Define-se Momento como a tendência de uma força F fazer girar um corpo rígido em torno de um eixo fixo. O Momento depende do módulo de F e da distância de F em ao eixo fixo. Considere-se uma força F que atua em um corpo rígido fixo no ponto 0, como indicado na figura. A força F é representada por um vetor que define seu módulo, direção e sentido. O vetor d é a distância perpendicular de 0 à linha de ação de F. 0 A d M0 F Define-se o momento escalar do vetor F em relação a 0, como sendo dFM ×=0 onde: M0= momento escalar do vetor F em relação ao ponto 0 0 = pólo ou centro de momento d= distância perpendicular de 0 à linha de ação
