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Dinâmica de Sistema de Vibrações Unidade: Vibração Livre sem Amortecimento Responsável pelo Conteúdo: Prof. Dr. Sergio Turano de Souza Campus Virtual Cruzeiro do Sul | 1 | www.cruzeirodosulvirtual.com.br Unidade: Vibração Livre sem Amortecimento ORIENTAÇÃO DE EST UDOS Olá caros alunos, Nesta unidade discutiremos as vibrações de um corpo rígido com um grau de liberdade sem amortecimento usando a equação de movimento. Utilize o conteúdo teórico e a apresentação narrada para seus estudos, além de exercícios no material complementar. A Atividade de Aprofundamento desta unidade é uma participação sua no Fórum de Discussão (não pontuado), onde uma questão problemática é abordada. Ao final da unidade há a Atividade de Sistematização do conhecimento que consta de exercícios para vocês resolverem. A T E NÇ Ã O: Para um bom aproveitamento do curso, leia o material teórico atentamente antes de realizar as atividades. É importante também respeitar os prazos estabelecidos no cronograma. Campus Virtual Cruzeiro do Sul | 2 | www.cruzeirodosulvirtual.com.br Unidade: Vibração Livre sem Amortecimento CONTEXTUALIZAÇÃO Neste vídeo vemos a animação do movimento harmônico simples estudado nesta unidade. http://www.youtube.com/watch?v=eeYRkW8V7Vg&feature=fvwrel 1 INTRODUÇÃO Uma vibração mecânica é o movimento em torno de uma posição de equilíbrio de um ponto material ou de um corpo que oscila. A maioria das vibrações em máquinas e estruturas são indesejáveis, pois causam aumento de tensões e perdas de energia. Portanto devem ser eliminadas ou reduzidas o quanto possível, através de projetos adequados. A análise de vibrações ser torna cada vez mais importante nos projetos de máquinas cada dia mais leves e rápidas. Nesta disciplina focaremos o estudo em casos simples de vibrações, isto é, vibrações de um corpo ou sistema de corpos com um grau de liberdade. Uma vibração mecânica é geralmente produzida quando um sistema é deslocado de sua posição de equilíbrio. O sistema tende a retornar para a posição estável, sob a ação de forças restauradoras atuando no sistema a fim de “restaurar” o estado original. Como exemplo de forças restauradoras, temos forças elásticas, como no caso de uma massa presa a uma mola, ou de forças gravitacionais, no caso de um pêndulo. O que acontece é que o sistema retorna ao seu estado inicial com certa velocidade que o leva além desta posição. O processo se repete e o sistema se mantém em movimento oscilatório ao redor de sua posição de equilíbrio. O intervalo de tempo necessário para o sistema completar um ciclo inteiro do movimento é chamado período da vibração. O número de ciclos por unidade de tempo é denominado de frequência e o máximo deslocamento do sistema de sua posição de equilíbrio é chamado amplitude da vibração. Campus Virtual Cruzeiro do Sul | 3 | www.cruzeirodosulvirtual.com.br Unidade: Vibração Livre sem Amortecimento O estudo das vibrações é divido em termos das forças atuando no sistema. Quando o movimento é mantido somente por forças restauradoras, dizemos a vibração é livre. Quando uma força periódica atua no sistema o movimento resultante é uma vibração forçada. Quando o efeito do atrito é desprezado, dizemos que as vibrações são não amortecidas. E se considerarmos o atrito, a vibração é dita amortecida, este atrito, em maior ou menor grau faz a amplitude decrescer até o movimento cessar. Dentre as amortecidas ainda há casos onde o amortecimento é tão grande que impede qualquer vibração, fazendo o sistema retornar vagarosamente a sua posição original. Objetivos da disciplina: ‒ Discutir as vibrações de um corpo rígido com um grau de liberdade sem amortecimento, usando a equação de movimento e métodos de energia; ‒ Discutir as vibrações livres com amortecimento viscoso; ‒ Discutir as vibrações forçadas com e sem amortecimento viscoso; ‒ Estudar a analogia com circuitos elétricos para se estudar o movimento vibratório. 2 EQUAÇÃO DO MOVIMENTO O tipo mais simples de movimento de vibração é o de vibração livre e sem amortecimento. Um exemplo pode ser visto na figura abaixo: k m Figura 1 - Movimento de vibração livre e sem amortecimento. Bloco de massa m ligado a uma mola de rigidez k sobre uma superfície lisa. Campus Virtual Cruzeiro do Sul | 4 | www.cruzeirodosulvirtual.com.br Unidade: Vibração Livre sem Amortecimento Na Figura 01 um bloco de massa m está ligado a uma mola de rigidez, ou constante de mola k . O movimento de vibração acontece quando o bloco é deslocado de sua posição inicial e depois solto, a mola deformada, puxa o bloco de volta a sua posição inicial. O bloco atingirá uma velocidade tal que será capaz de passar pela sua posição inicial em 0x . Consideraremos nesta unidade, as forças de atrito nulas, ou seja, uma superfície lisa, assim o movimento oscilatório adquirido continuará indefinidamente. A força elástica, que é a força restauradora, é definida por xkFmola . , e aponta na direção do movimento, ou seja, na direção do ponto de equilíbrio inicial. A aceleração que o bloco obtém também será tomada na direção do movimento. A aceleração pode ser escrita como: x dt xd a 2 2 Para mais detalhes sobre a nomenclatura utilizada nesta fórmula, vejam este quadro: Considerando todos os movimentos na direção do eixo x , temos que a força atuando devido à aceleração é escrita por, xmovimento amF . Como a somatória das forças atuando no sistema da direção do eixo x se igualam a zero, podemos escrever, xmxk amxk amxk FF x x movimentomola .. .. 0.. 0 Observamos que a aceleração é proporcional ao deslocamento do bloco. Este movimento é denominado movimento harmônico simples. Rearranjando a equação: Clique aqui para mais detalhes sobre a nomenclatura utilizada nesta fórmula (Derivada Temporal) Campus Virtual Cruzeiro do Sul | 5 | www.cruzeirodosulvirtual.com.br Unidade: Vibração Livre sem Amortecimento Clique Aqui! 0. 0. 0.. 2 xx x m k x xkxm n onde a constante n dada por m k n é chamada de frequência angular natural ou pulsação natural e é expressa em radianos por segundo (rad/s). Analisaremos agora a situação do bloco suspenso e medimos o deslocamento y a partir de sua posição de equilíbrio, como mostra a figura abaixo. m k Figura 2 - Bloco suspenso por uma mola. Quando o bloco está em equilíbrio, a mola exerce uma força para cima igual à Força Peso W (outros livros utilizam as letras G ou P para definir a Força Peso), dada pelamassa do bloco vezes a aceleração da gravidade, gmWF . Campus Virtual Cruzeiro do Sul | 6 | www.cruzeirodosulvirtual.com.br Unidade: Vibração Livre sem Amortecimento Deslocando o bloco para uma distância y , abaixo da posição de equilíbrio, a intensidade da força será dada pela soma da Força Peso com a Força de Restauração da mola, ykgmF .. Igualando-se todas as forças atuando no eixo y do movimento, temos: ymyk amyk gmamgmyk PesoFF y y movimentomola .. .. .... Reescrevendo em termos da frequência angular natural, 0. 2 yy n Esta equação tem a mesma forma da equação obtida para o movimento do plano horizontal. 3 SOLUÇÃO DA EQUAÇÃO DO MOVIMENTO A equação diferencial 0. 2 xx n é do tipo linear de segunda ordem com coeficientes constantes. Nota-se que as funções tx nsin1 e tx ncos2 satisfazem a equação. Essas funções são, portanto, duas soluções particulares da equação diferencial. Para verificar a solução veja o quadro: Campus Virtual Cruzeiro do Sul | 7 | www.cruzeirodosulvirtual.com.br Unidade: Vibração Livre sem Amortecimento Para verificar se tx nsin1 é solução de 0. 2 xx n , calculamos: Substituindo x e x na equação 0. 2 xx n , temos: Que mostra que tx nsin1 é uma solução. A analogia vale para: Multiplicando as soluções particulares pelas constantes arbitrárias de integração A e B e somando-as obtemos uma solução geral para a equação, dada por: tBtAx nn cossin Podemos agora calcular a velocidade e a aceleração do bloco, através de derivadas temporais sucessivas, resultando em tBtAxa tBtAxv nnnn nnnn cossin sincos 22 tt dt d x tt dt d x tx nnnn nnn n sincos cossin sin 2 0sinsin 22 tt nnnn tx ncos2 Campus Virtual Cruzeiro do Sul | 8 | www.cruzeirodosulvirtual.com.br Unidade: Vibração Livre sem Amortecimento Condições iniciais As constantes arbitrárias A e B podem ser determinadas pelas condições iniciais do problema. Por exemplo, no caso do bloco deslocando-se no plano liso (Figura 01), no instante inicial (t = 0) o bloco foi deslocado para a direita uma distância 1x de sua posição de equilíbrio e foi lhe dada uma velocidade inicial 1vv . Substituindo 1xx e 0t em tBtAx nn cossin , como 00sin e 10cos , obtemos Bx 1 Substituindo agora 1vv e 0t em tBtAv nnnn sincos , temos, 0sin0cos 11 nn xAv n v A 1 Assim, a equação que descreve o movimento é dada por: txt v x nn n cossin 1 1 Função seno As equações obtidas para o deslocamento, velocidade e aceleração do ponto podem ser reescritas de forma mais compacta em termos de uma função seno. Sejam cosCA e sinCB onde C e são duas novas constantes arbritárias a serem deteminadas no lugar de A e B . A relação entre as constantes é dada por: 22 BAC . Substituindo na equação, temos, tCtCx nn cossinsincos Campus Virtual Cruzeiro do Sul | 9 | www.cruzeirodosulvirtual.com.br Unidade: Vibração Livre sem Amortecimento Utilizaremos a identidade trigonométrica: sinsincoscossin para simplicar a equação em, tCx nsin E consequentemente, temos: tCxa tCxv nn nn sin cos 2 Gráfico Um gráfico de x versus tn para a equação é mostrado na Figura 03. O deslocamento máximo do bloco em relação à sua posição de equilíbrio é a amplitude da vibração que é a constante C . O ângulo é chamado de fase inicial ou ângulo de fase e representa quanto a curva está deslocada em relação à origem no instante 0t . x C C Período T n Figura 3 - Gráfico de x versus tn para a equação tCx nsin . O período T é igual a um ciclo 2π = tn . Para este exemplo ϕ = 0. Campus Virtual Cruzeiro do Sul | 10 | www.cruzeirodosulvirtual.com.br Unidade: Vibração Livre sem Amortecimento Período e frequência Observamos pela Figura 03 que a curva senoidal completa um ciclo em um tempo Tt , ou seja, quando o ciclo Tn 2 , assim, n TPeríodo 2 Esse tempo é denominado período, e também pode ser expresso por, k m T 2 A frequência f é definida como o número de ciclos por unidade de tempo, ou seja, o inverso do período, 2 1 n T fFrequência A unidade da frequência no S.I. (Sistema Internacional de Unidades) é hertz (símbolo Hz), de forma que 1Hz = 1 ciclo/s = 2π rad/s. Frequência natural Quando um corpo ou sistema de corpos interligado sofre um deslocamento inicial a partir de sua posição de equilíbrio e é, em seguida, abandonado, o corpo passa a vibrar com sua frequência natural n . Se o corpo apresenta apenas um grau de liberdade, isto é, se sua posição pode ser descrita em apenas uma coordenada, então o movimento de vibração terá as mesmas características do movimento harmônico simples do sistema bloco- mola descrito no início desta unidade. Assim, o movimento do corpo é descrito pela equação: 0. 2 xx n Campus Virtual Cruzeiro do Sul | 11 | www.cruzeirodosulvirtual.com.br Unidade: Vibração Livre sem Amortecimento E se a frequência angular natural n do corpo for conhecida, o período da vibração T , a frequência natural f e outras características do movimento de vibração do corpo podem ser determinadas. PONTOS IMPORTANTES A vibração livre ocorre quando o movimento é mantido por forças restauradoras gravitacionais ou elásticas. A amplitude é o deslocamento máximo de um corpo. O período é o tempo para se completar um ciclo. A frequência é o número de ciclos completos por unidade de tempo. Um sistema com um grau de liberdade exige apenas uma coordenada para definir a sua posição. EXEMPLOS EXEMPLO.1 Uma mola apresenta rigidez k = 600 N/m. O sistema está na vertical, e um bloco de 4,0 kg é preso à mola. O bloco é empurrado 50 mm acima da sua posição de equilíbrio e solto. Determine a equação que descreve o movimento do bloco. Suponha que os deslocamentos positivos sejam medidos parabaixo. Resolução: A equação que descreve o movimento é: tBtAx nn cossin . vamos determinar as constantes A, B e a frequência angular. Primeiro a frequência angular: srad kg mN m k n 25,12 0,4 600 . No ponto inicial, em t = 0, temos o deslocamento x = - 0,050 m (negativo pois, neste exemplo, o deslocamento é para cima e os deslocamentos positivos são medidos para baixo) e a velocidade inicial nula, v = 0. Substituindo em tBtAx nn cossin , obtemos: BBABA 00cos0sin025,12cos025,12sin05,0 E obtemos o valor de B = - 0,05. Campus Virtual Cruzeiro do Sul | 12 | www.cruzeirodosulvirtual.com.br Unidade: Vibração Livre sem Amortecimento Substituindo agora, na equação da velocidade: tBtAv nn sincos 025,12.025,12sin25,12025,12cos25,120 ABA Obtemos A = 0. Substituindo agora os valores obtidos de A , B e na equação geral do movimento: mtx 25,12cos05,0 EXEMPLO.2 Um bloco de massa 3,0 kg está preso a uma mola que se alonga 60 mm. Determine a freqüência natural e o período de vibração se um bloco de 0,5 kg estiver ligado à mola. Resolução: Com os dados da massa de 3,0 kg e da alongação de 60 mm podemos calcular o k da mola. xkF . , onde a força F é dada pela massa do bloco vezes a aceleração da gravidade. Considere 28,9 smg . mN m smkg x gm x F k 490 060,0 8,90,3. 2 A constante da mola não varia com a massa, assim podemos calcular a frequência angular com a nova massa, srad kg mN m k n 3,31 5,0 490 A frequência natural é determinada por, 2 3,31 2 srad f n Hzf 98,4 E o período: Hzf T 97,4 11 sT 20,0 Campus Virtual Cruzeiro do Sul | 13 | www.cruzeirodosulvirtual.com.br Unidade: Vibração Livre sem Amortecimento EXEMPLO.3 Um bloco de 50 kg é pendurado por molas de duas maneiras, como mostra a figura. O bloco é puxado 40 mm abaixo de sua posição de equilíbrio e então liberado. A rigidez de cada mola é 1k = 4,0 KN/m e 2k = 6,0 KN/m. Para cada um dos casos determine o período de vibração. . m k2 m k1 k1 k2 RESOLUÇÃO: a) Molas em Paralelo. Como para uma deformação x os módulos das forças exercidas pelas molas são xk 1 e xk 2 temos xkkxkxkF 2121 A constante k de uma única mola equivalente mkNmkNmkNkkkP /0,10/0,6/0,421 n T 2 onde srad kg mN m k n 1,14 50 101 4 srad T 1,14 2 sT 444,0 b) Molas em Série. Determinaremos a constante k de uma única mola equivalente, 21 21 k F k F xxx e verificamos que 21 111 kkk Campus Virtual Cruzeiro do Sul | 14 | www.cruzeirodosulvirtual.com.br Unidade: Vibração Livre sem Amortecimento OBS: Atenção note que as fórmulas são ao contrário da relação série- paralelo de resistores! mNk mkNmkNkkk S S 3 21 104,2 /6 1 /4 1111 srad kg mN m k n 9,6 50 104,2 3 srad T 9,6 2 sT 91,0 EXEMPLO.4 Uma barra uniforme é apoiada em suas extremidades pelas molas, cada uma com a mesma rigidez k . Se nada está apoiado na barra, o período de vibração vertical da barra é de 0,83 s. Quando colocamos sobre seu centro uma massa de 50 kg, seu período se altera para 1,52 s. Calcule a rigidez de cada mola e a massa da barra. kk RESOLUÇÃO: O período da barra pode ser descrito como: k m T n 2 2 . Sem a massa extra, adotando Bm como a massa da barra e lembrando que as constantes k se somam, podemos escrever: Campus Virtual Cruzeiro do Sul | 15 | www.cruzeirodosulvirtual.com.br Unidade: Vibração Livre sem Amortecimento k m s B 2 283,0 (eq.1) Com a massa de 50 kg, temos k kgm s B 2 50 252,1 (eq.2) Manipulando a eq.1: kmB 0349,0 (eq.3) Manipulando a eq.2: kmB 1170,050 (eq.4) Substituindo a eq.3 na eq.4: kk 1170,0500349,0 Obtemos mNk 609 e kgmB 2,21 . EXERCÍCIOS PROPOSTOS EXERCÍCIO.1 Uma mola de rigidez k = 80 N/m é utilizada para suspender um bloco de massa 8,0 kg. É dada ao bloco uma velocidade inicial para cima de 0,4 m/s quando este está 90 mm acima da sua posição de equilíbrio, determine a equação que descreve o movimento do bloco e seu deslocamento máximo a partir da posição de equilíbrio. Suponha que os deslocamentos positivos sejam medidos para baixo. Respostas: ttx 16,3cos09,016,3sen126,0 m e mC 155,0 . EXERCÍCIO.2 Considere um bloco de 6,0 kg suspenso por uma mola de rigidez k = 200 N/m. É dada ao bloco uma velocidade de 0,4 m/s para cima quando este está 75 mm acima da sua posição de equilíbrio. Determine a equação que descreve o movimento do bloco e o seu deslocamento máximo, medido a partir da sua posição de equilíbrio. Suponha que os deslocamentos positivos sejam medidos para baixo. Respostas: x = -0,0693sen(5,77t) – 0,075cos(5,77t) m e C = 0,102m Campus Virtual Cruzeiro do Sul | 16 | www.cruzeirodosulvirtual.com.br Unidade: Vibração Livre sem Amortecimento MATERIAL COMPLEMENTAR Como material complementar desta unidade temos um exemplo extra e sugiro a leitura de capítulos dos livros texto. Exercício. Extra No “power point narrado” discutimos a solução para o pêndulo simples. Nesta solução simplificamos, para pequenas oscilações, que sin , como ficaria a resolução do exercício sem esta aproximação? A resolução do período g l 2 é somente aproximada. Para obter uma equação exata para o período de oscilações, temos a equação: 0sin l g Multiplicando ambos os termos por 2 e integrando de uma posição inicial correspondente à máxima deflexão, isto é, m a 0 , obtemos m l g coscos22 Substituindo cos por 2sin21 2 , isolando dt (que vem de 22 dtd ) e integrando em um quarto de período de t = 0, 0 a t = T/4, m , temos m sinsin d g l m 0 22 22 2 Fazendo sin2sin2sin m podemos escrever 2 0 22 sin2sin1 4 m d g l Campus Virtual Cruzeiro do Sul | 17 | www.cruzeirodosulvirtual.com.br Unidade: Vibração Livresem Amortecimento onde a integral, comumente chamada de K, pode ser encontrada nas Tabelas de Integrais Elípticas. A fim de comparar o resultado obtido com o já obtido, escrevemos na forma: g lK 2 2 Esta fórmula mostra que o valor correto do período de um pêndulo simples pode ser obtido multiplicando-se o valor aproximado pelo fator de correção K2 . O valor deste fator de correção varia com o ângulo m . Para ângulos até 100 o valor é desprezível. Mesmo para valore até 600, este termo é de aproximadamente 1,07, e dependendo da precisão desejada, também pode ser desprezado. Leitura.Extra Sugiro a leitura do capítulo 22, item 22.1, do livro: Hibbeler, R.C. Dinâmica : mecânica para engenharia, vol. 2 / R.C. Hibbeler; tradutor técnico Mário Alberto Tenan. – São Paulo : Prentice Hall, 2005. E do capítulo 19 do livro: Beer, Ferdinand Pierre. Mecânica vetorial para engenheiros / Ferdinand P. Beer, E. Russell Johston, Jr ; tradução Mário Alberto Tenan ; revisão técnica Giorgio E. O. Giacaglia. – 5. ed. – São Paulo : Makron, McGraw-Hill, 1991. Campus Virtual Cruzeiro do Sul | 18 | www.cruzeirodosulvirtual.com.br Unidade: Vibração Livre sem Amortecimento ANOTAÇÕES _________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________ Campus Virtual Cruzeiro do Sul | www.cruzeirodovirtual.com.br 20 Unidade: Vibração Livre sem Amortecimento www.cruzeirodosul.edu.br Campus Liberdade Rua Galvão Bueno, 868 01506-000 São Paulo SP Brasil Tel: (55 11) 3385-3000 Campus Virtual Cruzeiro do Sul | www.cruzeirodovirtual.com.br
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