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– 1 – Considere um disco circular de raio r, conforme a Figura 1. Este disco gira em torno do eixo perpendicular que passa pelo seu centro O. Em um ponto A na extremidade do disco, há uma barra articulada (segmento BA ) que gira sempre perpendiculamente ao disco. Determine a aceleração do ponto B. 0 A B r Mancal Figura 1 – Representação esquemática do sistema O objetivo deste exemplo é explorar as diversas formas de se obter uma mesma grandeza. São consideradas cinco maneiras diferentes de se obter a aceleração linear absoluta do ponto B. A primeira solução é obtida derivando-se duas vezes o vetor posição absoluta do ponto B descrito no SR fixo. Em seguida, são apresentadas duas soluções considerando dois referenciais móveis distintos (um solidário ao disco e outro solidário à barra BA ). Além disso, cada uma destas soluções é descrita em cada um dos dois sistemas de referência móveis. Por fim, é feita uma verificação dos resultados encontrados, utilizando-se as matrizes de transformação. ª Transformação do sistema de coordenadas: Para a solução do problema, considere duas rotações sequenciais do SR fixo, conforme as Figuras 2a e 2b. Na Figura 2a, arbitra-se um sistema de referência fixo ),,( zyxF que sofre uma rotação de um ângulo α no sentido trigonométrico (positivo) em torno do eixo z. Esta rotação dá origem ao sistema de referência ),,( zyxQ ′′′ solidário ao disco. Na Figura 2b, – 2 – trazendo o sistema de referência ),,( zyxQ ′′′ para o ponto A, efetua-se uma nova rotação de um ângulo β no sentido trigonométrico em torno do eixo x’. Obtém-se assim o sistema de referência ),,( zyxR ′′′′′′ solidário ao braço BA . Observação: Os sistemas de referência foram escolhidos de forma que todas as rotações aconteçam no sentido trigonométrico (positivo) para facilitar a obtenção das matrizes de transformação. Isto elimina a preocupação com o sinal das funções seno e co-seno das matrizes de transformação. Assim, tem-se as seguintes mudanças no sistema de coordenadas: β (1)F ( x, y, z ) Sistema Fixo Q ( x’, y’, z’ ) Sistema Móvel (Solidário ao disco) α (3) R ( x”, y”, z” ) Sistema Móvel (Solidário à barra AB) 0 ≡ 0’ A B α α x y z ≡ z’ y’ x’ α 0 0’ ≡ 0” ≡ A B β β y’ y’’ z’’ z’ x’ ≡ x’’ β Figura 2 – (a) Mudança no sistema de referência ) , ,( zyxF → ),,( zyxQ ′′′ ; (b) Mudança no sistema de referência ),,( zyxQ ′′′ → ),,( zyxR ′′′′′′ . ª Matrizes de transformação: ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ − = 100 0)( cos)( sen 0)( sen)( cos tt tt T QF αα αα ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ −= )( cos)( sen0 )( sen)( cos0 001 tt ttT RQ ββ ββ – 3 – Para simplificar as expressões, são feitas as seguintes considerações: αα =)( t , ββ =)( t . 1ª Solução: Obtenção da aceleração absoluta do ponto B derivando-se duas vezes o vetor posição absoluta do ponto B descrito no SR fixo. [ ] BFBFBF rrtdda &&== 22 Observação: Lembrando que qualquer grandeza vetorial descrita no SR ) , ,( zyxF pode ser derivada apenas fazendo a derivada temporal de cada uma de suas componentes. ª Determinação do vetor posição absoluta do ponto B descrito no SR ) , ,( zyxF – ( BF r ): O vetor B F r pode ser decomposto da seguinte forma: B F AA F B F rrr += . Observando-se as Figuras 3a e 3b, nota-se que o vetor posição absoluta de A é mais facilmente descrito no SR ),,( zyxQ ′′′ , enquanto o vetor posição relativa do ponto B com respeito ao ponto A tem sua descrição mais simples no SR ),,( zyxR ′′′′′′ . 0 ≡ 0’ A z’ y’ x’ α r 0” ≡ A B y’’ z’’ x’’ β Figura 3 – (a) Posição absoluta do ponto A descrita no SR ),,( zyxQ ′′′ ; (b) Posição relativa do ponto B com respeito ao ponto A descrita no SR ),,( zyxR ′′′′′′ . – 4 – Desta forma, obtêm-se os vetores A Q r e B R A r , conforme a seguir: ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ = 0 0 rr A Q e ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ = 0 0 Lr B R A . É necessário aplicar a matriz de transformação a ambos os vetores para obtê-los no SR ) , ,( zyxF . Portanto: ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡− = ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ − == 0 cos sen 0 0 100 0cossen 0sencos α α αα αα r r rrTr A QQF A F ( ) ( ) ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡− = ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ − = ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ = = ⎟⎟ ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ −=== β βα βα β βαα αα β β ββ ββ sen coscos cossen sen cos 0 100 0cossen 0sencos sen cos 0 0 0 cossen0 sencos0 001 L L L L L L LT LTrTTrTr QF QF B R A RQQF B Q A QF B F A Observação: Note que para determinar o vetor BA r descrito no SR ) , ,( zyxF , é necessário aplicar duas matrizes de transformação. De posse de A F r e B F A r , escreve-se B F r : ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ + −− = ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡− + ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡− =+= β βαα βαα β βα βα α α sen coscoscos cossensen sen coscos cossen 0 cos sen L Lr Lr L L L r r rrr B F AA F B F ª Determinação do vetor aceleração absoluta do ponto B descrito no SR ) , ,( zyxF – ( BF a ): Derivando-se a primeira vez o vetor B F r , obtém-se o vetor velocidade absoluta do ponto B descrito no SR ) , ,( zyxF , ou seja: – 5 – [ ] ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ −−− +−− = = ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ + −− === ββ βαββαααα βαββαααα β βαα βαα cos sencoscossensen sensencoscoscos sen coscoscos cossensen L LLr LLr L Lr Lr td drr td dv B F B F B F & &&& &&& & Derivando-se novamente o vetor B F r , obtém-se o vetor aceleração absoluta do ponto B descrito no SR ) , ,( zyxF , ou seja: [ ] [ ] ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ + −+− +++ ⎢⎢ ⎢⎢ ⎣ ⎡ +− −+−−−− +++−+− = = ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ −−− +−− ==== 0 coscossensensencos cossensencossensen sencos sensencoscoscossencossen sencoscossencoscossencos cos sencoscossensen sensencoscoscos 2 2 2 22 22 2 2 βαββαβαβαβ βαββαβαβαβ ββββ βαβαβααβαααααα βαβαβααβαααααα ββ βαββαααα βαββαααα LLL LLL LL LLLrr LLLrr L LLr LLr td drv td dr td da B F B F B F B F &&&&& &&&&& &&& &&&&&&&& &&&&&&&& & &&& &&& && 2ª Solução: Obtenção da aceleração absoluta do ponto B embarcado no referencial ),,( zyxQ ′′′ descrita no SR ),,( zyxQ ′′′ . Bl Q QBl Q QQ Q B Q AQ Q Q Q A Q B Q avraa Re Re 2 ~ 2 ~~ ++⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ ++= ωαω ª Determinação do vetor aceleração absoluta do ponto A no SR ),,( zyxQ ′′′ – ( AQ a ): De acordo com a Figura 4 e segundo o sistema de referência ),,( zyxQ ′′′ , obtêm-se as componentes da aceleração normal (centrípeta) aN e da aceleração tangencial aT. – 6 – 0 A ≡ 0’ y’ z’ x’ r a N a T α Figura 4 – Aceleração absoluta do ponto A descrita no SR ),,( zyxQ ′′′ : Lembrando que para um movimento circular no plano (x, y) ou (x’, y’), tem-se:aceleração normal do ponto A: rraN 22 αω &=×= (no sentido negativo de y’); aceleração tangencial do ponto A: rraT αω &&& =×= (no sentido negativo de x’). Portanto: ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ − − = 0 2r r a A Q α α & && . ª Determinação do vetor velocidade angular absoluta do referencial ),,( zyxQ ′′′ solidário ao disco descrito no SR ),,( zyxQ ′′′ – ( QQω ): De acordo com a Figura 2a: ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ = α ω & 0 0 Q Q . De acordo com o formulário, obtêm-se as matrizes “til” ( QQω~ ) e seu quadrado ( 2~QQω ) associadas ao vetor Q Qω , ambas descritas no SR ),,( zyxQ ′′′ . ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ − = 000 00 00 ~ α α ω & & Q Q e ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ − − = 000 00 00 ~ 2 2 2 α α ω & & Q Q . – 7 – ª Determinação do vetor aceleração angular absoluta do referencial ),,( zyxQ ′′′ solidário ao disco descrito no SR ),,( zyxQ ′′′ – ( QQα ): Derivando Q Qω em relação ao tempo, tem-se: [ ] QQQQQQQQQQ tdd ωωωωα ~+== & 0 Observação: É possível obter esta aceleração angular derivando-se diretamente as componentes do vetor velocidade angular, pois as grandezas envolvidas estão descritas no SR ),,( zyxQ ′′′ coincidente com o referencial considerado. Note que o produto vetorial entre dois vetores colineares é nulo, ou seja: 0 ~ =QQQQ ωω . Portanto: ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ == α ωα && & 0 0 Q Q Q Q . De acordo com o formulário, obtém-se a matriz “til” ( QQα~ ) associada ao vetor QQα , descrita no SR ),,( zyxQ ′′′ . ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ − = 000 00 00 ~ α α α && && Q Q ª Determinação do vetor posição relativa do ponto B com respeito ao ponto A no SR ),,( zyxQ ′′′ – ( BQA r ): Da 1a Solução, obtém-se: ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ = ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ −== β β ββ ββ sen cos 0 0 0 cossen0 sencos0 001 L LLrTr B R A RQ B Q A – 8 – ª Determinação dos vetores velocidade e aceleração relativas do ponto B com respeito ao referencial ),,( zyxQ ′′′ solidário ao disco descritos no SR ),,( zyxQ ′′′ – ( Bl Q Q v Re e Bl Q Q a Re ): Considere, novamente, o sistema de referência ),,( zyxR ′′′′′′ com origem no ponto B, conforme a Figura 5. a N 0 A B ≡ 0” y’’ z’’ x’’ a T Q V Rel B β Figura 5 – Velocidade e aceleração relativas do ponto B com respeito ao referencial ),,( zyxQ ′′′ solidário ao disco descritas no SR ),,( zyxR ′′′′′′ . É importante notar que a barra BA executa um movimento de rotação pura em torno do ponto A sempre no plano (x”, y”). Mais uma vez, percebe-se que é mais fácil identificar estas grandezas no SR ),,( zyxR ′′′′′′ para então obtê-las no SR ),,( zyxQ ′′′ , aplicando a matriz de transformação. Lembrando que para um movimento circular no plano (x”, y”), tem-se: velocidade do ponto A: Lrwv β&=×= (no sentido positivo de z”); Portanto, o vetor Bl R Q v Re é dado por: ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ = 0 0 Re L v Bl R Q β& . – 9 – Aplicando a matriz de transformação, obtém-se Bl Q Q v Re . ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ −= ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ −== ββ ββ βββ ββ cos sen 0 0 0 cossen0 sencos0 001 Re Re L L L vTv Bl R Q RQ Bl Q Q & & & Recorrendo, novamente, à Figura 5, determinam-se as componentes normal e tangencial da aceleração relativa do ponto B com respeito ao referencial ),,( zyxQ ′′′ solidário ao disco. aceleração normal do ponto A: LraN 22 βω &=×= (no sentido negativo de y”); aceleração tangencial do ponto A: LraT βω &&& =×= (no sentido positivo de z”). Desta forma, o vetor Bl R Q a Re é dado por: ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ −= L La Bl R Q β β && & 2 Re 0 Analogamente, aplicando a matriz de transformação, obtém-se Bl Q Q a Re . ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ +− −−= ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ − ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ −== ββββ ββββ β β ββ ββ cossen sencos 00 cossen0 sencos0 001 2 22 Re Re LL LL L LaTa Bl R Q RQ Bl Q Q &&& &&& && & ª Determinação do vetor aceleração absoluta do ponto B embarcado no referencial ),,( zyxQ ′′′ solidário ao disco descrito no SR ),,( zyxQ ′′′ – ( BQ a ) : Resgatando a expressão para a obtenção de B Q a , tem-se: Bl Q QBl Q QQ Q B Q AQ Q Q Q A Q B Q avraa Re Re 2 ~ 2 ~~ ++⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ ++= ωαω – 10 – Para facilitar o cálculo final, é conveniente efetuar os seguintes cálculos parciais: ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ − −− = ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ − + ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ − − =⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ + 000 0 0 000 00 00 000 00 00 ~~ 2 2 2 2 2 αα αα α α α α αω &&& &&& && && & & Q Q Q Q ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ − − = ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ − −− =⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ + 0 cos cos sen cos 0 000 0 0 ~~ 22 2 2 βα βα β βαα αα αω L L L Lr B Q AQ Q Q Q & && &&& &&& ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ = ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ − ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ − = 0 0 sen2 cos sen 0 000 00 00 2 ~ 2 Re ββα ββ ββα α ω L L Lv Bl Q QQ Q && & && & De posse de todos os termos necessários ao cálculo de B Q a , efetua-se a soma vetorial: ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ +− −−−− +−− = = ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ +− −−+ ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ + ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ − − + ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ − − = =++⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ ++= ββββ βββββαα ββαβαα ββββ ββββ ββα βα βα α α ωαω cossen sencoscos sen2cos cossen sencos 0 0 0 sen2 0 cos cos 0 ~ 2 ~~ 2 222 2 222 Re Re 2 LL LLLr LLr LL LL L L L r r avraa Bl Q QBl Q QQ Q B Q AQ Q Q Q A Q B Q &&& &&&&& &&&&&& &&& &&& && & && & && 3ª Solução: Obtenção da aceleração absoluta do ponto B embarcado no referencial ),,( zyxR ′′′′′′ solidário à barra BA descrita no SR ),,( zyxQ ′′′ . Bl Q RBl Q RR Q B Q AR Q R Q A Q B Q avraa Re Re 2 ~ 2 ~~ ++⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ ++= ωαω Como o ponto B pertence à barra BA solidária ao referencial ),,( zyxR ′′′′′′ , tem-se 0 Re =BlRR v e 0 Re =BlRR a . Assim, o vetor BQ a é dado por: – 11 – B Q AR Q R Q A Q B Q raa ~~ 2 ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ ++= αω ª Determinação do vetor aceleração absoluta do ponto A no SR ),,( zyxQ ′′′ – ( AQ a ): Da 2a Solução, tem-se: ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ − − = 0 2r r a A Q α α & && . ª Determinação do vetor velocidade angular absoluta do referencial ),,( zyxR ′′′′′′ solidário à barra BA descrito no SR ),,( zyxQ ′′′ – ( RQω ): O vetor R Qω é obtido através da seguinte decomposição: R Q QQ Q R Q ωωω += Observação: Note que, de fato, o SR ),,( zyxQ ′′′ é o mais conveniente para descrever os vetores Q Qω e RQQω , pois, de acordo com as Figuras 2(a)e 2(b), ambos podem ser obtidos neste SR diretamente observando a figura. ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ = ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ + ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ =+= α ββ α ωωω & && & 0 0 00 0 R Q QQ Q R Q De acordo com o formulário, obtém-se a matriz “til” quadrada ( 2~ R Qω ) associada ao vetor R Qω , descrita no SR ),,( zyxQ ′′′ . ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ − −− − = 2 22 2 2 0 00 0 ~ ββα βα βαα ω &&& && &&& R Q – 12 – ª Determinação do vetor aceleração angular absoluta do referencial ),,( zyxR ′′′′′′ solidário à barra BA descrito no SR ),,( zyxQ ′′′ – ( RQα ): [ ] RQQQRQRQRQ dtd ωωωωα ~+== & Observação: Neste caso, ambas as parcelas são não-nulas. A primeira parcela ( R Qω& ) corresponde à variação temporal da magnitude (ou módulo) da grandeza R Qω , enquanto a segunda parcela ( R Q Q Q ωω ~ ) está associada à mudança de direção da grandeza R Qω . Ou seja, por estar descrita no SR ),,( zyxQ ′′′ móvel, é necessário contemplar a velocidade angular deste referencial ( Q Qω ). Da 2a Solução, obtém-se: ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ − = 000 00 00 ~ α α ω & & Q Q Portanto: ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ = ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ + ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ = ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ − + ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ =+= 0 0 00 000 00 00 0 ~ α βα β βα α β α β α α α β ωωωα && && && && && && & & & & && && & RQQQRQRQ Utilizando o formulário, obtém-se a matriz “til” ( RQα~ ) associada ao vetor RQα , descrita no SR ),,( zyxQ ′′′ . ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ − − − = 0 0 0 ~ ββα βα βαα α &&&& &&&& &&&& R Q – 13 – ª Determinação do vetor posição relativa do ponto B com respeito ao ponto A no SR ),,( zyxQ ′′′ – ( BQA r ): Novamente, obtém-se da 2a Solução: ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ = β β sen cos 0 L Lr B Q A . ª Determinação do vetor aceleração absoluta do ponto B embarcado no referencial ),,( zyxR ′′′′′′ solidário à barra BA descrito no SR ),,( zyxQ ′′′ – ( BQ a ) : Resgatando a expressão para a obtenção de B Q a , tem-se: B Q AR Q R Q A Q B Q raa ~~ 2 ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ ++= αω Efetuando o cálculo parcial ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ + RQRQ αω ~~ 2 ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ − −−− −− = ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ − −− − + ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ − − − =⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ + 2 22 2 2 22 2 2 0 2 0 00 0 0 0 0 ~~ ββ ββαα βααα ββα βα βαα ββα βα βαα αω &&& &&&&&& &&&&& &&& && &&& &&&& &&&& &&&& R Q R Q De posse de todos os termos necessários ao cálculo de B Q a , descritos no SR ),,( zyxQ ′′′ , efetua-se a soma vetorial: ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ − −−−− +−− = = ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ − −−− −− + ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ − − =⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ ++= ββββ βββββαα ββαβαα β β ββ ββαα βααα α α αω sencos sencoscos sen2cos sen cos 0 0 2 0 ~~ 2 222 2 22 2 22 LL LLLr LLr L Lr r raa B Q AR Q R Q A Q B Q &&& &&&&& &&&&&& &&& &&&&&& &&&&& & && 9 – 14 – Comparando com o resultado obtido para B Q a através da 2a Solução, verifica-se que o resultado é exatamente o mesmo. sencos sencoscos sen2cos 2 222 ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ − −−−− +−− = ββββ βββββαα ββαβαα LL LLLr LLr a B Q &&& &&&&& &&&&&& 9 4ª Solução: Obtenção da aceleração absoluta do ponto B embarcado no referencial ),,( zyxR ′′′′′′ solidário à barra BA descrita no SR ),,( zyxR ′′′′′′ . Bl R RBl R RR R B R AR R R R A R B R avraa Re Re 2 ~ 2 ~~ ++⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ ++= ωαω A exemplo da 3a Solução, tem-se 0 Re =BlRR v e 0 Re =BlRR a . Portanto: B R AR R R R A R B R raa ~~ 2 ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ ++= αω ª Determinação do vetor aceleração absoluta do ponto A no SR ),,( zyxR ′′′′′′ – ( AR a ): Aplicando a matriz de transformação a A Q a obtido na 2a Solução, tem-se: ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ − − = ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ − − ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ − == βα βα α α α ββ ββ sen cos 0cossen0 sencos0 001 2 22 r r r r r aTa A QQR A R & & && & && ª Determinação do vetor velocidade angular absoluta do referencial ),,( zyxR ′′′′′′ solidário à barra BA descrito no SR ),,( zyxR ′′′′′′ – ( RRω ): Aplicando a matriz de transformação a R Qω obtido na 3a Solução, tem-se: – 15 – ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ = ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ − == cos sen 0 cossen0 sencos0 001 βα βα β α β ββ ββωω & & & & & R QQR R R T De acordo com o formulário, obtém-se a matriz “til” quadrada ( 2~ R Rω ) associada ao vetor R Rω , descrita no SR ),,( zyxR ′′′′′′ . ( ) ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ −− −− +− = βαβββαββα ββαβαβββα ββαββαββα ω 2222 2222 222 2 sencossencos cossencossen cossencossen ~ &&&&& &&&&& &&&&& R R 1 ª Determinação do vetor aceleração angular absoluta do referencial ),,( zyxR ′′′′′′ solidário à barra BA descrito no SR ),,( zyxR ′′′′′′ – ( RRα ): [ ] RRRRRRRRRR dtd ωωωωα ~+== & 0 Observação: Assim como no caso da obtenção do vetor Q Qα , na 2a Solução, é possível obter R Rα derivando-se diretamente as componentes do vetor RRω , pois: 0 ~ =RRRR ωω . Portanto: ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ − +== ββαβα ββαβα β ωα sencos cossen &&&& &&&& && & RQRR De acordo com o formulário, obtém-se a matriz “til” ( RRα~ ) associada ao vetor RRα , descrita no SR ),,( zyxR ′′′′′′ . ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ −− −− ++− = 0cossen 0sencos cossensencos0 ~ βββαβα βββαβα ββαβαββαβα α &&&&&& &&&&&& &&&&&&&& R R – 16 – ª Determinação do vetor posição relativa do ponto B com respeito ao ponto A no SR ),,( zyxR ′′′′′′ – ( BRA r ): Da 1a Solução, tem-se: ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ = 0 0 Lr B R A ª Determinação do vetor aceleração absoluta do ponto B embarcado no referencial ),,( zyxR ′′′′′′ solidário à barra BA descrito no SR ),,( zyxR ′′′′′′ – ( BR a ) : Resgatando a expressão para a obtenção de B R a , tem-se: B R AR R R R A R B R raa ~~ 2 ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ ++= αω Efetuando os cálculos parciais abaixo... ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ −−+− +−−− ++−− = = ⎟⎟ ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ −− −− ++− + ⎜⎜ ⎜⎜ ⎝ ⎛ + ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ −− −− − =⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ + βαβββαββα ββαββαββα ββαβαββαβαα βββαβα βββαβα ββαβαββαβα βαβββαββα ββαβαβββα ββαββαα αω 2222 2222 2 2222 2222 2 2 sencossensen cossencoscos cos2sensen2cos 0cossen 0sencos cossensencos0 sencossencos cossencossen cossen~~ &&&&&&& &&&&&&& &&&&&&&&& &&&&&& &&&&&& &&&&&&&& &&&&& &&&&& &&&&& R R R R ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ + −− +− = = ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ −−+− +−−− ++−− =⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ + ββαβ βαβ ββαβα βαβββαββα ββαββαββα ββαβαββαβαα αω cossen cos sen2cos 0 0 sencossensen cossencoscos cos2sensen2cos ~~ 2 222 2222 2222 2 2 LL LL LL Lr B R AR R R R &&& && &&&& &&&&&&& &&&&&&& &&&&&&&&& – 17 – De posse de cada um dos termos, todos no mesmo sistema de referência )' ,' ,'( zyxR , obtém-se: ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ++ −−− +−− = = ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ + −− +− + ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ − − =⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ ++= ββαββα βαββα ββαβαα ββαβ βαβ ββαβα βα βα α αω cossensen coscos sen2cos cossen cos sen2cos sen cos ~~ 22 2222 2 222 2 22 LLr LLr LLr LL LL LL r r r raa B R AR R R R A R B R &&&& &&& &&&&&& &&& && &&&& & & && 5ª Solução: Obtenção da aceleração absoluta do ponto B embarcado no referencial ),,( zyxQ ′′′ solidário ao disco descrita no SR ),,( zyxR ′′′′′′ . Bl R QBl R QQ R B R AQ R Q R A R B R avraa Re Re 2 ~ 2 ~~ ++⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ ++= ωαω ª Determinação do vetor aceleração absoluta do ponto A no SR ),,( zyxR ′′′′′′ – ( AR a ): Da 4a Solução, tem-se: ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ − − = βα βα α sen cos 2 2 r r r a A R & & && ª Determinação do vetor velocidade angular absoluta do referencial ),,( zyxQ ′′′ solidário ao disco descrito no SR ),,( zyxR ′′′′′′ – ( QRω ): Aplicando a matriz de transformação a Q Qω obtido na 2a Solução, tem-se: ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ = ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ − == cos sen 0 0 0 cossen0 sencos0 001 βα βα αββ ββωω & & & Q QQR Q R T – 18 – De acordo com o formulário, obtêm-se as matrizes “til” ( QRω~ ) e seu quadrado ( 2~QRω ) associadas ao vetor Q Rω , ambas descritas no SR ),,( zyxR ′′′′′′ . ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ − − = 00 sen 00cos sen cos0 ~ βα βα βαβα ω & & && Q R ( ) ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ − − +− = βαββα ββαβα ββα ω 222 222 222 2 sencossen0 cossencos0 00cossen ~ && && & Q R 1 ª Determinação do vetor aceleração angular absoluta do referencial ),,( zyxQ ′′′ solidário ao disco descrito no SR ),,( zyxR ′′′′′′ – ( QRα ): Aplicando a matriz de transformação a Q Qα obtido na 2a Solução, tem-se: ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ = ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ − == βα βα αββ ββαα cos sen 0 0 0 cossen0 sencos0 001 && && && Q QQR Q R T Utilizando o formulário, obtém-se a matriz “til” ( QRα~ ) associada ao vetor QRα , descrita no SR ),,( zyxR ′′′′′′ . ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ − − = 00sen 00cos sencos0 ~ βα βα βαβα α && && &&&& Q R ª Determinação do vetor posição relativa do ponto B com respeito ao ponto A no SR ),,( zyxR ′′′′′′ – ( BRA r ): Novamente, da 1a Solução, tem-se: ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ = 0 0 Lr B R A – 19 – ª Determinação dos vetores velocidade e aceleração relativas do ponto B com respeito ao referencial ),,( zyxQ ′′′ solidário ao disco descritos no SR ),,( zyxR ′′′′′′ – ( BlRQ v Re e Bl R Q a Re ): De acordo com a análise feita na 2a Solução, os vetores Bl R Q v Re e Bl R Q a Re são identificados diretamente a partir da Figura 5 no próprio SR ),,( zyxR ′′′′′′ . Portanto: ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ = L v Bl R Q β& 0 0 Re e ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ −= L La Bl R Q β β && & 2 Re 0 . ª Determinação do vetor aceleração absoluta do ponto B embarcado no referencial ),,( zyxQ ′′′ solidário ao disco descrito no SR ),,( zyxR ′′′′′′ – ( BR a ) : Resgatando a expressão para a obtenção de B R a , tem-se: Bl R QBl R QQ R B R AQ R Q R A R B R avraa Re Re 2 ~ 2 ~~ ++⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ ++= ωαω Para facilitar o cálculo final, é conveniente efetuar os seguintes cálculos parciais: ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ −− − −− = = ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ − − + ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ − − − =⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ + βαββαβα ββαβαβα βαβαα βα βα βαβα βαββα ββαβα α αω 222 222 2 222 222 2 2 sencossensen cossencoscos sencos 00sen 00cos sencos0 sencossen0 cossencos0 00 ~~ &&&& &&&& &&&&& && && &&&& && && & Q R Q R ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ − − = ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ −− − −− =⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ + ββα βα βα βαββαβα ββαβαβα βαβαα αω cossen cos cos 0 0 sencossensen cossencoscos sencos ~~ 2 22 222 222 2 2 L L L Lr B R AQ R Q R & & && &&&& &&&& &&&&& – 20 – ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ = ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ − − = 0 0 sen2 0 0 00 sen 00cos sen cos0 2 ~ 2 Re ββα ββα βα βαβα ω L L v Bl R QQ R && && & && De posse de todos os termos necessários ao cálculo de B R a , efetua-se a soma vetorial: ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ++ −−− +−− = = ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ −+ ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ + ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ − − + ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ − − = =++⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ ++= LLr LLr LLr L L L L L L r r r avraa Bl R QBl R QQ R B R AQ R Q R A R B R βββαβα ββαβα ββαβαα β β ββα ββα βα βα βα βα α ωαω &&&& &&& &&&&&& && & && & & && & & && cossensen coscos sen2cos 0 0 0 sen2 cossen cos cos sen cos ~ 2 ~~ 22 2222 2 2 22 2 2 Re Re 2 9 Comparando com o resultado obtido para B R a através da 4a Solução, verifica-se que o resultado é exatamente o mesmo. ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ++ −−− +−− = ββαββα βαββα ββαβαα cossensen coscos sen2cos 22 2222 LLr LLr LLr a B R &&&& &&& &&&&&& 9 ª Verificação dos resultados encontrados, utilizando-se as matrizes de transformação: Apesar de terem sido contempladas cinco soluções ao longo deste exemplo, foram encontrados apenas três resultados distintos para a aceleração absoluta do ponto B. Cada uma delas está descrita em um sistema de referência, conforme descrito a seguir: B F a – Aceleração absoluta do ponto B descrita no SR ) , ,( zyxF , encontrada na 1a Solução; B Q a – Aceleração absoluta do ponto B descrita no SR ),,( zyxQ ′′′ , encontrada na 2a e 3a Soluções; B R a – Aceleração absoluta do ponto B descrita no SR ),,( zyxR ′′′′′′ , encontrada na 4a e 5a Soluções; – 21 – Primeiramente, verifica-se o resultado encontrado na 4a e 5a Soluções ( B R a ) com aquele encontrado na 2a e 3a Soluções ( B Q a ), aplicando a matrizde transformação, ou seja: ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ +− −−−− +−− = ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ +++−−− −−−−−− +−− = = ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ++ −−− +−− ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ −== ββββ βββαββα ββαβαα ββαββββαββαββββα ββαβββαβαβββα ββαβαα ββαββα βαββα ββαβαα ββ ββ cossen sencoscos sen2cos cossencoscossencossensencossen cossensensencoscoscos sen2cos cossensen coscos sen2cos cossen0 sencos0 001 2 222 2222222 222232222 22 2222 LL LLLr LLr LLrLLr LLrLLr LLr LLr LLr LLr aTa B RRQ B Q &&& &&&&& &&&&&& &&&&&&& &&&&&&& &&&&&& &&&& &&& &&&&&& 9 Comparando com o resultado obtido para B Q a através da 2a e 3a Soluções, verifica-se que o resultado é exatamente o mesmo. sencos sencoscos sen2cos 2 222 ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ − −−−− +−− = ββββ βββββαα ββαβαα LL LLLr LLr a B Q &&& &&&&& &&&&&& 9 A seguir, verifica-se o resultado encontrado na 2a e 3a Soluções ( B Q a ) com aquele encontrado na 1a Solução ( B F a ), aplicando a matriz de transformação, ou seja: ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ + −− ++ ⎢⎢ ⎢⎢ ⎣ ⎡ ++− −−−+−− ++++−− = = ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ +− −−−− +−− ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ − == 0 sencoscoscos sensencossen cossen coscoscossensen2cossensen cossensensencos2coscoscos cossen sencoscos sen2cos 100 0cossen 0sencos 2 2 2 22 22 2 222 βαββαβ βαββαβ ββββ βααααβαβαβαααα βααααβαβαβαααα ββββ βββββαα ββαβαα αα αα LL LL LL LrLLr LrLLr LL LLLr LLr aTa B QQF B F &&& &&& &&& &&&&&&&& &&&&&&&& &&& &&&&& &&&&&& 9 – 22 – Comparando com o resultado obtido para B F a através da 1a Solução, verifica-se que o resultado é exatamente o mesmo. ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ + −+− +++ ⎢⎢ ⎢⎢ ⎣ ⎡ +− −+−−−− +++−+− = 0 coscossensensencos cossensencossensen sencos sensencoscoscossencossen sencoscossencoscossencos 2 2 2 22 22 βαββαβαβαβ βαββαβαβαβ ββββ βαβαβααβαααααα βαβαβααβαααααα LLL LLL LL LLLrr LLLrr a B F &&&&& &&&&& &&& &&&&&&&& &&&&&&&& 9
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