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1 Prof. LEONARDO MOTTA Colégio Naval (CN) ESTÁTICA Newtoniana (Corpo extenso) [2ª parte] Grupo 6 1. (EEM-SP) É dado um prisma homogêneo oblíquo, de base quadrada de lado a e altura h, com densidade (massa específica) d. Determine: a) O menor valor que pode o ângulo α para que o prisma fique apoiado sobre uma das bases sem tombar; b) O peso do prisma nas condições do item (a). 2. (ITA 97) Considere um bloco de base d e altura h em repouso sobre um plano inclinado de ângulo. Suponha que o coeficiente de atrito estático seja suficientemente grande para que o bloco não deslize pelo plano. O valor máximo da altura h do bloco para que d permaneça em contato com o plano é: a) d / α b) d / sen α c) d / sen 2α d) d cotg α e) d cotg α / sen α 3. (ITA 84) É dado um pedaço de cartolina com a forma de um sapinho, cujo centro de gravidade situa-se no seu próprio corpo. A seguir, com o auxílio de massa de modelagem, fixamos uma moeda em cada uma das patas dianteiras do sapinho. Apoiando-se o nariz do sapinho na extremidade de um lápis ele permanece em equilíbrio. Nestas condições, pode-se afirmar que o sapinho com as moedas permanece em equilíbrio estável porque o centro de gravidade do sistema: a) Continua no corpo do sapinho b) Situa-se no ponto médio entre seus olhos c) Situa-se no nariz do sapinho d) Situa-se abaixo do ponto de apoio e) Situa-se no ponto médio entre suas patas traseiras. 2 4. (ITA 98) Considere um bloco cúbico de lado d e massa m em repouso sobre um plano inclinado de ângulo α, que impede o movimento de um cilindro de diâmetro d e massa m idêntica à do bloco, como mostra a figura. Suponha que o coeficiente de atrito estático entre o bloco e o plano seja suficientemente grande para que o bloco não deslize pelo plano e que o coeficiente de atrito estático entre o cilindro e o bloco seja desprezível. O valor máximo do ângulo α do plano inclinado, para que a base do bloco permaneça em contato com o plano, é tal que: a) sen α = 1/2 b) tan α = 1 c) tan α = 2 d) tan α = 3 e) cot g α = 2 5. Uma esfera constituída de partes iguais de alumínio (Al) e chumbo (Pb), foi abandonada sobre um plano horizontal, conforme mostra a figura. a) A esfera permanece em equilíbrio na posição mostrada na figura? Como seria a posição de equilíbrio estável e de equilíbrio instável? Faça esquemas b) Faça um esquema da posição de equilíbrio que a esfera atinge ao ser suspensa pelo ponto A. 6. (ITA 09) Chapas retangulares rígidas, iguais e homogêneas, são sobrepostas e deslocadas entre si, formando um conjunto que se apóia parcialmente na borda de uma calçada. A figura ilustra esse conjunto com n chapas, bem como a distância D alcançada pela sua parte suspensa. Desenvolva uma fórmula geral da máxima distância D possível de modo que o conjunto ainda se mantenha em equilíbrio. A seguir, calcule essa distância D em função do comprimento L de cada chapa, para n = 6 unidades. 3 Grupo 7 7. (ITA 08) A figura mostra uma barra de 50 cm de comprimento e massa desprezível, suspensa por uma corda OQ, sustentando um peso de 3000 N no ponto indicado. Sabendo que a barra se apóia sem atrito nas paredes do vão, a razão entre a tensão na corda e a reação na parede no ponto S, no equilíbrio estático, é igual a: a) 1,5 b) 3 c) 2 d) 1 e) 5 8. (UNICAMP) Uma escada homogênea de 40 kg apóia-se sobre uma parede, no ponto P, e sobre o chão, no ponto C. Adote g = 10 m/s2. a) Desenhe as setas representativas das forças peso, normal e de atrito em seus pontos de aplicação; b) É possível manter a escada estacionária não havendo atrito em P? Neste caso, quais os valores das forças normais e de atrito em C? 9. (FUVEST- mod) A figura mostra uma barra apoiada entre uma parede e o chão. A parede é perfeitamente lisa; o coeficiente de atrito estático entre a barra e o chão é μ. a) Desenhe o esquema das forças que atuam sobre a barra; b) Calcule a tangente do menor ângulo α entre a barra e o chão para que não haja escorregamento. 4 10. (ITA 94) Uma barra homogênea de peso P tem uma extremidade apoiada num assoalho horizontal e a outra numa parede vertical. O coeficiente de atrito com relação ao assoalho e com relação à parede são iguais a µ. Quando a inclinação da barra com relação à vertical é de 45º, a barra encontra-se na iminência de deslizar. Podemos então concluir que o valor de µ é: a) √ b) √ c) d) √ e) √ 11. A escada AB pesa P, se escora numa parede lisa e se apoia num solo áspero. O coeficiente de atrito entre ela e o solo é f. Que inclinação α deve ser dada à escada para que um homem que pese p possa subir até o seu topo? 12. (IME 99) Uma escada de 4,0 m de comprimento está apoiada contra uma parede vertical com a sua extremidade inferior a 2,4 m da parede, como mostra a figura. A escada pesa 20 kgf e seu centro de gravidade está localizado no ponto médio. Sabendo que os coeficientes de atrito estático entre a escada e o solo e entre a escada e a parede são, respectivamente, 0,5 e 0,2. Calcule: a) A altura máxima, em relação ao solo, a que um homem de 90 kgf de peso pode subir, sem provocar o escorregamento da escada; b) A distância máxima da parede a que se pode apoiar a parte inferior da escada vazia, sem provocar escorregamento. 13. (ITA 96) Considere as três afirmativas abaixo sobre um aspecto da Física do Cotidiano: I. Quando João começou a subir pela escada de pedreiro apoiada numa parede vertical, e já estava no terceiro degrau, Maria gritou para ele: - Cuidado João, você vai acabar caindo, pois a escada está muito inclinada e vai acabar deslizando . II. João responde: - Se ele não deslizou até agora que estou no terceiro degrau, também não deslizará quando eu estiver no último. 5 III. Quando João chega no meio da escada fica com medo e dá total razão à Maria. Ele desce da escada e diz a Maria: - Como você é mais leve do que eu, você tem mais chance de chegar ao fim da escada com a mesma inclinação, sem que ela deslize. Ignorando o atrito na parede: a) Maria está certa em relação a I, mas, João errado com relação a II. b) João está certo com relação a II, mas, Maria errada com relação a I. c) As três afirmativas estão fisicamente corretas. d) Somente a afirmativa I é fisicamente correta. e) Somente a afirmativa III é fisicamente correta. 14. A escada AB foi encostada numa parede vertical. Sua extremidade inferior se apóia no solo horizontal. O coeficiente de atrito entre a escada e a parede é f1 e entre a escada e o solo é f2. O peso da escada somado ao do homem que nela se encontra é P, e se aplica no ponto C que divide o comprimento da escada na razão m / n. Determinar o ângulo α máximo que a escada pode formar com a parede no estado de equilíbrio, e as componentes normais das reações da parede e do solo quando a ocorrência desse ângulo. 15. (IME 97) Uma barra uniforme e homogênea de peso P, tem seu centro de gravidade (C.G.) na posição indicada na figura abaixo. A única parede considerada com atrito é aquela na qual a extremidade esquerda da barra está apoiada. O módulo da força de atrito Fat é igual ao peso da barra. Determine o valor do ângulo θ na posição de equilíbrio, em função do comprimento da barra L e da distância entre as paredes a. 16. (UFG 07) No arranjo da figura abaixo, uma barra rígida AC, de peso desprezível apoiada numa estaca fixa vertical em B, sustenta um peso P = 80√ N. Conhecidas as distâncias AC = 80 cm, BC = 30 cm e estando o sistema em equilíbrio estático,calcule o módulo: a) Da reação da estaca na barra em B; b) Das componentes horizontal e vertical da reação de A na barra AC. 6 Grupo 8 17. (UNICAMP 04) Uma das modalidades de ginástica olímpica é a das argolas. Nessa modalidade, os músculos mais solicitados são os dos braços, que suportam as cargas horizontais, e os da região dorsal, que suportam os esforços verticais. Considerando um atleta cuja massa é de 60 kg e sendo os comprimentos indicados na figura H = 3,0 m; L = 1,5 m e d = 0,5 m, responda: a) Qual a tensão em cada corda quando o atleta se encontra pendurado no início do exercício com os braços na vertical? b) Quando o atleta abre os braços na horizontal, qual a componente horizontal da tensão em cada corda? 18. (UNICAMP 08) O irrigador rotativo, representado na figura, é um dispositivo bastante utilizado para a irrigação de jardins e gramados. Para seu funcionamento, o fluxo de água de entrada é dividido em três terminais no irrigador. Cada um destes terminais é inclinado em relação ao eixo radial para que a força de reação, resultante da mudança de direção dos jatos de água no interior dos terminais, proporcione o torque necessário para girar o irrigador. Na figura, os vetores coplanares ⃗⃗ ⃗, ⃗⃗ ⃗, e, ⃗⃗ ⃗, representam as componentes das forças de reação perpendiculares aos vetores ⃗⃗⃗ , ⃗⃗ ⃗, e ⃗⃗ ⃗, respectivamente. 7 a) Se os módulos das forças ⃗⃗ ⃗, ⃗⃗ ⃗, e, ⃗⃗ ⃗, valem 0,2 N e os módulos de ⃗⃗⃗ , ⃗⃗ ⃗, e ⃗⃗ ⃗ são iguais a 6,0 cm, qual é o torque total (momento resultante das forças) sobre o irrigador, em relação ao seu centro, produzido pelos três jatos de água em conjunto? b) Considere que os jatos de água sejam lançados horizontalmente da extremidade do irrigador a uma altura de 80 cm do solo e com velocidade resultante de 8,0 m/s. A que distância horizontal do ponto de lançamento, a água atinge o solo? 19. As intensidades das reações RA e RD da armação mostrada na figura, se elas são resultantes da ação da força horizontal P aplicada no ponto B. Não considerar o peso da armação. 20. A viga horizontal de um guindaste mede ℓ. Uma de suas extremidades foi fixada articuladamente na parede, enquanto a outra extremidade – B pende da parede mediante o tirante BC que forma o ângulo de inclinação α com o horizonte. A carga P pode se movimentar pela viga e sua posição é determinada pela distância variável x, existente entre ela e a articulação. Determinar a tração T do tirante BC em função da posição da carga. Não considerar o peso da viga 21. Um castelo de água consiste do tanque cilíndrico de 6 m de altura e 4m de diâmetro, fixado em quatro postes distribuídos simetricamente; o fundo do reservatório fica a uma altura de 17 m do nível dos apoios; o peso do castelo é de 80 kN; a pressão do vento é calculada para a área da projeção da superfície no plano perpendicular à direção do vento, sendo que a pressão específica do vento se convenciona igual a 1,25 kPa. Determinar que distância AB deve haver entre as bases dos postes 8 A distância AB deve ser calculada para que a pressão do vento tendo essa direção horizontal não tombe o castelo. 22. (IME 78) - Considerando a figura, determine a expressão, em função do peso W, da força vertical exercida pelo solo sobre a barra AD. 23. (IME 83) Quatro barras homogêneas AB, BC, CD e DE, de peso P cada uma, estão articuladas entre si como indica a figura. Sustentam-se, com as mãos, os extremos A e E, de forma que estejam sobre uma mesma reta horizontal e que, ao estabelercer-se o equilíbrio, a ação efetuada nos extremos sobre cada mão, tenha uma componente horizontal igual a 2P. Admite-se que as barras AB e ED possam girar livremente ao redor dos extremos fixos A e que não haja atrito nas articulações. Calcular o ângulo α que a barra DE forma com a horizontal. 24. A força P atua sobre a extremidade da viga inclinada AB, cujo centro B1 se apóia na borda da consola de CD. Determinar as reações dos apoios sem considerar os pesos das vigas. 9 25. O caixilho de janela AB, mostrado em corte na figura pesa P e é aberto com a ajuda do cordão BCD que contorna as roldanas C e D e o faz girar em torno do eixo horizontal A. A roldana C, cujas dimensões não levamos em conta e o apoio A ficam numa mesma linha vertical; o peso do caixilho é aplicado no seu centro; também não consideramos o atrito. Supondo que AB = AC, encontrar a tração T em função de α. 26. (UFPA) É dada uma barra AB prismática e homogênea de peso desprezível, articulada em A e sustentada no ponto C por um fio leve (ver figura). Na extremidade livre da barra está preso um corpo de peso Q. A reação horizontal (RH) e a reação vertical (RV) exercida no ponto de articulação da barra estão na proporção de: a) b) c) d) e) 27. Duas barras homogêneas, cujos comprimentos são iguais, foram unidas articuladamente, no ponto C, enquanto seus pontos A e B se unem articuladamente também, aos apoios. O peso de cada uma das barras é P. Do ponto C pende a carga Q. A distância do ponto C até a reta AB é b. Determinar as reações das articulações A e B. 10 28. Uma suspensão consiste das vigas AB e CD que foram unidas articuladamente entre si no ponto D. O peso da viga AB é 60 N aplicado no ponto E. O peso da vida CD é 50 N aplicado no ponto F. A força P = 200 N foi aplicada no ponto B da viga AB. Determinar as reações das articulações A e C se são dadas as seguintes dimensões: AB = 1 m, CD = 0,8 m, AE = 0,4 m, CF = 0,4 m; os ângulos de inclinação das vigas em relação ao horizonte são respectivamente iguais a α = 60 0 e β = 45 0. 29. As hastes homogêneas AB e AC se apóiam no ponto A do solo liso e horizontal e uma na outra mediante planos verticais lisos. Nos pontos B e C, elas se apóiam nas paredes verticais lisas. Determinar a distância DE entre as paredes que garantem o equilíbrio das hastes, se estas devem formar um ângulo de 900 entre si. Sejam dados: AB = a; AC = b; o peso de AB é P1 e o peso de AC = P2. 30. (IME) Um cilindro de 100 N e raio r igual a 20 cm está alojado entre duas peças rígidas em cruz, que fazem entre si um ângulo de 60º, conforme a figura abaixo. A distância AE mede 80 cm e a distância EC mede 40 cm. Determine a tração no cabo horizontal AB, sabendo-se que o piso é considerado liso, as barras estão simplesmente apoiadas nesse piso e as massas das peças e dos fios são desprezíveis. 11 31. (ITA 06) Considere uma pessoa de massa m que ao curvar-se permaneça com a coluna vertebral praticamente nivelada em relação ao solo. Sejam ⁄ a massa do tronco e ⁄ a soma das massas da cabeça e dos braços. Considere a coluna como uma estrutura rígida e que a resultante das forças aplicadas pelos músculos à coluna seja Fm e que Fd seja a resultante das outras forças aplicadas à coluna, de forma a mantê-la em equilíbrio. Qual é o valor da força Fd? 32. (IME 86) Três molas a, b e c, comprimentos naturais la= 0,5 m, lb = 0,6 m e lc = 0,7 m, e constantes elásticas ka = 10 N/m, kb = 15 N/m e kc = 18 N/m, respectivamente. Elas são ligadas entre si e estiradas entre duas paredes distantes 2,0 m uma da outra, onde as extremidades são fixadas, conforme a figura abaixo. Qual o comprimento de cada uma das molas estiradas, em equilíbrio? 33. Uma haste cilíndrica AB, rígida e homogênea, de comprimento igual a ℓ e massa igual a m, está em equilíbrio, apoiada sobre um piso horizontal e sobre uma mureta, da forma indicada na figura a seguir. Como os atritos, no caso, são irrelevantes,para manter a haste em equilíbrio estático prendeu-se um fio a sua extremidade A. Sabendo – se que a altura da mureta é igual a h, que a haste forma com a vertical um ângulo igual a θ e que o fio mantém-se horizontal, calcule as reações do piso e da mureta e a tração exercida pelo fio. 12 34. Os extremos A e B de uma haste cilíndrica, rígida e homogênea, de massa m e comprimento , podem deslizar sobre duas guias perpendiculares entre si, sendo uma delas horizontal e a outra vertical, conforme indicado na figura a seguir. Ao extremo A da haste está presa uma das extremidades de uma mola, de constante igual a k e cuja outra extremidade está ligada a um suporte fixo. Supondo desprezíveis os possíveis atritos e sabendo que quando a haste está na vertical a tração exercida pela mola é nula, e sabendo, mais, que m g < e que a mola permanece sempre paralela à guia horizontal, escolhendo como coordenada generalizada o ângulo θ entre a haste e a vertical e calcule quais as possíveis posições de equilíbrio estático do sistema. 35. A haste homogênea pesada AB descansa sobre os apoios C e D. A distância entre eles é CD = a, AC = b. O coeficiente de atrito entre as hastes e os apoios é f. A haste forma o ângulo α com o horizonte. Que condição deve satisfazer o comprimento da haste 2L, para que esta mantenha o equilíbrio, se não se leva em conta a espessura da haste? 36. As esferas A e B descansam sobre o cilindro de base circular de raio R; A massa da primeira é mA e a da segunda mB. O fio mede um comprimento l e une as duas esferas. No estado de equilíbrio, determine os ângulos θ1 e θ2 que os raios OA e OB formam com a vertical OC, e as forças NA e NB que as esferas exercem sobre os pontos A e B. Não considerar as dimensões das esferas. 13 37. A esfera homogênea de peso Q e raio a e o peso P pendem do ponto O em cordas do modo mostrado na figura. A distância OM = b. Determinar ao ângulo θ que a linha reta OM forma com a vertical no estado de equilíbrio. 38. Achar o esforço que comprime o objeto M numa prensa, se as condições em que isto ocorre são as seguintes: o esforço P se orienta perpendicularmente à alavanca AO, que possui o eixo fixo O; nesta posição da prensa, a haste BC é perpendicular a OB e divide ao meio o ângulo ECD = θ, o comprimento AO = L1; OB = L2. 39. A haste homogênea AB mede 2L de comprimento, pesa P e pode girar em torno do eixo fixo horizontal de sua extremidade. Ela apóia na haste homogênea CD que mede os mesmos 2L e pode girar em torno do eixo horizontal que passa por seu centro E. Os pontos A e E pertencem a uma mesma linha vertical e ficam á distância AE = L um do outro. Da extremidade D pende a carga Q = 14 2P. Determine o valor do ângulo α, formado pela haste AB e a vertical no estado de equilíbrio. Não considerar o atrito 40. A barreta homogênea AB pode girar em torno do eixo horizontal A e se apóia na superfície do cilindro liso de raio r que descansa sobre um plano horizontal liso, preso pelo fio inextensível AC. O peso da barreta é P; o comprimento da AB é 3r; AC = 2r. Determinar a tração do fio e a força que a barreta exerce sobre a articulação 41. (ITA 85) Um cilindro de raio R está em equilíbrio, apoiado num plano inclinado, áspero, de forma que seu eixo é horizontal. O cilindro é formado de duas metades unidas pela secção longitudinal, das quais uma tem densidade d1 e a outra densidade d2 < d1. São dados o ângulo α de inclinação do plano inclinado e a distância h = 4R/3π do centro de massa de cada metade à secção longitudinal. Quanto ao ângulo β de inclinação da secção longitudinal de separação sobre o horizonte, podemos afirmar: a) sen β = cos α b) β = α c) 3 1 2 4 1 2 d d sen send d d) 5 2 8 1 d sen sen d e) sen β = 1 15 42. (IME 09) A figura mostra uma estrutura em equilíbrio, formada por uma barra BD, dois cabos AD e DE, e uma viga horizontal CF. A barra é fixada em B. Os cabos, de seção transversal circular de 5 mm de diâmetro, são inextensíveis e fixados nos pontos A, D e E. A viga de material uniforme e homogêneo é apoiada em C e sustentada pelo cabo DE. Ao ser colocado um bloco de 100 kg de massa na extremidade F da viga, Determine: a) a força do trecho ED do cabo; b) as reações horizontal e vertical no apoio C da viga; c) as reações horizontal e vertical no apoio B da barra; Dados: aceleração da gravidade: 10 m/s²; densidades lineares de massa: μ1 = 30 kg/m, μ2 = 20 kg/m, μ3 = 10 kg/m; √ ≈ 4,5. 43. Uma haste cilíndrica, rígida e homogênea, de comprimento igual a 2ℓ, está em equilíbrio estático apoiada num hemisfério oco, da forma indicada na figura a seguir. Sabendo-se que o raio do hemisfério tem um valor R ≤ ℓ e que a borda do hemisfério está num plano horizontal. Escolha como coordenada generalizada o ângulo θ que a haste forma com a horizontal e calcule quais as suas possíveis configurações de equilíbrio estático. Supõe-se que os possíveis atritos sejam desprezíveis 44. A roldana de raio R possui dois pinos de raios r dispostos simetricamente em relação ao plano médio da primeira. Os pinos se apóiam em duas superfícies cilíndricas AB de geratrizes horizontais. O cabo que sustenta as cargas P e P1, sendo P1 > P, se enrola na roldana. Determine o valor máximo da carga P1 capaz de manter a roldana equilibrada, supondo que o coeficiente de atrito entre os pinos e as superfícies cilíndricas AB é f, e que o peso da roldana somado aos pinos é Q. A situação do sistema vista na figura não pode ser a do equilíbrio. Inicialmente devemos achar esta última. 16 GABARITO 1. a) ; b) a2 h d g 2. D 3. D 4. E 5. a) Não, b) 6. ; 7. B 8. a) b) fat, c = 150 N e Nc = 400 N Observação: na figura anterior as reações de contato já estão decompostas ( ⃗⃗ ⃗⃗ ⃗ ⃗⃗ ) 9. a) b) 17 10. B 11. [ ] 12. a) 2,4 m; b) 3,0 m 13. E 14. ; ; [ ] 15. √ 16. a) 192 N; b) FAX = 96 N e FAY = 16 √ N 17. a) 300 N; b) 50 N 18. a) 3,6 .10-2 N.m; b) 3,2 m 19. ; √ 20. α 21. 15 m 22. ( √ ) 23. ( ) 24. FA = P; √ P; √ 25. α ( π α ) 26. E 27. ; ; 28. FAX ≅ 144 N (esq); FCX ≅ 144 N (dir); FAY ≅ 141 N e FCY ≅ 169 N 29. √ √ √ 30. 64 N 31. α 32. a = 59 cm; b = 66 cm e c = 75 cm 33. Piso: ( ) , vertical, dirigida para cima; 18 Mureta: , normal à haste; Tração: , horizontal, dirigida para direita 34. θ1 = 0 ou ( ) 35. α onde: > a + b 36. [ ]; [ ]; [ √] ; [ √ ] 37. ( ) 38. ( ) 39. arc cos ( ) 40. √ ; √ ; √ – √ 41. C 42. a) 4250 N; b) Cv = 600 N; CH = 2550 N; c) ; 43. ( √ ) 44. ( √ – ) √