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1 Prof. DSc. Valtency F. Guimarães Dinâmica II 2 Dinâmica II Bibliografia Recomendada Bibliografia Básica: HIBBELER, R.C. Dinâmica – Mecânica para Engenharia, 12º ed. Editora Pearson. 2010. BEER, F. P.; JOHNSTON JR., E. R. Mecânica Vetorial para Engenheiros: Dinâmica, 7 ed., Mc Graw Hill, 2006. MERIAM, J. L. Dinâmica. 2ª Edição. Traduzido por Frederico Felgueiras Gonçalves e José Rodrigues de Carvalho. Rio de Janeiro: Livros Técnicos e Científicos, 1989. Bibliografia Complementar: SHAMES, I. H. Dinâmica. Mecânica para Engenharia. 4 ed. Prentice Hall, 2003. GIACAGLIA, G. E. O. Mecânica Geral. Campus, 1982. KRAIGE, G.; MERIAM, J. L. Mecânica - Dinâmica. 5ª Edição. Rio de Janeiro: Livros Técnicos e Científicos, 2003. 496p. NORTON, Robert L. Projeto de Máquinas – Uma abordagem integrada. Traduzido por João Batista de Aguiar et al. 2ª Edição. Porto Alegre: Bookman, 2004. 887p. ARFKEN, George B. Física Matemática: Métodos Matemáticos para Engenharia e Física. Traduzido por Arlete Simille Marques. 1ª Edição. Rio de Janeiro: Campus, 2007. 900p. Prof. DSc. Valtency F. Guimarães 3 Cinemática plana de corpos rígidos 1. Introdução 2. Corpos Rígidos 2.1 - Movimento de translação 2.2 - Movimento de rotação i - breve revisão - Rotações e Velocidade Angular i i - Aceleração Angular i i i - Rotação com Aceleração Angular Constante iv - Relação entre Velocidade e Aceleração, Lineares e Angulares 3. Atividades Introdutórias Dinâmica II Introdução - Dinâmica 4 1 - Introdução O fenômeno mais óbvio e fundamental que observamos à nossa volta é o movimento. Praticamente todos os processos imagináveis têm como origem o movimento dos corpos. A Terra e os outros planetas movem-se em torno do Sol que, por sua vez, faz girar o sistema solar em torno do centro da galáxia; os elétrons, em movimento no interior dos átomos, dão lugar à absorção e à emissão da luz e, no interior de um metal, produzem corrente elétrica; as moléculas de um gás, em movimento aleatório, dão origem à pressão e aos processos de difusão. Nossa experiência diária nos mostra que o movimento de um corpo é influenciado pelos corpos que o rodeiam, isto é, pelas interações com eles. Num tubo de televisão ou no monitor de um sistema de computação, por exemplo, o feixe de elétrons deve mover-se de forma a produzir uma imagem na tela. Introdução - Dinâmica 5 Introdução Um dos objetivos dos físicos e dos engenheiros é descobrir a relação existente entre os movimentos e as interações que os produzem e dispor as coisas de modo a produzir movimentos úteis. Para análise e previsão do movimento de partículas (ou de corpos rígidos) resultante de diferentes tipos de interações, alguns conceitos primordiais como momento, força, e energia foram criados. Estes conceitos são tão importantes que raramente podemos analisar um processo sem expressá- lo em termos destes conceitos. Introdução - Dinâmica 6 A mecânica de Newton é uma mecânica voltada para o estudo do movimento de um objeto puntiforme. Diz-se que a mecânica de Newton é a mecânica do ponto. Mas os casos de maior interesse são aqueles em que estudamos não uma partícula (um ponto), mas um sistema de partículas, ou seja, estudamos um conjunto muito grande de objetos puntiformes. As leis de Newton valem para cada um deles. Um corpo rígido é um sistema constituído de partículas (átomos, por exemplo) agregadas de um modo tal que a distância entre as várias partes que constituem o corpo (ou o sistema) não varia com o tempo (não mudam), ou seja, as distâncias entre as várias partes que compõem o corpo são rigorosamente constantes. Introdução - Dinâmica 2 - Corpos Rígidos Pode-se dizer então que um Corpo Rígido pode ser definido como um corpo em que todos os pontos materiais conservam as distâncias entre si, mesmo sob aplicação de um esforço externo. Um corpo rígido executa basicamente dois tipos de movimento: movimento de translação, quando todos os pontos percorrem trajetórias paralelas, como em (A), e movimento de rotação, quando os pontos percorrem trajetórias circulares, como em (B). Porém o caso mais genérico do movimento de um corpo rígido é dado no exemplo (C); uma combinação de translação e rotação. Introdução - Dinâmica 8 O movimento de translação pode ser analisado observando-se exclusivamente o centro de massa do corpo. O corpo executa movimento de translação se o seu centro de massa se desloca à medida que o tempo passa. Assim, o movimento de translação do corpo rígido está associado ao movimento do centro de massa. O que provoca o movimento de translação são as forças externas agindo sobre o corpo rígido. O corpo rígido se desloca de tal forma que tudo se passa como se todas as forças estivessem atuando sobre o centro de massa. “Nos movimentos de translação valem as leis de Newton e a conservação da quantidade de movimento”. 2.1 - Movimento de translação Introdução - Dinâmica 9 Seja um corpo rígido em translação e sejam e duas partículas quaisquer no interior do corpo. Num sistema de referência fixo, define-se: Derivando a expressão em relação ao termo, obtém-se: Ou seja, quando um corpo rígido se encontra em translação, todos os pontos do corpo têm, em qualquer instante, a mesma velocidade e a mesma aceleração. Introdução - Dinâmica Para um corpo que se move uma distância Δs durante um intervalo de tempo Δt sua velocidade média é definida como: A velocidade instantânea v é definida como o limite para o qual tende esta razão quando Δt se aproxima de zero: Se a velocidade do corpo variar Δv num intervalo de tempo Δt, ele tem uma aceleração média definida como: e a aceleração instantânea a é definida como limite desta razão quando Δt tende a zero: t s vm dt ds t s v t 0 lim t v tt vv am 12 12 dt dv t v a t 0 lim Introdução - Dinâmica 11 O outro movimento do corpo rígido é o movimento de rotação, que se observa sempre que um torque é a ele aplicado, como num pião. Por exemplo, em espetáculos de patinação artística no gelo, frequentemente se vê uma patinadora girar em torno de si mesma com os braços abertos na horizontal. 2.2 - Movimento de rotação Ao encolher os braços sobre o peito, nota-se que a sua velocidade angular aumenta consideravelmente. A distribuição de massa do corpo no espaço afeta a rotação. Introdução - Dinâmica O uso de coordenadas x, y e z é uma forma sofisticada de descrever as rotações, e sendo elas confinadas em um único plano facilmente descritas por um ângulo. xˆ yˆ ˆˆ z n )(tr )( tt )(t ω r Introdução - Dinâmica Quando um corpo rígido está animado de rotação em torno de um eixo fixo, cada ponto do corpo descreve um círculo cujo centro está sobre o eixo de rotação e cujo plano é perpendicular ao eixo. Existem algumas relações simples e úteis entre a velocidade e a aceleração angulares do corpo em rotação e a velocidade e aceleração lineares dos seus pontos. Introdução - Dinâmica 2.3 – Rotação em torno de um eixo fixo Seja “r” a distância do eixo ao um ponto P do corpo que se move sobre uma circunferência de raio “r”. Quando o raio faz um ângulo “θ” com o eixo de referência, a distância “s” percorrida pelo ponto P é: Derivando ambos os membros destaequação em relação a t e tendo em vista que r é constante, vem: Diferenciando a equação da velocidade em função do tempo temos: , onde r é constante. A componente radial v2/r da aceleração do ponto P também pode ser expressa em termos da velocidade angular: rs rdds dt d r dt ds rv r dt d r dt dv a Introdução - Dinâmica Resumindo: Introdução - Dinâmica Vetorialmente: O conjunto de equações vistas tem uma forma similar ao encontrado no caso do movimento retilíneo se substituirmos θ, ω e α por x, v e a. No caso em que é constante (rotação uniformemente acelerada) obtemos por integração direta que: As grandezas θ, ω e α que caracterizam o movimento rotacional também podem ser representadas vetorialmente. A direção neste caso é a do eixo em torno do qual o corpo roda. O sentido é definido pela regra da mão direita, colocando-se os dedos na direção em que θ aumenta. O polegar coincide então com o eixo de rotação e indica o sentido do vetor θ. Introdução - Dinâmica Também, as equações são válidas mesmo quando ω e v não são constantes. As equações radial e tangencial da aceleração de um ponto arbitrário de um corpo em movimento de rotação são representadas na figura a seguir. xˆ yˆ zˆ r s ω v taNaα Introdução - Dinâmica Introdução - Dinâmica 19 No movimento de translação, quando a mesma força é aplicada a objetos de massas diferentes, observam-se acelerações diferentes. Já no movimento de rotação, quando o mesmo torque é aplicado em objetos idênticos com distribuição diferente de massa, observam-se acelerações angulares diferentes. Então, não é a massa que afeta a velocidade angular da patinadora mas a distribuição da massa do seu corpo. Essa distribuição pode ser expressa através de uma quantidade denominada momento de inércia. Comentário: Introdução - Dinâmica 20 1. Um corpo rígido pode girar livremente em torno de um eixo fixo. É possível que a aceleração angular deste corpo seja diferente de zero, mesmo que a sua velocidade angular seja nula (talvez, instantaneamente)? Qual o equivalente linear desta situação? Ilustre ambas as situações com exemplos. 2. Imagine uma roda girando sobre o seu eixo e considere um ponto em sua borda. O ponto tem aceleração radial quando a roda gira com velocidade angular constante? Tem aceleração tangencial? 3. Qual a relação entre as velocidades angulares de um par de engrenagens acopladas, de raios diferentes? 3. Atividades Introdutórias Introdução - Dinâmica 4. Coloque V ou F para as afirmações a seguir a respeito dos corpos rígidos: a. ( ) Do ponto de vista cinemático, um Corpo Rígido (C.R.) pode ser definido como um corpo material que guarda a propriedade de invariância de distância relativa entre quaisquer pontos que o constituam. b. ( ) Um sólido admitido indeformável concretiza o conceito de um C.R.. c. ( ) A componente do vetor velocidade de qualquer ponto de um mesmo corpo rígido, na direção de seu vetor de rotação, independe do ponto considerado. d. ( ) Um C.R. está realizando um movimento de translação quando todos os seus pontos possuem mesma velocidade escalar. e. ( ) Um C.R. está realizando um movimento de rotação quando todos os seus pontos possuem mesma velocidade angular. Introdução - Dinâmica 5. (ENADE-adaptada) No mecanismo ilustrado, uma placa metálica gira em torno de um ponto fixo O devido à aplicação de uma força F constante, que provoca o aparecimento de um torque, isto é, faz a placa metálica girar em torno do ponto fixo O. Com relação ao mecanismo apresentado, julgue os itens seguintes: I - Quanto maior for o valor da velocidade angular ω da placa metálica, maior será a velocidade linear vA de sua extremidade. II - Quanto menor for o valor da distância entre o ponto A e o ponto fixo O, maior será a velocidade linear vA da extremidade da placa. III - O módulo da velocidade relativa do ponto A em relação ao ponto O pode ser calculado pela expressão vA/O = ωd. IV - O ponto A na extremidade da placa não possui aceleração se ela gira com velocidade angular ω constante. Introdução - Dinâmica 6. A velocidade angular do disco é definida por ω = 5t2 + 2 rad/s, onde t é dado em segundos. Determine os módulos da velocidade e da aceleração do ponto A do disco quando t = 0,5 s. Introdução - Dinâmica 7. O disco movimentado pelo motor tem sua posição angular definida por θ = (20t + 4t2) rad, onde t é dado em segundos. Determine a velocidade e a aceleração angulares do disco quando t = 90 s. Introdução - Dinâmica 8. O disco circular mostrado na figura gira em relação a seu centro O no sentido indicado. Em um certo instante, o ponto P, em sua borda, possui uma aceleração dada por a = - 3i - 4j m/s2. Para esse instante, determine a velocidade angular ω e a aceleração angular α do disco. Introdução - Dinâmica 26 9. Uma roda tem oito raios de 30 cm. Está montada sobre um eixo fixo e gira à razão de 2,5 rev/s. Você pretende atirar uma flecha de 20 cm de comprimento através da roda, paralelamente ao seu eixo, sem que a flecha colida com qualquer raio. Suponha que tanto a flecha quanto os raios sejam muito finos; veja a figura. (a) Qual a velocidade mínima que a flecha deve ter? (b) A localização do ponto que você mira, entre o eixo e a borda da roda, tem importância? Em caso afirmativo, qual a melhor localização? Introdução - Dinâmica 27 Cinemática plana de corpos rígidos Movimento de Corpos Rígidos 1 - Movimento Absoluto 2 - Movimento Relativo: Velocidade 2.1 - Posição 2.2 – Deslocamento 2.3 – Velocidade 3 - Centro Instantâneo de Velocidade Nula 3.1 – Definição 3.2 - Localização 4 - Movimento Relativo: Aceleração Dinâmica Cinemática dos Corpos Rígidos - Dinâmica 28 Para estudar a cinemática dos corpos rígidos devemos estabelecer as relações que existem entre o tempo, as posições, as velocidades e as acelerações dos vários pontos materiais que formam um corpo rígido. . Movimento de Corpos Rígidos Cinemática dos Corpos Rígidos - Dinâmica 1. Translação. Diz-se que um movimento é de translação quando qualquer reta unindo dois pontos quaisquer do corpo conserva a mesma direção durante o movimento; e todos os pontos materiais que formam o corpo deslocam-se segundo trajetórias paralelas. Sendo estas trajetórias retas ou curvas, translação retilínea e translação curvilínea. 29 1. Rotação em torno de um Eixo Fixo. Neste movimento, os pontos materiais que formam o corpo rígido se deslocam em planos paralelos ao longo de circunferências, cujos centros estão sobre uma mesma reta fixa, como mostrado na figura abaixo. Se essa reta, chamada de eixo de rotação, intercepta o corpo rígido, os pontos materiais situados sobre ela possuem velocidade e aceleração nulas. Cinemática dos Corpos Rígidos - Dinâmica 30 Não se deve confundir o movimento de rotação com certos tipos de translação curvilínea. Por exemplo, a placa ilustrada na figura (a) está em translação curvilínea, havendo grupos de pontos materiais deslocando-se segundo circunferências paralelas. Enquanto a placa ilustrada na figura (b) está em rotação, já que todos os pontos materiais descrevem circunferências concêntricas. No primeiro caso,qualquer reta da placa conserva a mesma orientação, enquanto, no segundo, o ponto O permanece fixo. Cinemática dos Corpos Rígidos - Dinâmica 31 3. Movimento Plano Geral. Há outros tipos de movimento plano, isto é, movimento em que todos os pontos materiais do corpo se deslocam em planos paralelos. Qualquer movimento plano que não seja de rotação ao redor de um eixo fixo sem translação, considera-se como um movimento plano geral. Dois exemplos de movimento plano geral são dados na figura abaixo. Cinemática dos Corpos Rígidos - Dinâmica 32 4. Movimento em torno de um Ponto Fixo. Este é movimento tridimensional de um corpo rígido com um ponto fixo O. Um exemplo típico é o movimento de um pião sobre o solo. 5. Movimento Geral. Qualquer movimento de um corpo rígido que não esteja incluído nos tipos anteriormente mencionados é denominado movimento geral. Cinemática dos Corpos Rígidos - Dinâmica 33 Movimento de Corpos Rígidos Cinemática dos Corpos Rígidos - Dinâmica 34 Será abordado o movimento de translação, a rotação de um corpo rígido em torno de um eixo fixo. Definiremos a velocidade angular e a aceleração angular do corpo e relacionaremos a velocidade e aceleração de um ponto qualquer do corpo com seu vetor de posição e as quantidades angulares mencionadas. Serão estudados mecanismos como engrenagens, barra de conexão e articulações; bem como o método de análise das velocidades no movimento plano que se baseia no conceito de centro instantâneo de rotação. Cinemática dos Corpos Rígidos - Dinâmica O movimento absoluto é completamente definido pelo conhecimento da rotação de uma linha fixa do corpo e do movimento de um ponto desse corpo. O estudo do movimento absoluto de um Corpo Rígido irá relacionar o movimento de um corpo com o de outro a ele conectado, e estudar o movimento de um corpo sujeito a uma rotação em torno de um eixo fixo. MOVIMENTO ABSOLUTO Cinemática dos Corpos Rígidos - Dinâmica Deve-se utilizar uma coordenada de posição retilínea s para situar o ponto em sua trajetória e uma coordenada de posição angular θ para especificar a rotação da linha. A velocidade e a aceleração de um ponto P em movimento retilíneo podem ser relacionadas com a velocidade e a aceleração angulares de uma linha pertencente ao corpo pela aplicação direta das equações diferenciais: dt ds v dt dv a dt d dt d Cinemática dos Corpos Rígidos - Dinâmica 37 Exemplo 1: A barra DC gira uniformemente em torno do eixo em D com uma velocidade angular ω constante. Determinar a velocidade e a aceleração da barra AB que é obrigada pelas guias a se mover verticalmente. MOVIMENTO ABSOLUTO Cinemática dos Corpos Rígidos - Dinâmica B Solução: Analisando o movimento vertical da barra, para sua coordenada y podemos escrever: Como vAB = vy , aAB = ay , = ω e = α = 0; Temos: B )..(cos.cos 2 senlaylvylseny yy cos...cos llvy senlay .. 2 Cinemática dos Corpos Rígidos - Dinâmica 39 Exemplo 2: O bloco B desliza para a direita com a velocidade de 300 mm/s. Calcule as velocidades do corpo deslizante A e dos pontos C e D dos cabos. MOVIMENTO ABSOLUTO Cinemática dos Corpos Rígidos - Dinâmica Solução: Considerando os deslocamentos constantes representado podemos escrever: Como vB = 300 mm/s → vA = 200 mm/s Para encontrar a velocidade do ponto C: Como vA = 200 mm/s → vC = 600 mm/s Para o ponto D: Então → vD = - 200 mm/s 3 2 2323 BA BA BA v v dt dx dt dx ctexx AC CA CA vv dt dx dt dx ctexx 333 AD DA DA vv dt dx dt dx ctexx Cinemática dos Corpos Rígidos - Dinâmica dt ds v dt dv a dt d dt d MOVIMENTO ABSOLUTO Cinemática dos Corpos Rígidos - Dinâmica 42 Atividades 1. Uma roda de raio r rola sobre uma superfície plana sem deslizar. Determine a aceleração de um ponto na extremidade da roda, quando o ponto entra em contato com a superfície sobre a qual a roda rola. R: r.ω2 Cinemática dos Corpos Rígidos - Dinâmica 43 2. Considerando que a mola mantém o contato entre o rolete e a superfície de acionamento da haste mostrada na figura, determine o módulo da aceleração da haste B para θ = 60º. A manivela AO tem uma velocidade angular de 2 rad/s e uma aceleração angular de 6 rad/s2 nessa posição. R: 37,1 mm/s2 Cinemática dos Corpos Rígidos - Dinâmica 44 3. No instante em que θ = 50 º, a guia está subindo com aceleração de 3 m/s2 e velocidade de 2 m/s. Determine a aceleração e a velocidade angulares da barra AB no instante considerado. R: 8,7 rad/s; 50,5 rad/s2 Cinemática dos Corpos Rígidos - Dinâmica 45 4. Ao ponto A é fornecida uma aceleração constante a para a direita, partindo do repouso com x praticamente nulo. Determine a velocidade angular ω da barra de ligação AB em função de x e de a. R: Cinemática dos Corpos Rígidos - Dinâmica 46 5. O braço ranhurado AO mostrado na figura gira com uma velocidade angular constante durante um intervalo limitado de seu movimento, e move o bloco deslizante pivotado ao longo da ranhura horizontal. Escreva as expressões para a velocidade vB e para a aceleração aB do bloco deslizante em função de θ. R: vB = bω sec 2 θ, aB = 2bω 2 sec2 θ tg θ Cinemática dos Corpos Rígidos - Dinâmica 47 6. Usa-se o mecanismo para converter o movimento de rotação com velocidade angular constante ω = 4 rad/s da barra AB, de comprimento l = 50 cm, em movimento de translação da barra CD. Determine a velocidade e a aceleração de CD para um ângulo θ = 45º. R: vx = 1,41 m/s; ax = 5,66 m/s 2 Cinemática dos Corpos Rígidos - Dinâmica 48 7. A extremidade R da barra mostrada na figura mantém-se em contato com a came por meio de uma mola. Se a came gira em torno de um eixo pelo ponto O, com uma aceleração angular α e velocidade angular ω, determine a velocidade e a aceleração da barra quando a came tem uma posição arbitrária θ. R: vR = 2rωsen θ; aR = 2r(αsen θ + ω 2cos θ) Cinemática dos Corpos Rígidos - Dinâmica 49 8. A plataforma S pode ser elevada hidraulicamente pelo movimento do rolete A que se aproxima do pino B. Se a velocidade de A é de 1,5 m/s determine a velocidade com que a plataforma sobe considerando θ = 60º. As barras de 4 m estão articuladas por pinos em seus pontos médios. R: 0,866 m/s Cinemática dos Corpos Rígidos - Dinâmica 50 9. A carga L é içada pela combinação polia-cabo. Se o sistema parte do repouso e o cabo superior adquire uma velocidade igual a v = 4 m/s com aceleração constante quando a carga está a 6 m acima da sua posição de partida, calcular a aceleração da carga e determinar a sua velocidade neste instante. R: a = 0,0208 m/s2 Cinemática dos Corpos Rígidos - Dinâmica 51 QuestãoDesafio O disco A rola sem escorregar sobre a superfície de um cilindro fixo B. Determine a velocidade angular de A se o seu centro C tem velocidade vC = 5 m/s Cinemática dos Corpos Rígidos - Dinâmica 52 Para visualizar as componentes (translação e rotação) separadamente utiliza-se uma análise de movimento relativo envolvendo dois conjuntos de eixos coordenados: . o sistema x, y, z fixo; mede a posição absoluta entre dois pontos, A e B por exemplo. . outro sistema x', y', z'; com origem fixada no ponto de referência A (que tem um movimento conhecido). Estes eixos não giram com o corpo, eles poderão apenas transladar em relação ao sistema fixo. MOVIMENTO RELATIVO: Velocidade Cinemática dos Corpos Rígidos - Dinâmica 53 - Posição rA: vetor posição que caracteriza a localização do ponto de referência A. rB/A: posição relativa que localiza B em relação à A. A posição de B é escrita: MOVIMENTO RELATIVO: Velocidade Cinemática dos Corpos Rígidos - Dinâmica - Deslocamento Num pequeno intervalo de tempo dt, os pontos A e B se deslocam de drA e drB. Considerando o movimento plano geral por partes, pode-se inicialmente transladar o corpo como um todo de uma quantidade drA de modo que o ponto da base se move para posição final, e B se move para B'. O corpo então gira de um ângulo dθ em torno de A, de modo que B' sofre um deslocamento relativo drB/A, movendo para sua posição final B. Cinemática dos Corpos Rígidos - Dinâmica O deslocamento se escreve: Cinemática dos Corpos Rígidos - Dinâmica - Velocidade Tomando as velocidades como derivadas dos deslocamentos, tem-se: vB: velocidade absoluta do ponto B (medida em relação aos eixos fixos x, y, z). vA: velocidade absoluta do ponto A (medida em relação aos eixos fixos x, y, z). vB/A: velocidade relativa do ponto B em relação ao ponto A. Devido a rotação em torno de A, escreve-se: vB/A = ω.rB/A Cinemática dos Corpos Rígidos - Dinâmica 57 A rotação em torno de A é um movimento relativo circular, em que o módulo da velocidade é vB/A = ωrB/A e sua direção é perpendicular a rB/A. Uma vez que a velocidade relativa (vB/A) representa o efeito de um movimento circular em relação a A, esse termo pode ser expresso pelo produto vetorial: Então: Cinemática dos Corpos Rígidos - Dinâmica A figura (a) mostra a contribuição vcm para a velocidade de um ponto qualquer da periferia Pi; a figura (b) mostra a contribuição proveniente da rotação em torno do centro de massa, ω × ri, para a velocidade desses pontos e na figura (c) estão indicadas as velocidades desses pontos, obtidas por meio da soma vetorial das contribuições desenhadas nas figuras (a) e (b). Cinemática dos Corpos Rígidos - Dinâmica Cinemática dos Corpos Rígidos - Dinâmica 60 Exemplo 1 Uma roda de raio r rola para a esquerda sem deslizar e, no instante considerado, o centro O tem uma velocidade v0 para a esquerda. Determinar a velocidade dos pontos A e C sobre a roda no instante mostrado. MOVIMENTO RELATIVO: Velocidade Cinemática dos Corpos Rígidos - Dinâmica 61 Resolução: A velocidade de A pode ser determinada usando-se O como ponto de referência da equação: onde Observação: Como a roda não desliza, o ponto C apresenta velocidade nula no instante do contato com o solo e é chamado de centro instantâneo de velocidade nula, que será estudado mais à frente. Cinemática dos Corpos Rígidos - Dinâmica 62 Exemplo 2 Uma chapa quadrada uniforme, movendo-se no plano xy, possui uma velocidade angular no sentido horário. No instante mostrado, o ponto A tem uma velocidade de 2 m/s para a direita, e a velocidade do ponto C em relação a um observador fixo a B tem módulo de 1,2 m/s. Determine as expressões vetoriais para a velocidade angular da chapa e para a velocidade de seu centróide G. MOVIMENTO RELATIVO: Velocidade Cinemática dos Corpos Rígidos - Dinâmica Cinemática dos Corpos Rígidos - Dinâmica Resolução: A velocidade angular pode ser determinada usando-se a velocidade do ponto C em relação a ponto B: smjiv jikiv rvv sradk sradrv G G AGAG CBCB /)ˆ6,0ˆ6,2( )ˆ2,0ˆ2,0(ˆ3ˆ2 /ˆ3 /3 4,0 2,1 ; 64 Atividades 1. Num dado instante um cilindro de raio r, tem velocidade angular ω e aceleração angular α, como indicado na figura. Determine a velocidade de seu centro G sabendo que o cilindro rola sem escorregar. MOVIMENTO RELATIVO: Velocidade Cinemática dos Corpos Rígidos - Dinâmica 65 2. O cilindro rola sem deslizar sobre a superfície de uma correia transportadora que se move a 2 m/s. Determine a velocidade do ponto A. O cilindro tem uma velocidade angular no sentido horário ω = 15 rad/s no instante mostrado. R: v = 12,1 m/s Cinemática dos Corpos Rígidos - Dinâmica 3. Uma roda de raio r = 300 mm rola para a direita sem deslizar, e seu centro O possui uma velocidade v0 = 3 m/s. Calcule: a) A velocidade angular da roda no instante considerado. b) A velocidade do ponto A sobre a roda para o instante representado. c) A velocidade de um ponto P em contato com o solo nesse instante. R: 10 rad/s; 4,36 m/s; 0 m/s Cinemática dos Corpos Rígidos - Dinâmica 67 4. A engrenagem dupla mostrada na figura rola sobre a cremalheira inferior estacionária; a velocidade do seu centro A é 1,2 m/s para a direita e sua velocidade angular é igual a 8 rad/s no sentido horário. Determine os módulos das velocidades da cremalheira superior R e do ponto D da engrenagem. R: vR = 2 m/s; vD = 1,7 m/s Cinemática dos Corpos Rígidos - Dinâmica 5. A manivela AB gira a 500 rad/s em torno de um eixo fixo passando por A. Determine a velocidade do pistão P no instante em que ele passa pela posição mostrada na figura. Cinemática dos Corpos Rígidos - Dinâmica 69 6. O cubo da roda rola sem escorregar na superfície horizontal. Se a velocidade de seu centro é vC = 2 m/s para a direita, determine o módulos das velocidades dos pontos A e B, mostrados na figura. R: vA = 2,84 m/s; vB = 7,37 m/s Cinemática dos Corpos Rígidos - Dinâmica 70 7. O elemento de controle de um mecanismo de aplicação específica é submetido a um movimento no plano da figura. Se, em um determinado instante, a velocidade do pino B em relação ao pino A tem um módulo de 0,926 m/s, qual é o módulo correspondente da velocidade do pino C relativamente ao pino D? R: vC/D = 0,579 m/s Cinemática dos Corpos Rígidos - Dinâmica 71 8. Num dado instante, um bumerangue tem velocidade angular ω = 4 rad/s e seu centro de massa G tem velocidade vG = 6 m/s. Determine a velocidade do ponto B nesse instante. R: v = 6,47 m/s Cinemática dos Corpos Rígidos - Dinâmica 72 9. A bicicleta tem velocidade v = 4 pés/s, enquanto a roda traseira gira no sentido horário com velocidade angular ω = 3 rad/s, o que provoca um escorregamento de seu ponto de contato A. Determine a velocidade do ponto A da roda. R: 2,5 pés/s Cinemática dos Corpos Rígidos - Dinâmica 73 10. A barra mostrada na figura é guiadapelos blocos A e B, que se movem nas ranhuras fixas. Se a velocidade de A é de 2 m/s para baixo, determine a velocidade de B no instante em que θ = 45º. R: 2 m/s Cinemática dos Corpos Rígidos - Dinâmica 11. Num dado instante, o colar C mostrado na figura está descendo com uma velocidade de 2 m/s. Se o ponto B possui velocidade de 2 m/s para a direita, determine a velocidade angular da barra CB. Cinemática dos Corpos Rígidos - Dinâmica 12. Conforme o carro avança a 80 pés/s numa pista molhada, as rodas traseiras, devido a um escorregamento, giram com uma velocidade angular ω = 100 rad/s. Determine a velocidade escalar do: a) Ponto A b) ponto B c) ponto C Cinemática dos Corpos Rígidos - Dinâmica 13. Um disco gira com velocidade angular ω = 4 rad/s, como mostrado na figura. Determine: a) A velocidade vA do ponto A. Você se lembra como pode ser chamado esse ponto no instante considerado? b) As velocidades vB e vC dos pontos B e C nesse instante. Cinemática dos Corpos Rígidos - Dinâmica Outra abordagem para solução de problemas envolvendo as velocidades dos pontos de uma placa rígida em movimento plano é baseada na determinação do centro instantâneo de rotação (CI) da placa. CENTRO INSTANTÂNEO DE VELOCIDADE NULA Cinemática dos Corpos Rígidos - Dinâmica A expressão da velocidade relativa permite calcular a velocidade de um ponto quando conhecemos a velocidade de um ponto base. Esta determinação se simplifica quando a velocidade do ponto base é nula; e o ponto base se torna o C.I.R. Então: O eixo de velocidade nula é perpendicular ao plano do movimento. Os pontos se movem em trajetória circular em torno do CI. Cinemática dos Corpos Rígidos - Dinâmica A figura mostra uma roda girando com velocidade angular ω. Como os pontos em contato têm a mesma velocidade, no contato com o piso v = 0, este ponto é o CI e todos os outros pontos têm naquele instante uma trajetória circular em relação ao CI. Em geral, um novo centro instantâneo CI existirá para cada nova posição do corpo durante o seu movimento. O lugar geométrico desses centros no espaço é conhecido como centrodo espacial, e o lugar geométrico sobre o corpo (ou prolongamento do corpo) é conhecido como centrodo de corpo. Cinemática dos Corpos Rígidos - Dinâmica - Localização Em função das grandezas conhecidas, podemos distinguir três casos: 1. A velocidade instantânea vA e a velocidade angular ω são conhecidas. Então rA/CI = vA / ω. 2. As direções das velocidades de dois pontos A e B são conhecidas. Neste caso o CI localiza-se no ponto de encontro das perpendiculares às direções das velocidades nos pontos A e B. Cinemática dos Corpos Rígidos - Dinâmica Tem-se: rA/CI + rB/CI = d ou rB/CI – rA/CI = d O CI só vale para um determinado instante! Não significa que a aceleração é nula! 3. Os módulos e direção de duas velocidades paralelas são conhecidas. Cinemática dos Corpos Rígidos - Dinâmica Exemplo 1: Para o instante representado, o centro instantâneo de velocidade nula para a chapa retangular, sujeita a um movimento plano, é localizado em C. Se a chapa possui uma velocidade angular de 4 rad/s no sentido anti-horário nesse instante, determine o módulo da velocidade do centroide O da chapa. CENTRO INSTANTÂNEO DE VELOCIDADE NULA Cinemática dos Corpos Rígidos - Dinâmica Cinemática dos Corpos Rígidos - Dinâmica Resolução: É necessário inicialmente encontrar a distância rOC Aplicando a expressão escalar da velocidade relativa: smsmmv rv mmr O OCO OC /077,1/1077)4.(269 269250100 22 Exemplo 2: O eixo do conjunto da roda mostrada na figura rola sem deslizar sobre a superfície horizontal fixa, e o ponto O possui uma velocidade de 0,8 m/s para a direita. Utilizando o procedimento do CI, determine as velocidades dos pontos A, B, C e D. CENTRO INSTANTÂNEO DE VELOCIDADE NULA Cinemática dos Corpos Rígidos - Dinâmica smrv smrv smrv smrv sradrv DPD CPC BPB APA OPO /92,3)16.(050,0250,0 /08,4)16.(250,0050,0 /2,3)16.(200,0 /8,4)16.(300,0 /16 050,0 8,0 ; 22 22 Resolução: Cinemática dos Corpos Rígidos - Dinâmica 86 Atividades 1. O disco rola sem deslizamento sobre duas chapas A e B, as quais movem-se paralelamente uma a outra, mas em direções opostas. Se vA = 2 m/s e vB = 4 m/s, posicionar o centro instantâneo de velocidade nula para o disco, e determinar a velocidade do ponto D no instante representado. CENTRO INSTANTÂNEO DE VELOCIDADE NULA Cinemática dos Corpos Rígidos - Dinâmica 2. A caixa representada na figura move-se mantendo as arestas C e D em contato com as paredes lisas contidas respectivamente no plano OX e OY. Num determinado instante a velocidade do ponto D é 0,5 m/s. Determine nesse instante: a) As coordenadas do centro instantâneo de rotação b) A velocidade angular da caixa. Cinemática dos Corpos Rígidos - Dinâmica 88 3. Na situação mostrada na figura, o disco gira com velocidade angular ω = 4 rad/s. Utilizando o conceito de centro instantâneo de rotação (CI), determine as velocidades dos pontos B e C. R: 1,2 m/s; 0,849 m/s Cinemática dos Corpos Rígidos - Dinâmica 89 4. A engrenagem dupla mostrada na figura rola sobre a cremalheira inferior estacionária; a velocidade do seu centro A é 1,2 m/s para a direita. Determine as velocidades da cremalheira superior R e do ponto D da engrenagem usando o método do centro instantâneo de rotação. Cinemática dos Corpos Rígidos - Dinâmica 90 5. A extremidade A da barra possui uma velocidade vA = 2 m/s para baixo durante um certo intervalo de seu movimento. Para a posição em que θ = 30º, determine, pelo método do centro instantâneo de rotação, a velocidade angular ω da barra AB e a velocidade vG do centróide G da barra. R: ω = 11,55 rad/s; vG = 1,155 m/s, Cinemática dos Corpos Rígidos - Dinâmica 91 6. A lâmina de uma ceifadeira mecânica gira no sentido anti-horário a uma velocidade angular de 1800 rpm. Se o centrodo de corpo é um círculo com 0,75 mm de raio, calcule a velocidade vO da ceifadeira. R: 0,1414 m/s Cinemática dos Corpos Rígidos - Dinâmica 92 7. O cubo da roda rola sem escorregar na superfície horizontal. Se a velocidade de seu centro é vC = 2 m/s para a direita, determine utilizando o conceito de Centro Instantâneo de Velocidade Nula (C.I.) as velocidades dos pontos A e B mostrados na figura. R: 7,33m/s; 2,83 m/s Cinemática dos Corpos Rígidos - Dinâmica 93 8. O cilindro mostrado na figura rola sem escorregar entre as placas E e D. Determine a posição do centro instantâneo de rotação do cilindro e sua velocidade angular. R: 2,6 rad/s Cinemática dos Corpos Rígidos - Dinâmica 94 9. A roda motriz dianteirade um veículo possui um diâmetro de 650 mm e uma velocidade angular ω de 200 rpm quando em movimento sobre uma pista de gelo. Se o centro instantâneo de velocidade nula da roda está 100 mm acima do ponto de contato do pneu com a pista, determine a velocidade v do veículo e a velocidade de deslizamento vd do pneu sobre o gelo. R: 4,71 m/s, 2,09 m/s Cinemática dos Corpos Rígidos - Dinâmica 95 Uma equação que relaciona a aceleração de dois pontos de um corpo rígido sujeito a um movimento plano geral pode ser determinada pela derivação da equação de velocidade em relação ao tempo: MOVIMENTO RELATIVO: Aceleração e são acelerações absolutas medidas no sistema de coordenadas fixo. é medido por um observador fixo ao sistema móvel em translação. O movimento relativo tem uma trajetória circular com raio rB/A. Então: Cinemática dos Corpos Rígidos - Dinâmica Voltando à expressão da aceleração relativa: Pode-se escrever: Em que os módulos são: : com direção perpendicular a rB/A : com direção igual a BA e o sentido de B para A. Estas componentes representam um movimento circular observado num referencial em translação. Utilizando a noção de produto vetorial: Resultando: Cinemática dos Corpos Rígidos - Dinâmica Cinemática dos Corpos Rígidos - Dinâmica 98 Pode-se concluir que quando dois corpos são articulados: - pontos coincidentes na rótula têm a mesma aceleração. Descrevem a mesma trajetória; - se fazem contatos mas se movem em trajetórias diferentes terão a mesma aceleração tangencial (at); porém as acelerações totais não serão iguais pois an é diferente para cada trajetória. Cinemática dos Corpos Rígidos - Dinâmica 99 Exemplo 1: No primeiro exemplo do cálculo da velocidade relativa, vimos a determinação das velocidades dos pontos A e C sobre a roda de raio r que rola para a esquerda sem deslizar no instante considerado. Vamos agora determinar as acelerações destes mesmos pontos da roda no instante considerado, lembrando que o centro O tem uma velocidade v0 para a esquerda. MOVIMENTO RELATIVO: Aceleração Cinemática dos Corpos Rígidos - Dinâmica Resolução: A aceleração de A é dada por: aA = aO + aA/O, onde o termo da aceleração relativa tem as componentes:(aA/O)n = r0ω 2, dirigida de A para O, e a componente (aA/O)t = r0α dirigida ao longo de t. A adição dos vetores dá aA. A aceleração do centro instantâneo de velocidade nula C, considerado um ponto sobre a roda, é obtida pela expressão: aC = aO + aC/O, em que as componentes da aceleração relativa são: (aC/O)n = rω 2, dirigida de C para O, e (aC/O)t = rα, dirigida para a direita, para levar-se em conta a aceleração angular no sentido anti-horário de linha CO em torno de O. Os termos são adicionados conjuntamente, e tem-se que: aC = rω 2. Cinemática dos Corpos Rígidos - Dinâmica Cinemática dos Corpos Rígidos - Dinâmica 102 Atividades 1. Num dado instante, o cilindro de raio r visto anteriormente tem aceleração angular α. Determine a aceleração de seu centro G se o cilindro rola sem escorregar. MOVIMENTO RELATIVO: Aceleração Cinemática dos Corpos Rígidos - Dinâmica 103 2. O centro da dupla engrenagem já vista em problemas anteriores tem uma velocidade de 1,2 m/s para a direita e uma aceleração de 3 m/s2 na mesma direção e sentido. Determine: (a) a aceleração angular da engrenagem; (b) as acelerações dos pontos B, C e D da engrenagem. R: (a) α = -20 rad/s2; (b) aB = 8,1 m/s 2 aC = 9,6 m/s 2 aD = 13 m/s 2 Cinemática dos Corpos Rígidos - Dinâmica 104 3. O volante mostrado na figura possui um diâmetro de 600 mm e gira aumentando sua velocidade de rotação em torno de seu eixo, que coincide com a orientação z. Quando o ponto P sobre sua borda cruza o eixo y com θ = 90º, ele possui uma aceleração dada por a = - 1,2 i - 10,8 j (m/s2) Para esse instante, determine a velocidade angular ω e a aceleração angular α do volante. R: 6 rad/s; 4 rad/s2 Cinemática dos Corpos Rígidos - Dinâmica 105 4. As duas pás de rotor com 800 mm de raio giram no sentido anti-horário com uma velocidade angular constante 2 rad/s em torno do eixo O montado em um bloco deslizante. A aceleração do bloco é aO = 3 m/s 2. Determine o módulo da aceleração da ponta A da pá quando (a) θ = 0º, (b) θ = 90º e (c) θ = 180º. A velocidade de O ou o sentido de ω influenciam o cálculo? R: (a) 0,2 m/s2, (b) 4,39 m/s2, (c) 6,2 m/s2 Cinemática dos Corpos Rígidos - Dinâmica 106 5. O centro O da roda é montado em um bloco deslizante que possui uma aceleração aO = 8 m/s 2 para a direita. Determine os módulos das acelerações dos pontos A e B para o instante em que θ = 45º, ω = 3 rad/s, α = - 8 rad/s2. R: aA = 12,8 m/s 2, aB = 3,21 m/s 2 Cinemática dos Corpos Rígidos - Dinâmica 107 6. Para o instante representado na figura, o vértice C da chapa retangular possui uma aceleração de 5 m/s2 no sentido negativo do eixo y, e a placa possui uma velocidade angular de 4 rad/s no sentido horário que diminui de 12 rad/s a cada segundo. Determine a aceleração do vértice A nesse instante. R: aA = 11,18 m/s 2 Cinemática dos Corpos Rígidos - Dinâmica 108 7. O centro O do disco possui velocidade angular ω = 7,5 rad/s e aceleração angular α = 12,5 rad/s2 no instante considerado. Se o disco rola sem deslizar sobre a superfície horizontal determine o módulo da aceleração de B para esse instante. R: aB = 16,44 m/s 2 Cinemática dos Corpos Rígidos - Dinâmica 109 8. A bola mostrada na figura possui 0,5 m de raio e rola sem escorregar para a esquerda com aO = 2 m/s 2. Determine as acelerações vetoriais dos pontos B e A. R: aB = (–20 i + 2 j) m/s2; aA = (–4 i – 18 j) m/s2 Cinemática dos Corpos Rígidos - Dinâmica 110 9. Num dado instante, o bloco deslizante A tem a velocidade e a aceleração mostradas na figura. Se a barra AB possui velocidade angular constante ωAB = 7,07 rad/s, determine a aceleração aB do bloco B nesse instante. R: 11,9 m/s2 Cinemática dos Corpos Rígidos - Dinâmica 111 10. O centro da roda mostrada na figura está se deslocando para a direita com aceleração escalar a = 5,80 m/s2,velocidade angular ω = 2 rad/s e aceleração angular α = 4 rad/s2. Sabendo que o ponto A não escorrega e que o raio da roda vale r = 1,45 m, determine a aceleração do ponto B. R: 13,9 m/s2 Cinemática dos Corpos Rígidos - Dinâmica 30º Na discussão das equações do movimento relativo para a análise do movimento plano de corpos rígidos, foram utilizados eixos de referências não-girantes para descrever a velocidade relativa e a aceleração relativa. O uso de eixos de referência girantes facilita bastante a solução de muitos problemas de cinemática, em que o movimento é gerado no interior de um sistema ou observado a partir de um sistema que está girando. Inicia-se a descrição do movimento utilizando eixos girantes na análise do movimento plano de duas partículas A e B no plano XY. MOVIMENTO RELATIVO A EIXOS GIRANTES Cinemática dos Corpos Rígidos - Dinâmica Considera-se, inicialmente, que as partículas A e B se movem independentemente uma da outra. Observa-se o movimento de A a partir de um sistema de referência xy em movimento, que possui sua origem fixa a B e que gira com uma velocidade angular ω = dθ/dt. Pode-se escrever esta velocidade angular como o vetor ω = ωk = dθ/dk,que é perpendicular ao plano do movimento e cujo sentido positivo coincide com a orientação positiva da direção z, conforme estabelecido pela regra da mão direita. O vetor posição absoluta da partícula A é dado por: rA = rB + r rA = rB + (xi + yj) ou onde i e j são vetores unitários fixos ao referencial xy, e r = xi + yj, representativo de rA/B, é o vetor posição de A em relação a B. Cinemática dos Corpos Rígidos - Dinâmica jyixrr BA ˆˆ Ao contrário do caso de eixos em translação, os vetores unitários i e j estão girando com o sistema de eixos xy e, portanto, suas derivadas em relação ao tempo devem ser calculadas. Utilizando o conceito de produto vetorial, pode-se perceber, pela figura, que ω X i = ωj e ω X j = - ωi. Assim, as derivadas em relação ao tempo dos vetores unitários podem ser expressas como: di/dt = ω X i = ωj e dj/dt = ω X j = - ωi Cinemática dos Corpos Rígidos - Dinâmica Utilizando as expressões das derivadas dos vetores unitários, e derivando em relação ao tempo a equação do vetor posição de A e B, obtém-se a relação da velocidade relativa: Porém, e uma vez que o observador em xy percebe as componentes da velocidade vx e vy, tem-se que que é a velocidade em relação ao sistema de referência xy. Assim, a equação da velocidade relativa fica: Cinemática dos Corpos Rígidos - Dinâmica jyixjyixrr jyix dt d dt rd dt rd BA BA ˆˆ jyixrr BA ˆˆ ryjxiyjxijyix )( relvjyix A figura ilustra o movimento da partícula A em relação ao plano girante xy, limitado pela ranhura curva na chapa que representa o sistema de referência girante xy. A velocidade de A, medida relativamente à chapa, , é tangente à trajetória fixa na chapa xy e possui um módulo ds/dt, onde s é medido ao longo da trajetória. Essa velocidade relativa pode também ser vista como a velocidade relativa a um ponto P fixo à chapa e coincidente com A no instante considerado. O termo possui um módulo e uma direção perpendicular a , e é a velocidade relativa a B no ponto P vista dos eixos não-girantes fixos a B. Cinemática dos Corpos Rígidos - Dinâmica relv r BAv / r r A equação da aceleração relativa pode ser obtida derivando-se a relação da velocidade relativa. Assim: Trabalhando-se os termos do lado direito da equação, com o auxílio das equações das derivadas dos vetores unitários, e agrupando os termos idênticos, obtém-se a expressão vetorial geral da aceleração absoluta de uma partícula A em função de sua aceleração medida relativamente a um sistema de coordenadas móvel que gira com uma velocidade angular e uma aceleração angular . Cinemática dos Corpos Rígidos - Dinâmica relBA relBA vrraa vr dt d vv relrelBA avrraa 2)( rela Os termos e representam, respectivamente, as componentes tangencial e normal da aceleração do ponto coincidente P em seu movimento circular em relação a B. Esse movimento pode ser observado de um conjunto de eixos não-girantes movendo-se com B. O módulo de é , e sua direção é tangente ao círculo. O módulo de é rω2 e sua orientação é de P para B ao longo da normal ao círculo. Cinemática dos Corpos Rígidos - Dinâmica relrelBA avrraa 2)( r )( r BPa / r r )( r A aceleração de A em relação à chapa ao longo da trajetória, , pode ser expressa em coordenadas retangulares, normal e tangencial, ou polares, no sistema girante. Geralmente são utilizadas as componentes n e t, e essas componentes foram ilustradas na figura anterior. A componente tangencial possui um módulo , onde s é a distância medida ao longo da trajetória até A. A componente normal tem módulo , onde ρ é o raio de curvatura da trajetória medida em xy. O sentido desse vetor é sempre em direção ao centro de curvatura. Cinemática dos Corpos Rígidos - Dinâmica rela sa trel )( 2 )( relnrel v a Os resultados expressos pela equação da aceleração relativa podem ser visualizados de forma mais simples escrevendo-se a aceleração de A em função da aceleração do ponto coincidente P. Uma vez que a aceleração de P é pode-se reescrever a equação da aceleração relativa como: Quando a equação é escrita dessa forma o ponto P não pode ser escolhido aleatoriamente, pois ele é um ponto fixo ao sistema de referência girante coincidente com A no instante da análise. Cinemática dos Corpos Rígidos - Dinâmica )( rraa BP relrelPA avaa 2 Exemplo 1: A figura mostra uma partícula A que move-se numa ranhura circular de 80 mm de raio, no mesmo instante em que uma placa gira em torno de sua extremidade inferior O, na razão ω = dθ/dt. Determinar a velocidade de A na posição para a qual θ = 45º se, neste instante, dθ/dt = 3 rad/s e dβ/dt = 5 rad/s. Cinemática dos Corpos Rígidos - Dinâmica MOVIMENTO RELATIVO A EIXOS GIRANTES Resolução: Os eixos xy, fixados à placa com origem em B constituem o sistema girante de referência. A relação da velocidade relativa é vA = vB + ω x r + vrel. Os termos mostrados na parte (b) da figura representam os vetores velocidades e posição. O ponto B move-se num arco circular em torno de O; assim sua velocidade tem a intensidade: |vB| = rBω = √2 . 0,10 . 3 = 0,424 m/s Cinemática dos Corpos Rígidos - Dinâmica O termo ω x r é a velocidade relativa em relação a B do ponto P sobre a placa e coincidente com A. A linha PB gira com a velocidade angular ω = dθ/dt, de tal forma que: |ω x r| = |vP/B| = rω = 0,08 . 3 = 0,24 m/s A velocidade vrel de A em relação a placa depende de dβ/dt e tem a intensidade: |vrel| = rdβ/dt = 0,08 . 5 = 0,40 m/s Adicionando-se os três vetores dá: = 0,453 m/s 22 24,040,0424,0 Av Cinemática dos Corpos Rígidos - Dinâmica Exemplo 2: No instante representado na figura, o disco com uma ranhura radial gira em torno do ponto O com uma velocidade angular de 4 rad/s no sentido anti- horário, que diminui a uma taxa de 10 rad/s2. O movimento do cursor A é controlado separadamente, e, nesse instante r = 150 mm, v = 125 mm/s e a = 2025 mm/s2. Determinar a velocidade e a aceleração absolutas do cursor A para essa posição. MOVIMENTO RELATIVO A EIXOS GIRANTES Cinemática dos Corpos Rígidos - Dinâmica MOVIMENTO RELATIVO A EIXOS GIRANTES Resolução: Nesse caso, tem-se um movimento relativo a uma trajetória de rotação, de modo que um sistema de coordenadas girante com origem em O é o mais indicado. Considera-se, assim, o sistema de eixos xy fixo ao disco e utilizam-se os vetores unitários i e j. Considerando a origem em O, o termo da equação da velocidade relativa desaparece, e tem-se: A velocidade angular, como um vetor, é rad/s, onde k é o vetor unitário perpendicular ao plano xy, no sentido z positivo. A equação da velocidade relativa fica: e possui um módulo de:m/s Bv relA relBA vrv vrvv )/(125,0600,0125,0150,04 smijiikvA 613,0125,0600,0 22 Av kB 4 Cinemática dos Corpos Rígidos - Dinâmica Para determinar a aceleração, pode-se escrever para a aceleração nula da origem do sistema girante de coordenadas: Os termos conhecidos ficam: Portanto a aceleração total é: = (2,025 – 2,4)i + (1,0 – 1,5)j = - 0,375i – 0,5j m/s2 e possui módulo igual a: relrelA avrra 2)( )/(025,2 )/(0,1125,0)4(22 )/(5,1150,010 )/(4,26,04150,044)( 2 2 2 2 smia smikv smjikr smijkikkr rel rel 222 /613,0125,0600,0 smvA Aa Cinemática dos Corpos Rígidos - Dinâmica 127 Atividades 1. Um mastro fixo A é visto por um observador P que está sentado em um pequeno carrossel que gira em torno de um eixo vertical que passa por B com uma velocidade angular constante Ω, conforme mostrado. Determinar a velocidade aparente de A, vista pelo observador P. Essa velocidade depende da localização do observador sobre o carrossel? Cinemática dos Corpos Rígidos - Dinâmica MOVIMENTO RELATIVO A EIXOS GIRANTES 2. O carro B está realizando uma curva com uma velocidade constante de 54 Km/h, e o carro A está se aproximando do carro B no cruzamento com uma velocidade constante de 72 Km/h. Determinar a velocidade que o carro A aparenta ter para um observador viajando no carro B e fazendo a curva. Os eixos xy são fixos ao carro B. Seria essa velocidade aparente o negativo da velocidade que B parece possuir para um observador não-girante no carro A? A distância de separação dos dois carros no instante considerado é de 40 m. Cinemática dos Corpos Rígidos - Dinâmica 3. Os jatos estão voando à mesma altitude e têm os movimentos indicados na figura. Determine a velocidade de A medida pelo piloto de B. R: 94 Km/h Cinemática dos Corpos Rígidos - Dinâmica 4. No instante em que θ = 60º, a barra fixa em O mostrada na figura tem uma velocidade angular de 3 rad/s e uma aceleração angular de 2 rad/s2. Nesse instante, o colar C desloca-se para fora ao longo da barra, de modo que quando x = 0,2 m, a velocidade é 2 m/s e a aceleração é 3 m/s2, ambas medidas relativamente à barra. Determine as expressões vetoriais para a velocidade e para a aceleração do colar C nesse instante. R: 2i – 0,6j m/s; 1,2i – 12,4j m/s2 Cinemática dos Corpos Rígidos - Dinâmica 5. O bloco que está preso numa corda move-se ao longo da ranhura numa barra horizontal. Na situação mostrada na figura, a corda é puxada para baixo através do orifício em O, com aceleração de 4 m/s2 e velocidade de 2 m/s. Determine a aceleração do bloco nessa situação. A barra gira em torno de O com velocidade angular constante ω = 4 rad/s. R: –5,6i – 16j m/s2 Cinemática dos Corpos Rígidos - Dinâmica 6. A bola B, de tamanho desprezível, rola num tubo, de forma que num dado instante ela tem uma velocidade de 5 pés/s e uma aceleração de 3 pés/s2, medidas relativamente ao tubo. Se o tubo tem velocidade angular ω = 3 rad/s e aceleração α = 5 rad/s2 nesse instante, determine a velocidade da bola. R: 5i + 6j pés/s Cinemática dos Corpos Rígidos - Dinâmica 7. Considere o movimento da bola do exercício anterior, determine sua aceleração para o instante considerado. R: -15i + 40j pés/s2 Cinemática dos Corpos Rígidos - Dinâmica 8. Um homem está numa plataforma girante, inicialmente em O. Ele corre para a borda, de forma que, quando ele está em A, y = 0,5 pé, seu centro de massa tem velocidade de 2 pés/s e aceleração de 3 pés/s, ambas medidas relativamente à plataforma e orientadas ao longo do eixo y. Se a plataforma tem o movimento de rotação definido na figura, determine a velocidade do seu centro de massa, na situação considerada. R: -2,5i + 2j pés/s Cinemática dos Corpos Rígidos - Dinâmica 9. Considere o movimento sobre a plataforma girante do homem do exercício anterior. Determine a aceleração do centro de massa do homem, para a situação considerada. R: -3i + 1,75j pés/s2 Cinemática dos Corpos Rígidos - Dinâmica 10. A aeronave de transporte B está voando com uma velocidade de 800 km/h em uma trajetória em arco de 15 km de raio. Quando B atinge a posição mostrada, a aeronave A, voando para sudoeste a uma velocidade constante de 600 km/h, cruza a linha radial de B até o centro da curvatura C de sua trajetória. Escreva a expressão vetorial, utilizando o sistema de eixos x-y fixo a B, para a velocidade de A quando medida por um observador no interior de B. Cinemática dos Corpos Rígidos - Dinâmica 137 Agora você deve tentar resolver este mega simulado para a avaliação V1! Ele traz questões que abrangem todos os assuntos estudados sobre Cinemática de Corpos Rígidos. Se necessário, faça uso da formulação vista durante seus estudos. Aproveite esta ótima oportunidade para se preparar para a V1... Bons estudos! Introdução - Dinâmica II Cinemática de Corpos Rígidos - Dinâmica II 138 Questão 1. O disco está girando inicialmente com velocidade angular ω0 = 8 rad/s. Considerando uma aceleração angular constante αc = 6 rad/s 2, determine os módulos da velocidade e dos componentes n e t da aceleração do ponto A, no instante t = 3 s. Introdução - Dinâmica II Cinemática de Corpos Rígidos - Dinâmica II 139 Questão 2. Considere as engrenagens A e B mostradas na figura. Sabendo que A parte do repouso e tem aceleração angular constante αA = 2 rad/s 2, determine o tempo necessário para B atingir uma velocidade angular ωB = 50 rad/s Introdução - Dinâmica II Cinemática de Corpos Rígidos - Dinâmica II 140 Questão 3. O cilindro hidráulico C impõe à extremidade A da barra AB uma velocidade constante v0 no sentido negativo da direção x. Determine as expressões para a velocidade angular ω = dθ/dt da barra em função de x. Introdução - Dinâmica II Cinemática de Corpos Rígidos - Dinâmica II 141 Questão 4. No sistema motor mostrado na figura, l = 0,254 m e b = 0,0762 m, a manivela AB gira com velocidade angular constante de 750 rpm, no sentido horário. Determine a velocidade do pistão P e a velocidade angular da biela para a posição em que θ = 90°. Introdução - Dinâmica II Cinemática de Corpos Rígidos - Dinâmica II 142 Questão 5. No instante em que θ = 50º, a guia mostrada na figura está subindo com velocidade de 3 m/s e aceleração de 2 m/s2. Determine a velocidade e a aceleração angulares da barra AB no instante considerado. Observação: o movimento para cima da guia ocorre no sentido negativo de y. Introdução - Dinâmica II Cinemática de Corpos Rígidos - Dinâmica II 500 mm 143 Questão 6. Se a extremidade da corda está sendo puxada com velocidade vC = 120 mm/s, determine as velocidades angulares das polias A e B e a velocidade do bloco D. Suponha que a corda não escorregue nas polias. Introdução - Dinâmica II Cinemática de Corpos Rígidos - Dinâmica II 144 Questão 7. Uma roda de raio r = 300 mm rola para a direita sem deslizar, e seu centro O possui uma velocidade v0 = 3 m/s. Calcule a velocidade do ponto A sobre a roda para o instante representado. Introdução - Dinâmica II Cinemática de Corpos Rígidos - Dinâmica II 145 Questão 8. A manivela CB oscila em torno de C através de um arco limitado, obrigandoa manivela OA a oscilar em torno de O. Quando o mecanismo passa pela posição mostrada com CB horizontal e OA vertical, a velocidade angular de CB é de 2 rad/s no sentido anti-horário. Para esse instante, determine as velocidades angulares de OA e AB. Introdução - Dinâmica II Cinemática de Corpos Rígidos - Dinâmica II 146 Questão 9. A configuração usual de um motor alternativo é a do mecanismo de bloco deslizante e manivela apresentado. Se a manivela OB possui uma velocidade de rotação no sentido horário de 1500 rpm, determine para a posição em que θ = 60°, a velocidade do pistão A, a velocidade do ponto G sobre a biela e a velocidade angular da biela. Introdução - Dinâmica II Cinemática de Corpos Rígidos - Dinâmica II 147 Questão 10. Mostre como se pode determinar o centro instantâneo de velocidade nula para a barra BC mostrada na figura. Se necessário, represente-o na figura. Introdução - Dinâmica II Cinemática de Corpos Rígidos - Dinâmica II 148 Questão 11. Devido ao escorregamento, os pontos A e B na borda do disco de raio r = 0,8 pés têm as velocidades indicadas na figura. Determine: a) a posição do centro instantâneo de velocidade nula; b) a velocidade do centro C disco. Introdução - Dinâmica II Cinemática de Corpos Rígidos - Dinâmica II 149 Questão 12. Para o instante representado, quando a manivela OA passa pela posição horizontal, determine a velocidade do centro G da barra AB pelo método do CIR. Introdução - Dinâmica II Cinemática de Corpos Rígidos - Dinâmica II 150 Questão 13. O centro O do disco possui velocidade angular ω = 7,5 rad/s e aceleração angular α = 12,5 rad/s2 no instante considerado. Se o disco rola sem deslizar sobre a superfície horizontal determine o módulo da aceleração de B para esse instante. Introdução - Dinâmica II Cinemática de Corpos Rígidos - Dinâmica II 151 Questão 14. Num dado instante, o pé A da escada tem aceleração aA = 4 pés/s 2 e velocidade vA = 6 pés/s, ambas para a esquerda. Determine a aceleração do topo B e a aceleração angular da escada, nesse instante. Introdução - Dinâmica II Cinemática de Corpos Rígidos - Dinâmica II 152 Questão 15. Determine a aceleração linear do bloco deslizante B que desloca-se para a direita com a velocidade e a aceleração mostradas na figura. Nesse instante, a roda possui aceleração angular constante igual 0,42 rad/s2. Lembre-se que para a inclinação representada, a velocidade do ponto A é paralela à do bloco B, o que indica que a barra AB não está girando. Introdução - Dinâmica II Cinemática de Corpos Rígidos - Dinâmica II 153 Questão 16. Lança-se um aro sobre uma superfície áspera de forma que num dado instante ele tem velocidade angular ω = 4 rad/s e desaceleração angular α = 5 rad/s2, como indica a figura. Considerando que seu centro tem velocidade v0 = 5 m/s e desaceleração a0 = 2 m/s 2, determine a aceleração do ponto A, nesse instante. Introdução - Dinâmica II Cinemática de Corpos Rígidos - Dinâmica II 154 Questão 17. O disco mostrado na figura rola sem deslizar sobre a superfície horizontal e, no instante representado, o centro O tem a velocidade e a aceleração indicadas. Nesse instante, o centro O tem a velocidade e a aceleração indicadas. Nesse instante, a partícula A possui a velocidade indicada por u e a taxa de variação com o tempo da velocidade ambas relativas ao disco. Determine a velocidade absoluta da partícula A. Introdução - Dinâmica II Cinemática de Corpos Rígidos - Dinâmica II 155 Questão 18. Considere o disco do problema anterior, mostrado novamente na figura, Determine a aceleração absoluta da partícula A. Introdução - Dinâmica II Cinemática de Corpos Rígidos - Dinâmica II 156 Prof. DSc. Valtency F. Guimarães Dinâmica II 157 Cinética Planar de Corpos Rígidos: Força e Aceleração 1. Introdução 2. Momento de inércia de uma massa 3. Equações Cinéticas Planares do Movimento 4. Equação do movimento de translação 5. Equações do movimento de rotação em torno de um eixo fixo 6. Equações do movimento: movimento plano geral CINÉTICA PLANA DE CORPOS RÍGIDOS Cinética dos Corpos Rígidos - Dinâmica 158 A cinética de corpos rígidos trata das relações entre as solicitações (forças e momentos) que atuam num corpo e o correspondente movimento (translação e rotação) desse corpo. As relações cinemáticas para o movimento plano de corpos rígidos foram anteriormente desenvolvidas, sendo agora necessárias neste estudo do movimento planar de corpos rígidos. Este estudo é aplicado a movimentos planares de corpos rígidos que, tal como as solicitações aplicadas, são considerados simétricos relativamente a um plano de referência fixo. Este plano de referência contém o centro de massa e todas as forças e momentos que atuam no corpo podem ser projetados para esse plano de referência. 1. Introdução Cinética dos Corpos Rígidos - Dinâmica 159 Um corpo que tenha dimensões apreciáveis na direção normal ao plano de referência pode ser tratado como possuindo movimento plano. Estas idealizações incluem claramente um vasto número de movimentos de corpo rígido. Uma forma básica de abordar a Cinética é pelo isolamento do corpo ou sistema a ser analisado. Para problemas que envolvem as relações instantâneas entre força, massa e aceleração ou quantidade de movimento, o corpo ou sistema deve ser explicitamente definido isolando-se o mesmo com o seu diagrama de corpo livre. Cinética dos Corpos Rígidos - Dinâmica 160 Quando forem empregados os princípios do trabalho e energia, um diagrama de forças que mostra somente aquelas forças externas que realizam trabalho sobre o sistema pode ser usado no lugar do diagrama de corpo livre. Nenhuma solução de um problema deve ser tentada sem primeiro definir o contorno externo completo do corpo ou sistema, e identificar todas as forças externas que atuam sobre ele. Cinética dos Corpos Rígidos - Dinâmica 161 Uma vez que um corpo rígido tem uma forma e tamanho definidos, um sistema de forças aplicadas ao corpo poderá não ser concorrente, provocando momentos que irão resultar numa aceleração angular do corpo. O movimento de rotação é descrito por uma equação do tipo onde o termo IG é a quantidade designada por momento de inércia. 2. Momento de Inércia .GG IM Cinética dos Corpos Rígidos - Dinâmica 162 Por comparação, pode-se afirmar que o momento de inércia é uma medida da resistência do corpo à aceleração angular, da mesma forma que a massa é uma medida da resistência do corpo à aceleração: Cada partícula fornece alguma resistência à mudança no movimento angular. Importante: - Propriedade de um objeto em resistir às mudanças no seu movimento angular. - É afetado pela massa do objeto e como esta está distribuída em relação ao eixo de rotação. I = m.r2 Cinética dos Corpos Rígidos - Dinâmica Momento de Inércia .GG IM Cinética dos Corpos Rígidos - Dinâmica Cálculo do momento de inércia Para o corpo representado na figura abaixo, o momento de inércia relativamente ao eixo z é definido como A distância r é medida na perpendicular a partir do eixo z até ao elemento de massa dm. m dmrI .2 Cinética dos Corpos Rígidos - DinâmicaO momento de inércia de uma vareta fina, de massa M e comprimento L, em relação ao eixo O: Densidade linear da vareta: → Cálculo do momento de inércia: m dmrI .2 Cinética dos Corpos Rígidos - Dinâmica - Considerando o eixo no centro de massa da vareta (h = L/2): - Considerando o eixo no centro de massa da vareta (h = 0): Cinética dos Corpos Rígidos - Dinâmica 167 Desde que o momento de inércia do corpo calculado relativamente a um eixo que passa no seu centro de massa seja conhecido, então o momento de inércia relativamente a qualquer outro eixo paralelo pode ser determinado, usando o teorema dos eixos paralelos (ou de Steiner). Este teorema pode ser deduzido considerando o corpo representado na figura: - Teorema dos eixos paralelos Cinética dos Corpos Rígidos - Dinâmica 168 O eixo z’ passa através do centro de massa, enquanto o eixo paralelo z se encontra afastado a uma distância d. Escolhendo o elemento de massa dm, localizado no ponto (x’, y’), e usando o teorema de Pitágoras, r2 = (d + x’)2 + y’2 Podemos expressar o momento de inércia do corpo relativamente ao eixo z como: Cinética dos Corpos Rígidos - Dinâmica m m mmm dmddmxddmyxdmyxddmrI 2222 22 '2'''' Cinética dos Corpos Rígidos - Dinâmica IG - momento de inércia relativamente ao eixo z´ que passa no centro de gravidade G. m - massa do corpo d - distância medida na perpendicular entre os dois eixos paralelos. m m mmm dmddmxddmyxdmyxddmrI 2222 22 '2'''' Como r’2 = x’2 + y’2, o primeiro integral representa IG . O segundo integral é nulo, uma vez que o eixo z' passa no centro de massa do corpo, isto é, , uma vez que x' = 0. Finalmente, o terceiro integral representa a massa total m do corpo. Assim, o momento de inércia relativamente ao eixo z pode ser escrito como: m m dmxdmx 0'' 2mdII G O momento de inércia relativamente a um determinado eixo é frequentemente referido em termos do raio de giração (k), que é uma medida da distribuição da massa de um corpo em torno do eixo em questão e a sua definição é análoga à definição de raio de giração para o momento de inércia de área. Se toda a massa m pudesse ser concentrada a uma distância k do eixo, o momento de inércia permaneceria inalterado. “É a distância teórica do eixo de rotação onde toda a massa do objeto deveria estar concentrada para criar a mesma resistência à mudança no movimento angular que o objeto oferece no seu formato original”. 2mkI m I k - Raio de giração Cinética dos Corpos Rígidos - Dinâmica 171 O momento de inércia de massa de um corpo composto é a soma dos momentos de inércia individuais relativos ao mesmo eixo. Pode-se utilizar o teorema dos eixos paralelos para relacionar o momento de inércia de cada uma das partes no seu centro de massa, IG , com o do momento de inércia no centro de massa do corpo. É muitas vezes conveniente tratar um corpo composto como sendo definido por volumes positivos e volumes negativos. O momento de inércia de um elemento negativo, como o material que é removido para formar um furo, deve ser considerado como uma quantidade negativa. - Corpos Compostos Cinética dos Corpos Rígidos - Dinâmica 172 A tabela apresenta algumas das fórmulas mais úteis para os momentos de inércia de corpos com as formas mais comuns. Cinética dos Corpos Rígidos - Dinâmica 173 Cinética dos Corpos Rígidos - Dinâmica “Princípio da conservação do momento angular” O momento angular de um objeto permanece constante a menos que um torque externo resultante seja exercido sobre ele. A 1ª lei de newton não requer que a velocidade angular seja constante, mas sim que o produto do momento de inércia pela velocidade angular seja constante, se não houver torques externos atuando. - INTERPRETAÇÃO ANGULAR DA 1ª LEI DE NEWTON Cinética dos Corpos Rígidos - Dinâmica momento de inércia velocidade angular momento angular constante Cinética dos Corpos Rígidos - Dinâmica 176 “Mudança no momento angular” Se um torque externo for exercido sobre um objeto, este irá sofrer uma aceleração angular no sentido deste torque e essa aceleração angular será diretamente proporcional ao torque e inversamente proporcional ao momento de inércia do objeto. - INTERPRETAÇÃO ANGULAR DA 2ª LEI DE NEWTON = T / I ou T = I - aumento ou diminuição da velocidade angular - mudança na direção do eixo de rotação - mudança no momento e inércia A aceleração angular do objeto ou uma mudança no seu momento de inércia não necessariamente indica a presença de um torque externo resultante. Cinética dos Corpos Rígidos - Dinâmica 177 Para cada torque exercido por um objeto sobre o outro, o segundo exerce sobre o primeiro um torque de igual magnitude mas no sentido oposto. Os efeitos dos torques dependem dos momentos de inércia dos objetos. - INTERPRETAÇÃO ANGULAR DA 3ª LEI DE NEWTON Cinética dos Corpos Rígidos - Dinâmica Cinética dos Corpos Rígidos - Dinâmica 179 O movimento dum corpo pode ser visto na figura abaixo, em que o sistema inercial de referência x, y, z, tem a sua origem coincidente com o ponto arbitrário P do corpo. Por definição de sistema inercial, estes eixos não rodam e, ou estão fixos, ou transladam com velocidade constante. 3. Equações Cinéticas Planares do Movimento Cinética dos Corpos Rígidos - Dinâmica 180 Um exemplo do movimento dum corpo pode ser visto na figura abaixo, em que o sistema inercial de referência x, y, z, tem a sua origem coincidente com o ponto arbitrário P do corpo. Por definição de sistema inercial, estes eixos não rodam e, ou estão fixos, ou transladam com velocidade constante. Cinética dos Corpos Rígidos - Dinâmica 181 As forças representadas na figura anterior são forças externas, que representam o efeito de forças gravitacionais, elétricas, magnéticas ou de contacto com corpos adjacentes. Uma vez que este sistema de forças foi já estudado na análise de um sistema de partículas, a equação que daí resultou pode ser aqui usada: 4. Equação do movimento de translação Soma de todas as forças externas que atuam no corpo aceleração do seu centro de massa = massa do corpo x G amF . Cinética dos Corpos Rígidos - Dinâmica 182 Cinética dos Corpos Rígidos - Dinâmica Para o movimento do corpo no plano x-y, a equação do movimento pode ser escrita sob a forma de duas equações escalares independentes, uma vez que não existe nenhum movimento angular de translação do corpo; e assim, a aceleração angular é igual a zero. Então as equações do movimento que se aplicam neste caso são: xGx amF yGy amF 0 GM G amF . 0. GG IM 183 Cinética dos Corpos Rígidos - Dinâmica Para a translação retilínea, se a direção de x é escolhida como sendo a da aceleração, então
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