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1 PME2100 - MECÂNICA A 2a LISTA DE EXERCÍCIOS - CINEMÁTICA LISTA DE EXERCÍCIOS COMPLEMENTARES AO LIVRO TEXTO (Cap. 6 e 7) (FRANÇA, L. N. F.; MATSUMURA, A. Z. Mecânica Geral. Ed. Edgard Blücher, 2ª ed., 2004) 1) Os pontos A(1,2), B(2,1) e C(−1,1) pertencem a um mesmo sólido. Sabendo que jivA rrr 2−= e que jmivB rrr += 3 , pedem-se: a) O valor de m. b) A velocidade Cvr do ponto C. Respostas: a) 0=m b) jiVC rrr 63 −= 2) São dadas num determinado instante as posições dos pontos A(0,2,1), B(0,3,1), C(1,3,1) e D(0,3,2) e as velocidades jvA rr = e kivD rrr += 2 . Considere duas situações para a velocidade de C: ivC rr = e ivC rr −= . Pede-se: a) Verificar se A, C e D podem pertencer a um mesmo sólido; considere as duas situações do ponto C e justifique a resposta. b) Determinar a velocidade de B para que A, B, C e D pertençam ao mesmo sólido; c) Determinar o vetor rotação Ωr desse sólido. Respostas: a) sim iVC rr = b) kjiVB rrrr ++= c) kji rrrr −+=Ω 3) A e B são dois pontos genéricos de um sólido em movimento qualquer. Demonstrar que: a) ( ) dt ABd − é ortogonal a ( )AB − . b) A projeção das velocidades de B e A sobre a reta AB são iguais. c) A diferença de velocidades ( )AB vv rr − é um vetor ortogonal a ( )AB − . 4) Mostre que se dois pontos P e Q de um mesmo corpo rígido têm, em um dado instante, a mesma velocidade, então: i) ( )QP − é paralelo ao vetor de rotação ωr ou ii) O corpo realiza, neste instante, um ato de movimento translatório puro. 2 5) Seja A um ponto de uma figura plana em movimento plano e Arr o seu vetor de posição. Pede-se mostrar que: a) O vetor de posição Cr r do centro instantâneo de rotação C é dado por ( ) 2/ωω AAC vrr rrrr ∧+= , onde ωr é o vetor de rotação da figura. b) A aceleração do centro instantâneo de rotação C será nula se, para um ponto A: ( ) ( )AAA vva rrr&r ∧+= ωωω / 6) O chassi de um tanque de guerra (localizado entre as rodas A e B da figura) translada com velocidade iv r (v > 0, constante). A roda de centro B e raio r é ligada à anterior por uma esteira, não havendo escorregamento entre a esteira e as rodas. Não havendo escorregamento entre a esteira e o solo inclinado por onde anda o tanque, determinar por suas componentes na base ( )kji rrr ,, : a) As velocidades 1vr , 2vr , 3vr dos pontos P1, P2 e P3 indicados. b) Os vetores de rotação Aω r e Bω r das roda de centro A e B, respectivamente. c) A aceleração do ponto P indicado; (P - A) paralelo a ir . d) Trace a distribuição de velocidades do pontos do segmento de reta que vai de 1P a 2P .Obs.: todas as perguntas se referem ao movimento das rodas em relação ao solo. Respostas: a) 01 rr =v ; ivv rr 22 = ; 03 rr =v b) k r Rk R v A BA rrrr ω ωω −=−= e c) iRa AP rr 2ω= R A B P jr i r ωA r P1 P2 P3 3 7) O disco de centro A e raio R rola sem escorregar sobre um plano horizontal com velocidade angular constante ω. A barra CD de comprimento L é articulada em C e D. A luva em D pode deslizar ao longo da guia vertical. Na condição indicada na figura (φ = 45o), pede-se: a) Determinar a velocidade vetorial Cv r do ponto C, e o centro instantâneo de rotação I, da barra CD, indicando graficamente. b) O vetor de rotação Ω r , da barra CD. c) A velocidade Dv r do ponto D. d) A aceleração Ca r do ponto C. Respostas: a) ( )jiRvC rrr +−= ω b) kL R rr ω2 −=Ω c) jRvD rr ω2−= d) iRaC rr 2ω= 8) Os discos da figura formam um corpo rígido, o qual gira sem escorregar sobre o trilho EF. A barra AB tem comprimento 2r e tem sua extremidade B arrastada sobre o trilho EF. Sabendo que o ponto O tem velocidade escalar v, aceleração escalar a, e que o conjunto se desloca na direção de ir , determinar, em função de r, R, v e a: a) O vetor de rotação ωr do disco. b) A aceleração Car do ponto C. c) A velocidade Avr do ponto A. d) A velocidade Bvr do ponto B. e) O vetor de rotação ABωr da barra AB. Resposta: a) k r v rr −=ω b) j r v aC rr 2 = c) j r R vivvA rrr += d) i r R vvB rr += 1 e) k r vR AB rr 2=ω φ = 45o R A C B O D L jr i r ω R A B O jr i r r C E F 4 9) O sistema indicado move-se no plano jiO rr . A barra OA gira em torno de O, de maneira que ϕ = ωt (ω > 0, constante). No ponto A as barras estão ligadas por uma articulação. A extremidade B percorre um trecho do eixo jOr . Pedem-se: a) A posição do CIR da barra AB. b) A velocidade Bvr de B e a velocidade Avr de A. c) O vetor de rotação Ωr da barra AB. d) A velocidade Mvr , do ponto médio M da barra AB. e) Os valores máximo e mínimo de Mvr , indicando para quais valores de ϕ eles ocorrem. Obs. i) Admitir que o sistema possibilita 2 0 piϕ ≤≤ . ii) Os vetores pedidos devem ser expressos na base ),,( kji rrr . iii) Os escalares pedidos devem ser expressos em função da variável ϕ. Resposta: b) jlvB rr ϕω cos2= ; )cossen( jilv A rrr ϕϕω +−= c) k rr ω−=Ω d) )cos3sen( 2 jilvM rrr ϕϕω +−= e) ωlv máxM 2 3 = r ; ωlv mínM 2 1 = r 10) A extremidade A da barra AB move-se com velocidade horizontal v constante, conforme indicado na figura. Pede-se: a) As coordenadas do CIR em relação ao sistema de coordenadas dado. b) A velocidade angular da barra AB. c) O vetor velocidade do ponto B. Respostas: a) )(sin 2 θ hyCIR = b) k h v rr )(sin 2 θ ω −= c) j h vl vi h vlVB rrr +−= )cos()(sin)(sin 23 θθθ ϕ l A B O l jr i r ϕ x y A B l v θ h 5 θ A B C O R E F D jr i r v 11) Na figura está representado o esquema de uma guilhotina. A lâmina móvel L da guilhotina é acionada pelas alavancas AOB e BD. É conhecida a velocidade angular ω da alavanca AOB e as seguintes dimensões: OB = l; O1D = 8l, BD = 6l. Determinar: a) O Centro Instantâneo de Rotação (CIR) da alavanca BD. b) O vetor velocidade Bvr do ponto B. c) O vetor de rotação BDωr da alavanca BD. d) O vetor velocidade Dvr do ponto D. e) O vetor de rotação Lωr da lâmina móvel L. Resp.: b) jlVB rr ω= c) kBD rr 10 ω ω = d) jlilVD rrr ωω 64,048,0 += e) kL rr 10 ω ω = 12) No mecanismo plano da figura, a barra EF é paralela ao eixo x e tem velocidade constante iv r − . A barra AB é articulada em A, não havendo escorregamento entre o disco e as barras EF e AB nos seus pontos de contato D e C. Pede-se determinar em função de v, R e θ: a) O centro instantâneo de rotação I do disco, assim como (I − O). b) Ov r e o vetor de rotação dω r do disco. c) Cv r e o vetor de rotação bω r da barra AB. d) A aceleração Oa r do ponto O. e) Da r , supondo que D pertença à barra EF. Respostas: a) jROI r θcos =− b) ivvO rr θcos1+ −= ; ( ) kR v d rr θ θ ω cos1 cos + −= c) ( ) θ θθθ cos1 cossensen + + −= jiv vC rr r ; ( ) kR v b rr θθ θ ω cos1cos sen 2 + −= d) ( ) iR v aO rr 3 32 cos1cos sen θθ θ + −= ; e) 0rr =Ea i r B D O A O1 L ω j r 6 13) A barra AB é articulada em A e o ponto B escorrega sobre o plano; o disco de centro O e raio R rola sem escorregar sobre o plano, com velocidade angular θω &= constante. Pede-sedeterminar: a) Graficamente o CIR do disco e o da barra. b) A relação entre os ângulos ϕ e θ. c) O vetor de rotação Ωr da barra. d) A velocidade vetorial do ponto B. e) A aceleração vetorial do ponto A. f) Os valores de θ para os quais a barra tem um ato de movimento de translação. Obs.: utilize os versores i r , jr e k r indicados. Resp.: b) ( )θϕ cos1sen += RL c) k L senR rr ϕ θω cos −=Ω d) ( )[ ]iLsenRvB rr ϕθω Ω++= cos1 e) ( )jiRaA rrr θθω cossen2 +−= f) 0=θ ou piθ = 14) Um disco de raio R e centro O rola, sem escorregar, com velocidade angular ω constante, conforme indica a figura. A barra AB tem comprimento L e está presa, em B, numa sapata deslizante e, em A, num pino a uma distância a do centro do disco. Pedem- se, em função de ω, a, L, e R, para a posição mostrada na figura: a) A velocidade Avr do ponto A. b) O CIR da barra AB. c) O vetor de rotação ABωr da barra AB. d) A velocidade Bvr do ponto B. Resp.: a) ( )iaRvA rr += ω c) k aR aR AB rr − + = ωω d) jaRLL aR aR vB rr 22 )( −− − + = ω θ R A B O L jr i r ω ϕ R A B O L jr i r ω a α 7 15) No sistema da figura os dois discos (O, r) e (O, R) são unidos entre si por um eixo em O, mas podem girar independentemente um do outro, sem atrito, em torno do eixo comum. O disco menor (O, r) rola sem escorregar sobre o plano horizontal com velocidade angular ω constante. A barra AC apóia-se no disco (O, R) e não há escorregamento no contato. Pedem-se em função de ω, r, R e ϕ usando os versores ( )kji rrr ,, : a) A posição do CIR do disco (O, R). b) A velocidade angular Ω do disco (O, R). c) A velocidade angular ωb da barra AC. d) A aceleração Bar do ponto B da barra. Respostas: a) jROCIR r ϕcos )( =− b) k R r rr ϕω cos =Ω c) k rR r B rr + −= ϕ ϕω ω cos sin 2 d) [ ] + + +− + + − + = j rR Rri rR rR rR r aB rrr ϕ ϕϕ ϕ ϕ ϕ ϕω cos coscos1 cos cos cos sin)( 32 16) Os discos indicados (de raios R e r) movem-se num plano, rolando sem escorregar sobre a horizontal fixa. Num certo instante o vetor de rotação do disco de centro O1 é ).,0(, jikk rr rrr ∧=>ΩΩ=Ω Nesse instante a barra AB, cujas extremidades são articuladas a dois pontos na periferia dos discos, ocupa a posição indicada, na qual A, B e O2 estão alinhados. Pedem-se nesse instante , em função das constantes. R, r e Ω, expressando os vetores na base :),,( kji rrr a) As velocidades Avr e Bvr dos pontos A e B. b) O vetor de rotação ωr do disco de centro O2 Respostas: a) )33( jiRvB rrr +Ω−= ; )3( jiRv A rrr +Ω−= b) k r R rr Ω= 2ω R A B O r C ω jr i r ϕ R A B O1 r jr i r O2 60o 8 17) Os discos de raios r, centros A e B rolam sem escorregar, externa e internamente à circunferência fixa de centro O e raio R. O movimento se dá no plano do sistema móvel jiO rr indicado. Dado o vetor de rotação do disco de centro A: kAA rr ωω = , (ωA, constante, jik rrr ∧= ), determinar por suas componentes na base ( )kji rrr ,, : a) O vetor de rotação Ωr da barra AB que está articulada aos centros dos discos. b) O vetor de rotação Bωr do disco de centro B. c) A aceleração Mar do ponto médio M do segmento AB. Respostas: a) k rR r A rr ω + −=Ω b) k rR rR AB rr ωω + − −= c) ( ) + − + + −= j rR rRi rR r a AM rrr 2 22ω 18) A haste rígida OA gira com velocidade angular constante ω, movimentando o disco de centro A que rola sem escorregar sobre o disco de centro O, que é fixo. Determine: a) O CIR da barra OA e do disco de centro A. b) A velocidade Avr do ponto A. c) O vetor de rotação Ωr do disco de centro A. d) A velocidade Bvr e a aceleração Bar do ponto B. Respostas: b) τω rr RvA 3= c) krr ω3=Ω d) ( )uRvB rrr −= τω3 ; τωω rrr 22 93 RuRaB −−= O B A ωA x y O A ω u r τ r R 2R B 9 19) No sistema da figura a barra AB move-se com velocidade ivr− de módulo constante. Não ocorre escorregamento no ponto K entre o disco de raio r e a barra OC. Utilizando a base ),,( ku rrr τ , fixa em relação à barra OC, pede-se: a) Determinar graficamente o CIR do disco. b) O vetor de rotação Ωr do disco. c) O vetor de rotação ωr da barra OC. d) O vetor aceleração angular Ω&r do disco. e) Os vetores aceleração Kar dos pontos K do disco e da barra OC. Respostas: a) τϕ rr rurACIR +=− tan)( b) k r v rr ϕω cos− c) k r v r&r ϕ ϕ cos sin 32 =Ω d) +−= − + = τϕ ϕ ϕ ϕτ ϕ ϕϕ rrr rrr 2 32 2 2 2 2 cos cos sin , tan cos 1cos sin, u r v a u r v a DK BK 20) O mecanismo plano de quatro barras é constituído por barras com dimensões: AB = CD = L e AD = BC = 2L. As barras estão articuladas em A, B, C, D conforme a figura. O disco de raio r e centro G rola sem escorregar sobre a barra BC com velocidade angular constanteω . O ângulo entre as barras AB e AD segue a lei horária tΩ=θ ( Ω = constante). O ponto E de contato está situado na metade da barra BC e o ponto F está na periferia do disco e na vertical definida pelos pontos E e G. Pedem- se: a) a velocidade do ponto E ( Evr ); b) a velocidade do ponto F ( Fvr ); c) as coordenadas do centro instantâneo de rotação para o disco quando °=45θ ; d) a aceleração do ponto E pertencente ao disco. Resp: a) )cossen( jiLvE rrr θθ +−Ω= b) jLirLvF rrr θωθ cos)2sen( Ω++Ω−= c) Ω − Ω −+ ωω 1 2 2 ,21 2 2 LL d) jrLiLaE rrr )sen(cos 222 ωθθ −Ω−Ω−= ϕ B C O K r A u r τ r jr i r v θ B C r A jr i r D E F G ω 10 21) Na figura os discos concêntricos são solidários. A barra AB move-se horizontalmente com velocidade constante v. Não há escorregamento em D. Um fio, flexível e inextensível, é enrolado no disco menor e sua extremidade E tem velocidade absoluta igual a 2v como mostrado na figura. Adotando como referencial móvel a barra AB e utilizando os versores ),,( kji rrr , pede-se: a) A velocidade relativa (vD,rel) e absoluta (vD,abs) do ponto D. b) O vetor de rotação absoluta (ωr ) dos discos. c) O CIR dos discos. d) As acelerações relativa, de arrastamento, de Coriolis e absoluta do ponto D do disco. Resposta: a) 0 rrrr =−= D, relD v; ivv b) k r v =-ω rr 4 3 c) ( ) jrDI r 3 4 =− d) j r v aa; a; a D, relDD, corD, arr rrrrrrr 16 2700 2 ==== 22) No guindaste ilustrado na figura, a velocidade de içamento do peso A é v, constante. A cabine e a lança BO do guindaste giram com velocidade angular ω, constante, em torno de um eixo vertical passando por O. Supondo AB sempre vertical e sendo a cabine o referencial móvel e o solo o referencial fixo, pede-se, usando ),,( kji rrr : a) A velocidade absoluta do ponto A, supondo α constante. b) A aceleração absoluta do ponto A, supondo α constante. c) A velocidade absolutado ponto A, supondo Ω=α& constante. Respostas: a) kαbjvvA rrr cosω−= b) iαbaA rr cos2ω−= c) kαbjv)αb(iαbvA rrrr coscossen ω−+Ω+Ω−= A B v D C E 2v jr i r r 3r y ω A B h b x α O v 11 23) A plataforma circular mostrada na figura tem velocidade angular ω constante. A barra AO e o disco de raio a e centro A giram com a plataforma, permanecendo sempre no plano Oyz do sistema de coordenadas (O, x, y, z) de versores ),,( kji rrr solidário à plataforma. O ângulo ϕ0 é constante. Pede-se em função de θθθ &&& , , e demais dados do problema: a) os vetores velocidade relativa, de arrastamento e absoluta do ponto B, pertencente à periferia do disco; b) os vetores aceleração relativa, arrastamento e absoluta do mesmo ponto B. Resp.: a) iθ)ωa-(lv) kθjθa(θv B, arrB, rel rrrr&r sencossencos 0 +=+= ϕ b) kθ)aθθaθ(jθ)aθθaθ(aB, rel r &&& r &&&r sencoscossen 22 +++−= jθ)a(lωaB, arr rr sencos 0 2 +−= ϕ iθaθωaB, cor r &r cos2−= 24) Um caminhão de bombeiros avança com velocidade vC constante. Ao mesmo tempo, sua escada gira em torno de um eixo normal ao plano da figura e que passa por O, com velocidade angular Ψ& . Um homem sobe a escada com velocidade relativa a esta sv &= . São dados s(t) e ψ(t), portanto também conhecidos Ψ, Ψ, vv, &&&& Obter em função dos dados: a) Sendo a escada o referencial móvel, vrel, varr, v, do homem, usando os versores ),,( kji rrr . b) Idem, usando os versores ),,( ku rrr τ . c) Também para o homem, e sendo a escada ainda o referencial móvel, arel, aarr, a, usando os versores ),,( ku rrr τ . Respostas: a) jvivvrel rrr ψψ sencos += ( ) jsisvv Carr r&r&r ψψψψ cossen +−= b) τψ)vsψ(uψ=vv Ccarr r & rr sencos −+ uvvrel rr = c) τv)ψsψ(us)ψ-v=(a r&&&r&&r 22 ++ O s vC i r jr u r τ r vv &, ψψψ &&& ,, A a B O x y z ϕ0 ω θθθ &&&,, l 12 25) O triedro (Oxyz) gira em torno de Oz, fixo, com velocidade angular ω1. O plano AOB gira em torno do eixo Oy com velocidade angular ω2, relativa ao triedro (Oxyz). O ângulo θ entre as barras AO e OB é constante. Na posição mostrada na figura, em que o plano AOB coincide com o plano Ozy, pede-se, utilizando como referencial móvel o triedro (Oxyz): a) As velocidades vetoriais relativa, de arrastamento e absoluta do ponto B. b) As acelerações vetoriais relativa, de arrastamento, complementar (Coriolis) e absoluta de B. Resp.: a) iθ)lωθ(ωvabs rr cossen 12 −= b) kθlωjθ)lωθωω(iθ)lωθω(aabs rrr && r sencossen2cossen 22 2 12112 −−+−= 26) A figura mostra um sistema de captação de energia eólica composto por um rotor horizontal acionado por uma hélice de 3 pás e raio R. A carcaça do rotor AB pode girar em torno do eixo vertical Oz. Uma rajada de vento imprime rotação à hélice dada por )(tϕ& e provoca um movimento de rotação do conjunto em torno de Oz dado por )(tθ& . Em função de θθϕϕϕ &&&&&& , , , , e dos parâmetros geométricos, pede-se, expressando os resultados na base móvel ),,( kji rrr , solidária à carcaça AB: a) o vetor de rotação absoluto da hélice ωr e a velocidade Bv r do ponto B; b) a velocidade vetorial do ponto P da pá nº 1, situado em sua linha central a uma distância r de B; c) a aceleração vetorial do ponto P; d) a aceleração de Coriolis do ponto Q, na extremidade da pá. Respostas: a) kθ+jφω r & r & r = ; iθavB r &r −= b) ( ) ( ) ( ) kφrφjφrθiφrφaθvP r&r&r&&r coscossen −++−= A l B O z y x 11 ,ωω & 22 ,ωω & θ R r P Q a ϕ& θ& x y z O B A ϕ 13 27) O mecanismo da figura consiste de uma barra AO que gira em torno da extremidade O com velocidade angular ω constante. A extremidade A é presa por um pino no cursor (ver figura) que pode deslizar internamente ao garfo DB, articulado em D. Usando como referencial móvel o garfo DB, determine em função de ω, l, a e s para θ = 90º: a) A velocidade absoluta do ponto A. b) A velocidade relativa e de arrastamento do ponto A. c) A velocidade angular Ω do garfo DB. Resp.: b) i s a ωlvA, rel rr −= ; j s l ωvA, arr rr 2 −= c) k s ω.l Ω rr 2 2 −= 28) No mecanismo da figura a barra OC apresenta movimento de rotação em torno de O, com velocidade angular ω constante. O anel A escorrega sobre a barra OC e a barra AB, articulada no anel, tem liberdade de movimento apenas na vertical. Pede-se calcular a velocidade relativa de A com respeito à barra OC. Resp.: iωlvA, rel rr ϕ ϕ 2cos sen = ϕ C O B l A jr i r ω s l θ ω A B O D a i r jr
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