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106-Mecânica Aplicada curso de Pilotagem ENIDH Elementos de Estática Texto de apoio Estatica-Texto-06-07.doc PAG. 24 Problema 9.2 A figura P9.2.a mostra, em esquema, uma barcaça amarrada às margens de um rio pelos cabos A, B e C, considerados ideais. Está também representada a força da corrente. As forças que traccionam os cabos A e B valem 1200 N e 800 N, respectivamente. Nas condições da figura, calcular a intensidade da força da corrente e a força que tracciona o cabo C. Figura P9.2.a Resolução A argola, onde amarram os três cabos na barcaça, é escolhida para desenhar um diagrama de corpo livre figura PP.9.2.b, alínea a). O diagrama de corpo livre para a argola está destacado na alínea b) da figura PP.9.2.b. Das forças nos cabos (caso 8.2) só interessam aquelas que actuam na argola. Estão representadas por 1200 N, 800 N, TC (tracção no cabo C) e a força da corrente Fc alínea c) da figura. Trata-se de quatro forças complanares e linhas de acção concorrentes condição de equilíbrio 7.3. É necessário escrever duas equações de equilíbrio 0Fe0F yx . Da escrita das duas equações resulta o sistema 01200)º30(sen C T)º30(sen800 y F 0 c F)º70cos( C T)º30cos(800 x F . que depois de resolvido origina 851 C T 401 c F . Resposta: a intensidade da força da corrente e a força que tracciona o cabo C valem 401 N e 851 N, respecti- vamente. Problema 9.3 A figura P9.3.a mostra uma barra com um apoio fixo em A e um apoio móvel em B. Atendendo ao carregamento indicado calcular as reacções nos apoios. Resolução O diagrama de corpo livre para a barra está desenhado na figura P9.3.b. A força 150 N foi decomposta na direcção x, 150 N cos(35º) = 123 N, e na direcção y, 150 N sen(35º) = 86 N A reacção no apoio fixo A traduz-se nas duas forças per- pendiculares entre si Ax e Ay (caso 8.7). No apoio móvel B existe uma reacção By, perpendicular à barra (caso 8.8). Figura P-9.2.b x y TC 30º 70º 90º a) b) c) corrente 1200 N 800 N Fc 0,8 m 1,2 m 150 N A B Figura P-9.3.a 35º 123 NAx Ay By A B x y + Figura P-9.3.b 86 N 106-Mecânica Aplicada curso de Pilotagem ENIDH Elementos de Estática Texto de apoio Estatica-Texto-06-07.doc PAG. 25 Observação: Os sentidos das forças Ax, Ay e B são desconhecidos à partida. Os sentidos indicados no diagrama de corpo livre são arbitrados. No final, os sinais dos resultados fixam os sentidos correctos. As forças aplicadas à barra são complanares e com linhas de acção não concorrentes condição de equilíbrio 7.5. É necessário escrever três equações de equilíbrio. 0Me0F,0F yx . Os momentos para a terceira equação podem ser calcu- lados em relação ao ponto A. Da escrita das três equações resulta 02868,0yBAM 086yByAyF 0123xAxF 215yB 129yA 123xA O sinal negativo de Ay significa que a sua representação, no diagrama de corpo livre, deve ter sentido contrário para que haja equilíbrio. Resposta: A reacção Ax vale 123 N. A reacção Ay vale 129 N e tem sentido contrário ao arbitrado no diagrama de corpo livre. Em B a reacção vale 215 N. A barra em equilíbrio está representada na figura P9.3.c. Compondo Ax e Ay pode obter-se a reacção total em A alínea a) da figura P9.3.d . N178N)129(N)3(12A 22 º4,46 N123 N129 arctg Uma alternativa de resolução para este problema particu- lar tem em conta que: Três forças em equilíbrio têm linhas de acção concorrentes. As linhas de acção das forças 150 e B, alínea b) da figura P9.3.d, têm direcções fixas e determinam o ponto P. A linha de acção da força A “é obrigada” a passar por P. Com h = 1,2tg(35º) e h = 0,8tg() resulta = 46,4º. Para calcular A e B considera-se o triângulo de forças da alínea c) da figura P9.3.d . N178A )º6,43(sen N150 )º55(sen A N215B )º6,43(sen N150 )º4,81(sen B Problema 9.4 A figura P9.4.a mostra uma barra encastrada em A. Atendendo ao carregamento indicado calcular as reacções no encastramento. Resolução O diagrama de corpo livre para a barra está desenhado na figura P9.4.b. A força 150 N é decomposta nas direcções x e y. As reacções no encastramento traduzem-se em duas forças perpendiculares entre si Ax e Ay e num momento de encastramento (caso 8.9). 2,1 m 120 N.m A 35º Figura P-9.4.a 150 N 120 N.m Figura P-9.4.b 2: 150sen(35º)=86 N 1: 150cos(35º)=123 N 1 2Me Ay Ax x y + 123 N123 N 129 N 215 N A B Figura P-9.3.c 86 N 150 N A B Figura P-9.3.d 35º123 N 12 9 N 178 N = 46,4º a) b) 35º 1,2 m0,8 m P B A 150 55º 55º 90º-46,4=43,6º 180º-55º-43,6º=81,4º c) h 106-Mecânica Aplicada curso de Pilotagem ENIDH Elementos de Estática Texto de apoio Estatica-Texto-06-07.doc PAG. 26 Observação: Os sentidos de Ax, Ay e Me são desconheci- dos à partida. Os sentidos indicados no diagrama de corpo livre são arbitrados. No final, os sinais dos resultados fixam os sentidos corectos. As forças aplicadas à barra são complanares e com linhas de acção não concorrentes condição de equilíbrio 7.5. É necessário escrever três equações de equilíbrio. 0Me0F,0F yx . Os momentos para a terceira equação podem ser calcu- lados em relação ao ponto A. Da escrita das três equações resulta 01,286120 e MAM 086yAyF 0123xAxF 6,60M 86yA 123xA e . O sinal negativo de Me significa que a representação no diagrama de corpo livre deve ter sentido contrário. Resposta: A reacção Ax vale 123 N, a reacção Ay vale 86 N e o momento de encastramento 60,6 N.m e tem sentido contrário ao arbitrado no diagrama de corpo livre. Problema 9.5 A figura P9.5.a mostra um homem que levanta uma tábua AB, de comprimento 4 m e peso 100 N, puxando uma corda. Nas condições da figura calcular a força de tracção T na corda e a reacção em A. Figura P9.5.a Resolução O diagrama de corpo livre vai ser desenhado relativa- mente à tábua figura P9.5.b. O peso é colocado a meio da tábua. A força que a corda exerce na tábua está representada por T (caso 8.2). Em A colocam-se duas forças resultantes do contacto com a superfície horizontal e vertical (caso 8.3). Observação: Os sentidos das forças Ax e Ay são desco- nhecidos à partida. Os sentidos indicados no diagrama de corpo livre são arbitrados. No final, os sinais dos resultados fixam os sentidos correctos.A força T é decomposta nas direcções x e y com o ângulo 15º figura P9.5.c. Nesta figura também se representam distâncias necessárias. As forças aplicadas à tábua são complanares e com linhas de acção não concorrentes condição de equilíbrio 7.5. É necessário escrever três equações de equilíbrio. 0Me0F,0F yx . Os momentos para a terceira equação podem ser calcu- lados em relação ao ponto A. Da escrita das três equações resulta 0)º45cos(4)º15cos(T )º45cos(4)º15(Tsen)º45cos(2100AM 0)º15(Tsen100yAyF 0)º15cos(TxAxF 7,70T 3,118yA 3,68xA Ax Ay 100 N A Figura P-9.5.b T 30º 15º Ax Ay 100 N A B x y + Figura P-9.5.c Tcos(15º) Tsen(15º) 4cos(45º) 2cos(45º) 4s en (4 5º ) 106-Mecânica Aplicada curso de Pilotagem ENIDH Elementos de Estática Texto de apoio Estatica-Texto-06-07.doc PAG. 27 Resposta: A reacções Ax e Ay valem 68,3 N e 118,3 N, respectivamente, e têm sentidos correctos no diagrama de corpo livre. A força de tracção na corda vale 70,7 N. Compondo Ax e Ay pode obter-se a reacção total em A alínea a) da figura P9.5.d . N134,4N)3,118(N)8,36(A 22 º9,61 N3,68 N3,118 arctg As forças aplicadas à tábua estão representadas na alínea b) da figura P9.5.d . Problema 9.6 O sistema da figura P9.6.a suporta a carga de 600 N. É constituído pelas roldanas A, B e C, pelos cabos ideais 1 e 2 e pela barra 3. Calcular a força P, para equilíbrio, e as forças que traccionam os cabos 1 e 2 e a barra 3. Figura P9.6.a Resolução A força P tracciona a extremidade do cabo ideal 1. Em qualquer ponto do cabo, haja ou não roldanas, este é traccionado pela mesma força P. Podem ser considerados os três cortes 1, 2 e 3 figura P9.6.b. Substituindo os cortes por forças obtêm-se os diagramas de corpo livre I, II e III figura P9.6.c. Em cada diagrama as forças são complanares e estritamente paralelas condição de equilíbrio 7.6. No geral é necessário escrever duas equações de equilíbrio 0Me0Fy . Neste caso particular a segunda equação é indetermi- nada. Resta a primeira equação. Diagrama I: 0P3 TP 2 TyF Diagrama II: 0PP3 TyF Diagrama III: 0600PPPyF Com as equações anteriores calcula-se P = 200, T3 = 400 e T2 = 800. Resposta: a força P vale 200 N assim como a tracção no cabo 1. A barra 3 é traccionada com 400 N e cabo 2 com 800 N. 63,3 N 11 8, 3 N 100 N A Figura P-9.5.d T 30º 15º 134,4 N 61,9º 134,4 N 16,9º 45º a) b) T3 P 600 N Figura P-9.6.c T2 P P P P P P P P T3 I II III y x C B A 2 3 P 600 N 1 11 Figura P-9.6.b corte 1 corte 2 corte 3 106-Mecânica Aplicada curso de Pilotagem ENIDH Elementos de Estática Texto de apoio Estatica-Texto-06-07.doc PAG. 28 Problema 9.7 O motor representado na figura P9.7.a é sustentado pelo sistema de três correntes AB, AC e AD. As corrente AB e AC estão dimensionadas para uma força de tracção máxima de 2500 N e 3000 N, respecti- vamente Calcular o peso máximo do motor que pode ser suportado pelo sistema. Figura P9.7.a Resolução O corpo livre a considerar é a argola A, tal como no problema 9.1. A figura P9.7.b mostra o diagrama de corpo livre respectivo, representando P o peso do motor. As duas equações de equilíbrio são 0P)º30(sen 2 T y F 0)º30cos( 2 T 1 T x F . que originam )º30(sen )º30cos(P 1 T e )º30(sen P 2 T . Uma vez que T1 e T2 têm valores máximos impõem-se as condições 2500 )º30(sen )º30cos(P 3000 )º30(sen P resultando P 1443 P 1500 . O máximo valor de P que satisfaz em simultâneo as duas condições anteriores é P = 1443. Resposta: o peso máximo do motor que pode ser suportado pelo sistema é 1443 N. Problema 9.8 A figura P9.8.a mostra uma barra AB com apoio fixo em A e encostada à barra ED. Esta tem um apoio móvel em C e um fixo em D. Uma força de 30 kN actua em B. Calcular as reacções nos apoios A, C e D. Resolução: Os casos 8.7 e 8.8 mostram as reacções a prever no caso de apoio fixo e móvel, respectivamente. A figura P9.8.b mostra o diagrama de corpo livre para o conjunto das duas barras considerado um todo. O conjunto liga-se ao exterior em A, C e D. Estas liga- ções são substituídas pelas respectivas reacções. Os sentidos das forças Ax e Ay, Cy, Dx e Dy são desco- nhecidos e por isso são arbitrados. No final, os sinais dos resultados fixam os sentidos correctos. As forças são complanares e têm linhas de acção não concorrentes condição de equilíbrio 7.5. As equações de equilíbrio são três 0Me0F,0F yx . Figura P-9.7.b x y T1 30º T2 P A 30º A B C DE 30 kN Figura P-9.8.b Dx DyCy Ax Ay 3aa30ºA B C DE b b 30 kN Figura P-9.8.a 90º 106-Mecânica Aplicada curso de Pilotagem ENIDH Elementos de Estática Texto de apoio Estatica-Texto-06-07.doc PAG. 29 Representando, genericamente, por ne o número de equações de equilíbrio disponíveis num problema e por ni o número de incógnitas a calcular, pode fazer-se a seguinte classificação cohipoestátiproblemainen oisoestáticproblemainen aparente real icohiperestátproblemainen Um problema é hiperestático real se não puder ser resol- vido dentro da estática. Estão fora do âmbito da presente matéria. Um problema é hiperestático aparente se, com algum artifício, puder ser resolvido dentro da estática. Todos os problemas de equilíbrio resolvidos anteriormen- te são isoestáticos. O presente problema é hiperestático porque existem três equações de equilíbrio e cinco incógnitas, Ax, Ay, Cy, Dx e Dy. É aparente porque pode ser resolvido, por exemplo, considerando dois diagramas de corpo livre, um para cada barra figura P9.8.c. Relativamente ao diagrama da figura P9.8.a alterou-se a orientação de Ax e Ay por conveniência de eixos. Ao romper a ligação em E surgem duas forças (princípio da acção-reacção) uma actuando na barra AB e outra na barra ED (caso 8.3). Equações de equilíbrio para o diagrama I: 0b230bEAM 030EyAyF 0xAxF Equações de equilíbrio para o diagrama II: 0a4yDayCM 0yDyC)º60(EsenyF 0xD)º60cos(ExF E Resolvendo este sistema de seis equações e seis incógnitas resulta Ax = 0; Ay = 30,0; Cy = +69,3; Dx = 30,0; Dy = 17,3; E = +60,0 Resposta: No apoio A a reacção Ax é nula e a reacção Ay vale 30,0 kN com sentido contrário ao arbitrado no dia- grama I. Em C a reacção vale 69,3 kN e o sentido no diagrama II está correcto. Em D as reacções Dx e Dy valem, respectivamente, 30,0 kN e 17,3 kN e têm sentidos contrários aos arbitrados. As barras em equilíbrio estão representadas na figura P9.8.d. 30ºA B C D E 30 kN Figura P-9.8.c Dx DyCy Ax Ay E x y x y + + I II 60º 30 kN B C D E 30 kN Figura P-9.8.d 30,0 kN 17,3 kN 69,3 kN 106-Mecânica Aplicada curso de Pilotagem ENIDH Elementos de Estática Texto de apoio Estatica-Texto-06-07.doc PAG. 30 Problema 9.9 A figura P9.9.a mostra um peso P sustentado pelos cabos ideais 1, 2 e 3 e concorrendo na argola A. O ângulo entre 1 e 2 tem amplitude . Os cabos 1 e 2 têm comprimentos iguais. Representando por T a força de tracção nos cabos 1 e 2, calcular T em função de e representar graficamente a respectiva função. Tirar conclusões. Resolução: Dada a simetria do problema os cabos 1 e 2 estão sujeitos à mesma força de tracção T. O diagrama de corpo livre, referente à argola A, está desenhado na figura P9.9.b. A equação de equilíbrio 0)2/cos(T)2/cos(TPyF permite calcular a função pedida, ou seja, T em função de . )2/cos(2 P T . A figura P9.9.c mostra o gráfico da função. A análise do gráfico permite tirar algumas conclusões. Com = 0º vem T = P/2. Esta situação limite correspon- de à posição vertical dos cabos 1 e 2, em que o peso P se divide pelos dois cabos. Com = 120º vem T = P. Para esta posição a força induzida nos cabos 1 e 2 é igual a P, ou seja, o peso que se quer levantar. A curva tende assimptoticamente para a recta vertical em = 180º. Quanto mais próximo estiver de 180º tanto maior é a força induzida nos cabos 1 e 2. Por exemplo, se = 168,5º a tracção T é cerca de cinco vezes o peso P. A situação = 180º é fisicamente impossível porque corresponde a uma tracção T infinita. 1 2 Peso = P Figura P-9.9.a 3 A /2 /2T P T y Figura P-9.9.b A P P/2 120º0º 180º T = --------------P 2cos( / 2) Figura P-9.9.c 106-Mecânica Aplicada curso de Pilotagem ENIDH Elementos de Estática Texto de apoio Estatica-Texto-06-07.doc PAG. 31 10 Forças distribuídas A alínea a) da figura 10.1 mostra esquematicamente uma força distribuída em linha. É caracterizada por uma função dependente da abcissa x, habituamente repre- sentada por q(x) e designada por função intensidade de carga. Para cada x a função q(x) determina o valor da intensidade de carga. Dimensionalmente uma força distribuída em linha ca- racteriza-se por uma força a dividir por um comprimento, ou seja 1FL L F q . No equilíbrio de corpos rígidos uma força distribuída é substituída por uma força concentrada devidamente situada. Pretende-se que os sistemas a) e b) da figura 10.1 sejam estaticamente equivalentes. Para isso é necessário calcular a força Q concentrada e a distância b. 10.1 Caso geral x q(x) q(x) a L La a dx)x(qQ (10.1) Q dx)x(qx b La a x y Qb 10.2 Caso particular distribuição rectângular A distribuição é uniforme, ou seja, com intensidade cons- tante. A carga concentrada Q, equivalente, obtém-se com a "área" do rectângulo e tem linha de acção a passar no meio da base L. x | q(x) | = q L y a LqQ (10.2) 2 L ab x y Qb a L/2 L/2 10.3 Caso particular distribuição triangular A intensidade da carga distribuída varia linearmente desde zero até uma intensidade designada por qmax . A carga concentrada Q, equivalente, obtém-se com a "área" do triângulo e tem linha de acção a passar a um terço da base L em relação a qmax . x qmax L y a 2 max qL Q (10.3) 3 L2 ab x y Qb a 2L/3 L/3 x q(x) q(x) a L x y Q b Figura 10.1 a) b) 106-Mecânica Aplicada curso de Pilotagem ENIDH Elementos de Estática Texto de apoio Estatica-Texto-06-07.doc PAG. 32 10.4 Caso particular distribuição trapezoidal A intensidade da carga distribuída varia linearmente desde q1 até q2. Este caso pode ser decomposto na soma dos dois casos anteriores. x q2 L y a q1 1 qL rect Q 2 L ab (10.4) 2 1 q 2 qL trian Q 3 L2 a'b x L y a q1 + x L y a q2 - q1 x y Qtrian b' a 2L/3 L/3 a L/2 Qrect b Exemplo 10.1 A figura E10.1.a mostra uma barra AB, com apoio fixo em A e móvel em B. Está sujeita, em todo o seu comprimento, a uma força distribuída cuja intensidade, em módulo, varia de acordo com a função q(x) = 300x 2 (x em m e q em N/m). Calcular as reacções nos apoios. Resolução: O diagrama de corpo livre para a barra, figura E10.1.b, mostra as reacções previstas para os dois tipos de apoios e a força concentrada equivalente à força distribuída. A intensidade da força Q e o comprimento b são calculados com as fórmulas (10.1) do caso geral 10.1. 8003032100203x 3 300 dx 2 x300Q 2 0 N m5,1 800 404275 800 2 0x 4 300 800 dx 3 x300 800 dx 2 x300x b 42 0 2 0 As forças aplicadas à barra são complanares e com linhas de acção não concorrentes condição de equilíbrio 7.5. Da escrita das três equações resulta x y Figura E-10.1.a | q(x) | = 300x2 2 m A B x y Q Figura E-10.1.b 2 m b Ax Ay By 106-Mecânica Aplicada curso de Pilotagem ENIDH Elementos de Estática Texto de apoio Estatica-Texto-06-07.docPAG. 33 05,18002yBAM 0800yByAyF 0xAxF 600yB 200yA 0xA Resposta: A reacção Ax vale 0 N. A reacção Ay vale 200 N. Em B a reacção vale 600 N. Os sentidos indicados no diagrama de corpo livre estão correctos. Exemplo 10.2 A figura E10.2.a mostra uma barra AB com um apoio móvel em D e um fixo em B. Na barra actua uma força distribuída com a configuração mostrada. Calcular as reacções nos apoios. Resolução: A carga distribuída é transformada numa carga concen- trada equivalente. Podem ser consideradas duas áreas, figura E10.2.b, que originam kN6m/kN3m21Q kN3 2 m/kN3m2 2Q kN9kN3kN6Q . A força 9 kN tem linha de acção a meio da distribuição. O diagrama de corpo livre para a barra, figura E10.2.c, mostra as reacções previstas para os dois tipos de apoios e a força concentrada equivalente à força distribuída. As forças aplicadas à barra são complanares e com linhas de acção não concorrentes condição de equilíbrio 7.5. Da escrita das três equações resulta 0195,1yDM 09yByDyF 0xBxF B kN6yD kN3yB 0xB Resposta: A reacção Bx vale 0 kN. A reacção By vale 3 kN. Em D a reacção vale 6 kN. Os sentidos indicados no diagrama de corpo livre estão correctos. Exemplo 10.3 A figura E10.3.a mostra uma barra encastrada em A com o seguinte carregamento: uma força concentrada em B, um momento em C, uma força distribuída rectangular entre D e E e um momento em E. Calcular as reacções no encastramento. O diagrama de corpo livre para a barra está desenhado na figura E10.3.b. A força concentrada 4 kN é decom- posta nas componentes x e y. A força distribuída rectân- gular é substituída por uma concentrada 3 m 3 kN/m = 9 kN com linha de acção a meio da base. No encastra- mento as reacções habituais. Figura E-10.2.a 1 m0,5 m0,5 m A BD q q q = 3 kN/m Figura E-10.2.b 1 m1 m Q1 Q2 Bx ByDy A B x y + Figura E-10.2.c 9 kN 1,5 m 1 m D 3 kN.m A 45º Figura E-10.3.a 4 kN 3 m 3 m 4 m 3 kN/m 2 kN.m BC D E 3 kN.m Figura P-10.3.b 4cos(45º) Me Ax x y + Ay 4sen(45º) 9 kN 2 kN.m 8,5 m 4 m 106-Mecânica Aplicada curso de Pilotagem ENIDH Elementos de Estática Texto de apoio Estatica-Texto-06-07.doc PAG. 34 As forças aplicadas à barra são complanares e com linhas de acção não concorrentes condição de equilíbrio 7.5. Da escrita das três equações resulta 0eM4)º45(sen435,892M 0yA)º45(sen49yF 0xA)º45cos(4xF A m.kN8,86M kN8,11yA kN8,9xA e Resposta: A reacção Ax vale 9,8 kN, a reacção Ay vale 11,8 kN e o momento de encastramento 86,8 kN.m. Os sentidos indicados no diagrama de corpo livre estão correctos.
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