Baixe o app para aproveitar ainda mais
Prévia do material em texto
106-Mecânica Aplicada curso de Pilotagem ENIDH Elementos de Estática Texto de apoio Estatica-Texto-06-07.doc PAG. 35 Exemplo 10.4 A figura E10.4.a mostra uma barra AC, com apoio fixo em A e móvel em B. Está sujeita, em todo o seu comprimento, a uma força distribuída com a configuração mostrada. Calcular as reacções nos apoios. Resolução: A carga distribuída é transformada em forças concentra- das equivalentes. Podem ser consideradas três áreas, figura E10.4.b. A área 1 origina kN15m/kN5m31Q , com linha de acção passando a meio da base fórmulas (10.2). A área 2 origina kN9 2 m/kN6m3 2Q , com linha de acção passando a um terço da base, a partir do cateto vertical fórmulas (10.3). A área 3 origina kN25,8 2 m/kN11m5,1 3Q , com linha de acção passando a um terço da base, a partir do cateto vertical. O diagrama de corpo livre para a barra, figura E10.4.c, mostra as reacções previstas para os dois tipos de apoios e a forças concentradas equivalentes. 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 05,325,8295,1153yBAM 025,8915yByAyF 0xAxF 125,23yB 125,9yA 0xA Resposta: A reacção Ax vale 0 N. A reacção Ay vale 9,125 kN. Em B a reacção vale 23,125 kN. Os sentidos indicados no diagrama de corpo livre estão correctos. Exemplo 10.5 A figura E10.5.a mostra uma barra AE, com um apoio fixo em A. Um cabo ideal liga os pontos B e E, passando por uma roldana lisa R. Entre C e D existe uma força distribuída com configuração trapezoidal. Calcular as reacções nos apoios. Resolução: A carga distribuída é transformada em forças concentra- das equivalentes. Podem ser consideradas duas áreas, alínea a) da figura E10.5.b. A área 1 origina N1368m/N570m4,21Q , com linha de acção passando a meio da base fórmulas (10.2). A área 2 origina N396 2 m/N330m4,2 2Q , com linha de acção passando a um terço da base, a partir do cateto vertical fórmulas (10.3). 1,5 m3 m A B C 11 kN/m 5 kN/m Figura E-10.4.b 1,5 m3 m 11 kN/m 5 kN/m 1 2 3 6 kN/m A B C Q1 = 15 kN Figura E-10.4.c By Ax Ay Q2 = 9 kN Q3 = 8,25 kN 1,5 m 2 m 3 m 3,5 m Figura E-10.5.a A B C 900 N/m 570 N/m D E R 30º90º 0,5 0,5 2,4 m 1 m 106-Mecânica Aplicada curso de Pilotagem ENIDH Elementos de Estática Texto de apoio Estatica-Texto-06-07.doc PAG. 36 O cabo exerce uma força, de intensidade T, nos pontos B e E da barra, alínea b) da figura E10.5.b. Com o cabo ideal e a roldana sem atrito a força de tracção num extremo é igual no outro extremo. O diagrama de corpo livre para a barra está desenhado na figura E10.5.c. A força T, em E, está decomposta nas componentes x e y. No apoio fixo as reacções habituais. 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 04,4)º30(Tsen 6,23962,213685,0TAM 0)º30(Tsen3961368TyAyF 0)º30cos(TxAxF 1496T 480yA 1296xA Resposta: A reacção Ax vale 1296 N com o sentido indicado no diagrama de corpo livre. A reacção Ay vale 480 N e tem sentido contrário ao do diagrama. A tracção no cabo é 1496 N. Figura E-10.5.b A B 570 N/m E R 30º 1 2 2,4 m 330 N/m T T a) b) A T Figura E-10.5.c Tcos(30º) Ax Ay Q1 = 1368 N Q2 = 396 N 0,5 (1 + 1,2) m (1 + 1,6) m 4,4 m Tsen(30º) 106-Mecânica Aplicada curso de Pilotagem ENIDH Elementos de Estática Texto de apoio Estatica-Texto-06-07.doc PAG. 37 11 Problemas tridimensionais Problema 11.1 A figura P11.1.a mostra, esquematicamente, um pau de carga AD articulado na parede em A e sujeito a dois cabos ideais 1 e 2. No instante mostrado na figura actuam em D as forças 2,00 kN paralela a x e 5,00 kN paralela a z. Com estas condições calcular as reacções em A e a força que tracciona cada um dos cabos. Resolução: Vai ser construído um diagrama de corpo livre referente ao pau de carga. As forças que os cabos exercem no pau de carga estão representadas por T1 e T2 na figura P11.1.b. T1 e T2 são forças inclinadas relativamente aos eixos, pelo que se torna necessário efectuar a decomposição em x, y e z. Para T1 pode ser usado o cálculo vectorial com BE versor1T 1 T versor1T1T )7,6,6()0,6,0()7,0,6(BEBE 11272)6(26BE 11 7 , 11 6 , 11 6 BE versor 1 T 11 7 , 1 T 11 6 , 1 T 11 6 1 T Repetindo para T2 vem CF versor2T 2 T versor2T2 T )0,8,6()0,8,0()0,0,6(CFCF 10202)8(2)6(CF 10 0 , 10 8 , 10 6 CF versor 0, 2 T 10 8 , 2 T 10 6 2 T É posivel agora desenhar o diagrama de corpo livre figura P11.1.c. No ponto B colocam-se as três componentes de T1. No ponto C colocam-se as duas componentes de T2. Na articulação A prevêm-se três reacções designadas por Ax, Ay e Az e com sentidos arbitrados (caso 8.6, articulação esférica). Em D as duas forças aplicadas. São seis as equações de equilíbrio para um caso geral condição de equilíbrio 7.1. As três equações relativas a forças escrevem-se, 000,2 2 T 10 6 1 T 11 6 xAxF (1) 0 2 T 10 8 1 T 11 6 yAyF (2) 000,5 1 T 11 7 zAzF (3) Para a equação de momentos em torno do eixo x contri- buem as forças mostradas na figura P11.1.d. x y z 6 m 6 m 7 m 6 m 2 m 2 m A B C D E F 1 2 2,00 kN 5,00 kN Figura P-11.1.a x y z A B C D E F T1 T2 Figura P-11.1.b x y z A B C D 2,00 kN 5,00 kN Ax Ay Az (7/11)T1 (6/11)T1 (6/11)T1 (8/10)T2 (6/10)T2 Figura P-11.1.c 106-Mecânica Aplicada curso de Pilotagem ENIDH Elementos de Estática Texto de apoio Estatica-Texto-06-07.docPAG. 38 01000,56 1 T 11 7 xM (4) Todas as forças são ou paralelas ou concorrentes ao eixo y pelo que nenhuma delas produz momento efectivo em torno deste eixo. Para a equação de momentos em torno do eixo z contri- buem as forças mostradas na figura P11.1.e. 01000,28 2 T 10 6 6 1 T 11 6 zM (5) Da resolução do sistema composto pelas equações (1), …, (5) resultam as soluções Ax = 1,29; Ay = 17,62; Az =3,33; T1 = 13,10 e T2 = 13,10. Resposta: As reacções em A valem Ax = 1,29 kN, Ay = 17,62 kN e Az = 3,33 kN. Os sentidos de Ax e Az são contrários aos arbitrados no diagrama de corpo livre. As tracções nos cabos 1 e 2 valem ambas 13,10 kN. Problema 11.2 Um guindaste marítimo está montado numa barcaça de 50 m x 25 m e suporta uma carga de 400 kN na posição mostrada na figura P11.2.a. No ponto E da coberta existe uma carga de 500 kN. Calcular a intensidade e o ponto de aplicação da menor carga Q, a colocar na coberta, para que a resultante das forças de impulsão passe no centro da barcaça. Figura P11.2.a O diagrama de corpo livre para a barcaça está dese- nhado na figura P11.2.b. A força 500 kN está colocada na posição indicada no enunciado. A força 400 kN é suposta solidária com a barcaça. A força E, colocada no centro da barcaça, representa a impulsão. A carga Q é colocada num ponto genérico (x, y). São três as equações de equilíbrio para um caso de forças paralelas e não complanares condição de equilíbrio 7.7. Uma equação soma as forças paralelas, 0400500EQzF . (1) x y z A B D 5,00 kN (7/11)T1 + Figura P-11.1.d x y z B C D 2,00 kN (6/11)T1 (6/10)T2 + A Figura P-11.1.e x y z 400 kN Figura P-11.2.b 12 ,5 m 25 m 17 ,5 m 35 m xy 50 m 25 m 17 ,5 m 500 kN E Q 106-Mecânica Aplicada curso de Pilotagem ENIDH Elementos de Estática Texto de apoio Estatica-Texto-06-07.doc PAG. 39 Outra equação soma momentos em torno do eixo x e contribuem as forças mostradas na figura P11.2.c. 0504003550025EyQxM (2) A terceira equação soma momentos em torno do eixo y e contribuem as forças mostradas na figura P11.2.d. 05,17400 xQ5,12E5,17500yM (3) As três equações anteriores contêm quatro incógnitas: E, Q, x e y. De acordo com o enunciado é necessário calcular a menor carga Q e ao mesmo tempo saber onde colocá-la, ou seja, calcular também x e y. A equação (1) pode ser resolvida em ordem a E. Substituindo depois o valor de E nas equações (2) e (3) pode obter-se 25x2 19000 Q e y = 1,579x + 44,737 . Pretende-se calcular x e y para que a carga 25x2 19000 Q seja mínima com y = 1,579x + 44,737 e 0 x 25 e 0 y 50 e x 12,5. A fracção 25x2 19000 Q é mínima quando o denominador 2x 25 é máximo, ou seja, quando x assume o valor 25, o máximo possivel. Então 760 25252 19000 Q , x = 25 e y = 1,57925 + + 44,737 = 5,3 . Resposta: A intensidade da menor carga Q é 760 kN colocada em x = 25 m e y = 5,3 m, no referencial da figura P11.2.e. Problema 11.3 A figura P11.3.a mostra, esquematicamente, um pau de carga formado pelas barras AB e AC e operado com os cabos BD, BE e BC. Está apoiado numa articulação esférica em A. No instante mostrado na figura suporta uma carga vertical de 20,0 kN. Com estas condições calcular as reacções em A e a força que tracciona cada um dos cabos BD e BE. Resolução: O diagrama de corpo livre vai ser construído para o triângulo ABC figura P11.3.b. As forças que os cabos BD e BE exercem no triângulo estão representadas por T1 e T2, respectivamente. O triângulo também se liga ao exterior pela articulação A, na qual se prevêm três reacções designadas por Ax, Ay e Az e com sentidos arbitrados (caso 8.6, articulação esférica). Em C coloca- se a força 20,0 kN. x y z A 400 kNE + Figura P-11.2.c 500 kNQ y 25 m 35 m 50 m x y z A 400 kN E + Figura P-11.2.d 500 kN Q 17,5 m12,5 m x 17,5 m x y 400 kN Figura P-11.2.e 12 ,5 m 25 m 17 ,5 m 35 m x = 25 m y = 5,3 m 50 m 25 m 17 ,5 m 500 kN E Q x y z 20,0 kN A B C D E 6 m 6 m 6 m 3 m 3 m 4 m Figura P-11.3.a 20º H 106-Mecânica Aplicada curso de Pilotagem ENIDH Elementos de Estática Texto de apoio Estatica-Texto-06-07.doc PAG. 40 T1 e T2 são forças inclinadas relativamente aos eixos, pelo que se torna necessário efectuar a decomposição em x, y e z. Para T1 pode ser usado o cálculo vectorial com BD versor1T 1 T versor1T1T )6,4,3()6,0,0()0,4,3(BDBD 612)6(2)4(23BD )768,0;512,0;384,0( 61 6 , 61 4 , 61 3 BD versor )1T768,0,1T512,0,1T384,0(1 T Repetindo para T2 vem BE versor2T 2 T versor2T2 T )6,4,3()6,0,0()0,4,3(BEBE 612)6(2)4(2)3(BE )768,0;512,0;384,0( 61 6 , 61 4 , 61 3 BE versor )2T768,0,1T512,0,2T384,0(2 T O diagrama de corpo livre com as componentes de T1 e T2 está desenhado na figura P11.3.c. Sendo o triângulo BAC equilátero, o ângulo BAC mede 60º e consequentemente o ângulo CAH mede 30º. O segmento AH mede 6 m cos(30º) = 5,196 m. Os segmentos JH e HL medem 5,196 m cos(20º) = 4,88 m e 5,196 m sen(20º) = 1,78 m, respectivamente. São seis as equações de equilíbrio para um caso geral condição de equilíbrio 7.1. As três equações relativas a forças escrevem-se, 0 2 T384,0 1 T384,0xAxF (1) 0) 2 T 1 T(512,0yAyF (2) 00,20) 2 T 1 T(768,0zAzF (3) Para a equação de momentos em torno do eixo x contri- buem as forças mostradas na figura P11.1.d. 088,40,206) 2 T 1 T(512,0xM (4) Para a equação de momentos em torno do eixo y contri- buem as forças mostradas na figura P11.1.e. 078,10,206 2 T384,06 1 T384,0yM (5) Todas as forças são ou paralelas ou concorrentes ao eixo z pelo que nenhuma delas produz momento efectivo em torno deste eixo. x y z 20,0 kN A B C D E Figura P-11.3.b H T1 T2 Ay Az Ax x y z 20,0 kN A B C Figura P-11.3.c H 0,384T1 0,384T2 Ay Az Ax 0,769(T1 + T2) 0,512(T1 + T2) 4,88 m 1 ,7 8 mJ L 20º 30º 60º x z B 20,0 kN 0,384T1 Figura P-11.3.e 6 m H 1,78 m y A + 0,384T2x y z A B 20,0 kN 0,512(T1 + T2) + Figura P-11.3.d 6 m H 4,88 m 106-Mecânica Aplicada curso de Pilotagem ENIDH Elementos de Estática Texto de apoio Estatica-Texto-06-07.doc PAG. 41 Da resolução do sistema composto pelas equações (1), …, (5) resultam as soluções Ax = 5,9; Ay = 16,3; Az = 44,4; T1 = 8,2 e T2 = 23,6. Resposta: As reacções em A valem Ax = 5,9 kN, Ay = 16,3 kN e Az = 44,4 kN. Os sentidos arbitrados no diagrama de corpo livre estão correctos. As tracções nos cabos BD e BE valem 8,2 kN e 23,6 kN, respectiva- mente. Problema 11.4 Os cabos AB, AC e AD sustentam a antena da figura P11.4.a. Sabe-se que a tracção no cabo AC vale 35 kN. Calcular as forças de tracção nos cabos AB e AD para que a resultante na antena seja vertical. Figura P11.4.a Resolução: Pode ser construído um diagrama de corpo livre para o ponto Afigura P11.4.b. As forças que os cabos exercem em A estão representadas por T1, T2 e T3 sendo T2 = 35 kN. A força E, vertical, chama-se equilibrante e tem direcção e intensidade igual à resultante e sentido contrário. T1, T2 e T3 são forças inclinadas relativamente aos eixos, pelo que se torna necessário efectuar a decomposição em x, y e z. Para T1 pode ser usado o cálculo vectorial com AB versor1T 1 T versor1T1T )24,8,6()24,0,0()0,8,6(ABAB 262)24(2826AB 13 12 , 13 4 , 13 3 26 24 , 26 8 , 26 6 AB versor 1 T 13 12 , 1 T 13 4 , 1 T 13 3 1 T Repetindo para T2 vem AC versor2T 2 T versor2T2 T )24,8,12()24,0,0()0,8,12(ACAC 282)24(282)12(AC 7 6 , 7 2 , 7 3 28 24 , 28 8 , 28 12 AC versor 30,10,1535 7 6 ,35 7 2 ,35 7 3 2 T 7 6 , 2 T 7 2 , 2 T 7 3 2 T Repetindo para T3 vem AD versor3T 3 T versor3T3T )24,81,0()24,0,0()0,81,0(ADAD 302)24(2)18(20AD 5 4 , 5 3 ,0 30 24 , 30 18 , 30 0 AD versor 33 T 5 4 ,T 5 3 ,0 3 T O vector E tem componentes (0, 0, 24). O diagrama de corpo livre apresenta orças não compla- nares e linhas de acção concorrentes num mesmo pontocondição de equilíbrio 7.4. T3 T2 = 35 kN T1 E A D B C x y z Figura P-11.4.b 106-Mecânica Aplicada curso de Pilotagem ENIDH Elementos de Estática Texto de apoio Estatica-Texto-06-07.doc PAG. 42 São três as equações de equilíbrio para este caso, 0E24 3 T 5 4 30 1 T 13 12 z F 0E0 3 T 5 3 10 1 T 13 4 y F 0E0 3 T015 1 T 13 3 x F . Resolvendo o sistema vem T1 = 65, T3 = 50 e E = 5,4. Resposta: Para que a resultante na antena seja vertical as forças de tracção nos cabos AB e AD devem ser 65 kN e 50 kN, respectivamente. 12 Atrito seco de escorregamento As forças de atrito seco de escorregmento podem surgir quando dois corpos contactam através de uma superfície não lubrificada. A figura 12.1 mostra um corpo A sujeito a uma força horizontal e assente num plano horizontal P. Na figura 12.2 está dedenhado o diagrama de corpo livre para o corpo A. A força P representa o peso do corpo. A acção do plano P sobre o corpo A é feita com a força N (P/A), perpendicular ao plano, e pela força de atrito Fatrito (P/A) , tangencial ao plano. As forças N (A/P) e Fatrito (A/P) representam a acção do corpo A sobre o plano P. Os pares N (P/A), N (A/P) e Fatrito (P/A) , Fatrito (A/P) , satisfazem o princípio da acção-reacção. Compondo a força de atrito e a força N obtém-se a reacção "total" do plano sobre o corpo figura 12.3. FA P Figura 12.1 F Fatrito (P/A) N (P/A) P N (A/P) Fatrito (A/P) A P Figura 12.2 F Fatrito N P A Figura 12.3 R j 106-Mecânica Aplicada curso de Pilotagem ENIDH Elementos de Estática Texto de apoio Estatica-Texto-06-07.doc PAG. 43 A força de atrito segue as seguintes leis: a) Tem sentido contrário ao sentido da tendência do movimento do corpo no qual actua. b) Varia desde zero até um valor máximo. c) No caso da figura 12.3 varia, em função da força aplicada F, de acordo com o gráfico d) Se o corpo está em repouso e a força aplicada F for menor que a força máxima de atrito então a força de atrito é igual a F. e) Se o corpo está em repouso e a força F igualar a força máxima de atrito estático estão reunidas as "condições de movimento iminente". f) Se a força aplicada F for maior que a força máxima de atrito então o corpo encontra-se em movimento e a força de atrito é igual à força máxima de atrito dinâmico. g) A força máxima de atrito estático calcula-se com a espressão Fmax. atr. est. = N fe (12.1) sendo N a reacção perpendicular ao plano, figura 12.3 e fe o coeficiente de atrito estático. Este coeficiente depende apenas do estado e da natureza das superfícies em contacto. A tabela 12.1 mostra valores aproximados de alguns coeficientes de atrito estáticos. h) A força máxima de atrito dinâmico calcula-se com a espressão Fmax. atr. din. = N fd (12.2) sendo usual considerar o coeficiente de atrito dinâ- mico fd como sendo 75% do estático. Na figura 12.3, se a força de atrito for a máxima, ou seja, condições de movimento iminente então o ângulo j chama-se ângulo de atrito e tem-se e e.atr.max f N fN N F )(tg j (12.3) ou seja, em condições de movimento iminente a tangente do ângulo de atrito é igual ao coeficiente de atrito estático. Tabela 12.1 Coeficientes de atrito estático para superfícies secas (valores aproximados) Aço sobre aço 0,4 0,8 Madeira sobre madeira 0,2 0,5 Madeira sobre metal 0,2 0,6 Metal sobre pedra 0,3 0,7 Metal sobre couro 0,3 0,6 Madeira sobre couro 0,2 0,5 Terra sobre terra 0,2 1,0 Ferro fundido sobre ferro fundido 0,3 0,4 Borracha sobre concreto 0,6 0,8 Borracha sobre gelo 0,050,2 É usual considerar o coeficiente de atrito dinâ- mico como sendo 75% do estático Em geral, para a resolução de problemas envolvendo atrito é necessário um diagrama de corpo livre, duas equações de equilíbrio xF e yF e a fórmula (12.1). Exemplo12.1 A figura E-12.1.a mostra um corpo A, de peso 100 N, assente num plano horizontal. Mostra também o respectivo diagrama de corpo livre. Admitir um coeficien- te de atrito estático 0,5. A equação de equilíbrio 0100NFy permite calcular a reacção perpendicular ao plano N = 100 N. A força máxima de atrito estático que é possível provocar é calculada então com a fórmula (12.1) Fmax. atr. est. = 100 N 0,5 = 50 N sendo 0,5 o coeficiente de atrito. F Fatrito Força máxima de atrito estático Força máxima de atrito dinâmico 45º Figura 12.4 N 100 N Figura E-12.1.a 100 N A A 106-Mecânica Aplicada curso de Pilotagem ENIDH Elementos de Estática Texto de apoio Estatica-Texto-06-07.doc PAG. 44 Seguem-se diferentes situações possíveis. 1.ª situação Na figura E-12.1.a não existe nenhuma força horizontal a actuar no corpo. Em consequência não existe força de atrito. Esta situação corresponde ao ponto 1 do gráfico desenhado na figura E-12.1.e. 2.ª situação Existe uma força horizontal F = 30 N figura E-12.1.b. Como esta força é inferior a 50 N, o máximo possível da força de atrito, então a força de atrito existente vale 30 N. O angulo j, formado pela resultante e pela reacção per- pendicular ao plano de escorregamento calcula-se com º7,16 100 30 arctg j . Esta situação corresponde ao ponto 2 do gráfico dese- nhado na figura E-12.1.e. 3.ª situação Agora a força F vale 50 N figura E-12.1.c. Esta força igualou a força máxima de atrito. Atingiu-se a condição de movimento iminente. Qualquer aumento para F implica o movimento do corpo. A reacção R tem o seu valor máximo. O angulo j também é máximo, chamando- se agora ângulo de atrito estático e tendo amplitude º6,26 100 50 arctg j . Esta situação corresponde ao ponto 3 do gráfico dese- nhado na figura E-12.1.e. 4.ª situação Agora a força F vale 70 N figura E-12.1.d. Esta força é superior à força máxima de atrito. Foi ultrapassada a condição de movimento iminente. O corpo está em movimento. A força máxima de atrito dinâmico, inferior à força máxima de atrito estático, calcula-se com a fórmula (12.2) Fmax. atr. din. = 100 N 0,4 = 40 N O angulo j, chama-se agora ângulo de atrito dinâmico e tem amplitude º8,21 100 40 arctg j . Esta situação corresponde ao ponto 4 do gráfico dese- nhado na figura E-12.1.e. O movimento do corpo é uni- formemente acelerado e provocado pelo “excedente” de força F 70 N 40 N = 30 N. Exemplo 12.2 Um corpo de peso 250 N assenta num plano horizontal como mostrado na figura E12.2.a. Tem aplicada uma força F inclinada 20º. Admitindo um coeficiente de atrito estático 0,25 calcular F nas condições de movimento iminente. Resolução: A figura também mostra o diagrama de corpo livre com a decomposição habitual da força F. Do equilíbrio de forças em x e y resulta 0 atr F)º20cos(F x F (1) 0)º20(Fsen250N y F (2) O sistema de equações anterior tem três incógnitas: F, N e Fatr. É necessário outra equação. Como se pretende condições de movimento iminente, ou seja, o máximo F = 30 N Fatr= 30 N N = 100 N P = 100 N A Figura E-12.1.b Rj = 1 6 ,9 º F =50 N Fatr= 50 N N = 100 N P = 100 N A Figura E-12.1.c Rj = 2 6 ,6 º F = 70 N Fatr= 40 N N = 100 N P = 100 N A Figura E-12.1.d Rj = 2 1 ,8 º F [N] Fatrito[N] 50 40 45º Figura E-12.1.e 30 30 50 70 1 2 3 4 Fsen(20º) Fatr N 250 N F Fcos(20º) Figura E-12.2.a 20º 250 N x y 106-Mecânica Aplicada curso de Pilotagem ENIDH Elementos de Estática Texto de apoio Estatica-Texto-06-07.doc PAG. 45 para a força de atrito, utiliza-se a expressão (12.1) como terceira equação. Fatr = N 0,25 (3) Resolvendo o sistema formado pelas equações (1), (2) e (3) obtém-se F = 61,0; N = 229,1 e Fatr = 57,3. Resposta: Para F = 61,0 N atingem-se as condições de movimento iminente. Observações No exemplo 12.1 a reacção N, perpendicular ao plano de escorregamento, é independente do valor da força F e é sempre igual ao peso do corpo. Neste exemplo 12.2 a força N depende da força F através da equação (2). À medida que F aumenta N diminui. Resolvendo a equação (1) em ordem a Fatr obtém-se )º20cos(F atr F . (4) Resolvendo a equação (2) em ordem a N obtém-se )º20(Fsen250N e substituindo na equação (3) obtém-se 25,0))º20(Fsen250(F atrmax . (5) A figura E12.2.b mostra a representação gráfica das funções (4) e (5). A solução do problema está na intersecção dos dois segmentos de recta, ou seja, quando a força de atrito atinge o seu valor máximo. Exemplo 12.3 O bloco da figura E12.3.a pesa 500 N e está comprimi- do contra a parede pela força F. Considerando um coeficiente de atrito estático 0,2, calcular os valores de F para os quais o bloco está em equilíbrio. Resolução: Se a força F for suficientemente grande o bloco subirá. Se for suficientemente pequena o bloco descerá. Assim existem duas condições de movimento iminente: uma de subida e outra de descida. Movimento iminente de subida A figura E12.3.b mostra o diagrama de corpo livre para o bloco com o peso 500 N, as componentes de F, a reacção N, perpendicular ao plano de escorregamento e a força de atrito, tangencial ao plano. O sentido da força de atrito é contrário ao sentido de subida. Do equilíbrio de forças em x e y resulta 0N)º40cos(F x F (1) 0)º40(Fsen500 atr F y F (2) O sistema de equações anterior tem três incógnitas: F, N e Fatr. É necessário outra equação. Como se pretende condições de movimento iminente, ou seja, o máximo para a força de atrito, utiliza-se a expressão (12.1) como terceira equação. Fatr = N 0,2 (3) Resolvendo o sistema formado pelas equações (1), (2) e (3) obtém-se F = 1021 N. Movimento iminente de descida A figura E12.3.c mostra o diagrama de corpo livre para o bloco. A diferença para o diagrama anterior está no sentido da força de atrito que agora é contrário ao sentido de descida e por isso tem sinal contrário na equação (2). 0 20 40 60 80 0 20 40 60 80 F [N] F at r, F at r m ax [N ] Fatr = Fcos(20º) Fmax atr = 0,25(250 - Fsen(20º)) F = 61,0 N Figura E-12.2.b 43,2º F 40º 500 N Figura E-12.3.a 106-Mecânica Aplicada curso de Pilotagem ENIDH Elementos de Estática Texto de apoio Estatica-Texto-06-07.doc PAG. 46 0N)º40cos(F x F (1) 0)º40(Fsen500 atr F y F (2) Fatr = N 0,2 (3) Resolvendo o sistema formado pelas equações (1), (2) e (3) obtém-se F = 628 N. Os resultados anteriorespodem ser resumidos na figura E12.3.d que mostra a situação do bloco em função dos valores de F. Resposta: Com 628 < F < 1021 o bloco está em equilíbrio. Exemplo 12.4 A figura E12.4.a mostra um homem de peso 800 N sentado no fundo de um caixote A, de peso 100 N, puxando uma corda que se encontra presa a outro caixote B, que tem peso total igual a 700. Sabe-se que o coeficiente de atrito estático entre o caixote A e o chão é 0,1. Para o caixote B o coeficiente é 0,15. Se o homem aplicar uma força crescente à corda, quem é que se move primeiro? O caixote A? O caixote B? Ou movem-se ambos? Figura E12.4.a Resolução: Têm que ser estudados, em separado, os movimentos iminentes de A e de B e depois verificar qual acontece primeiro. Movimento iminente de A A figura E12.4.b mostra o diagrama de corpo livre para o conjunto A. O peso 900 N resulta de 800 N + 100 N. A força que a corda exerce no caixote A está representada por F. N é a reacção perpendicular ao plano de escor- regamento e Fatr é a força de atrito, tangencial ao plano e com sentido para a esquerda porque A tem tendência a mover-se para a direita. Do equilíbrio de forças em x e y resulta 0FF x F atr (1) 0900N y F (2) O sistema de equações anterior tem três incógnitas: F, N e Fatr. É necessário outra equação. Como se pretende condições de movimento iminente, ou seja, o máximo para a força de atrito, utiliza-se a expressão (12.1) como terceira equação. Fatr = N 0,1 (3) Resolvendo o sistema formado pelas equações (1), (2) e (3) obtém-se F = 90 N. 500 N Fcos(40º) Fsen(40º) Fatr N subida Figura E-12.3.b 500 N Fcos(40º) Fsen(40º)Fatr N descida Figura E-12.3.c F Bloco em equilíbrio Bloco a descer Bloco a subir 0 N 628 N 1021 N Figura E-12.3.d 106-Mecânica Aplicada curso de Pilotagem ENIDH Elementos de Estática Texto de apoio Estatica-Texto-06-07.doc PAG. 47 Movimento iminente de B A figura E12.4.c mostra o diagrama de corpo livre para o conjunto B. Agora a força de atrito tem o sentido para a direita porque B tem tendência a mover-se para a esquerda. As três equações escrevem-se agora 0FF x F atr (1) 0700N y F (2) Fatr = N 0,15 (3) com solução F = 105 N. Resposta: O caixote A move-se para F = 90 N. O caixote B move-se para F = 105 N. Como a força F cresce a partir de zero o valor 90 N é atingido primeiro logo o caixote A move-se primeiro. Exemplo 12.5 A figura E12.5.a mostra dois blocos A e B de pesos 200 N e 400 N, respectivamente. O bloco A está preso à parede por um fio. No bloco B actua uma força F. O coeficiente de atrito estático entre A e B é 0,25. Entre B e o plano o coeficiente é 0,15. Calcular o valor de F e a tracção no fio nas condições de movimento iminente. Resolução: É necessário considerar em separado os diagramas de corpo livre dos blocos A e B figura E12.5.b A força T, no diagrama A, representa a acção do fio no bloco e também a tracção no fio. O par de forças N representa a acção recíproca dos blocos na direcção perpendicular ao plano de escorregamento. O par de forças Fatr representa a acção recíproca dos blocos na direcção tangencial. São forças de atrito. Os dois pares anteriores satisfazem o princípio da acção-reacção. A força N' traduz a acção perpendicular do chão sobre B. A acção tangencial está representada pela força de atrito F'atr. Em B as duas forças de atrito têm sentido para a esquerda uma vez que o bloco tem tendência a deslocar- se para a direita. Escrevem-se as habituais equações de equilíbrio e a fórmula (12.1) porque se pretende movimento iminente. Para o diagrama A 0FT x F atr (1) 0200N y F (2) Fatr = N 0,25 (3) Para o diagrama B 0F'FF x F atratr (4) 0400N'N y F (5) F'atr = N' 0,15 (6) Manipulando as equações anteriores obtém-se T = 50 e F = 140. Resposta: na iminência do movimento F = 140 N sendo a tracção no fio 50 N. 700 N F Fatr N A Figura E-12.4.c 900 N F Fatr N A Figura E-12.4.b 200 N 400 N F fio A B Figura E-12.5.a A B Figura E-12.5.b 200 N T Fatr NFatr 400 N N' F'atr F N 106-Mecânica Aplicada curso de Pilotagem ENIDH Elementos de Estática Texto de apoio Estatica-Texto-06-07.doc PAG. 48 Exemplo 12.6 A figura E12.6.a mostra um bloco de peso 80 N, prestes a cair, encostado à parede e sustentado por uma esfera de peso 140 N. Um fio ideal liga a esfera à parede. O coeficiente de atrito estático entre o bloco e a parede é 0,2. Entre a esfera e o bloco o coeficiente é 0,3. Nas condições descritas calcular o ângulo . Resolução: É necessário considerar em separado os diagramas de corpo livre do bloco e da esfera figura E12.6.b A força N traduz a acção perpendicular da parede sobre o bloco. A acção tangencial está representada pela força de atrito Fatr. Esta força tem sentido para cima porque o bloco tem tendência a descer. O par de forças N' representa a acção recíproca do bloco e da esfera na direcção perpendicular ao plano de escorregamento. O par de forças de atrito F'atr representa a acção recíproca na direcção tangencial. Os dois pares anteriores satis- fazem o princípio da acção-reacção. A força T, repre- senta a acção do fio na esfera. Estão igualmente repre- sentados os pesos. As equações de equilíbrio em x e y para o bloco são 0N'N x F (1) 080'FF y F atratr (2) Se o bloco está prestes a cair então a situação é de movimento iminente e há que aplicar a fórmula (12.1) aos pares N, Fatr e N', F'atr. Fatr = N 0,2 (3) F'atr = N' 0,3 (4) As equações de equilíbrio para a esfera são 0'N)(Tsen x F (5) 0140'F)cos(T y F atr (6) A equação (4) já está escrita. Com as equações (1), (2), (3) e (4) calcula-se N' = 160 e F'atr = 48. Substituindo estes valores em (5) e (6) vem º4,40 188 160 )(tg 188)cos(T 160)sin(T Resposta: Com o bloco prestes a cair = 40,4º 13 Atrito seco de correias planas e de cabos em tambores fixos A figura 13.1 mostra um cabo traccionado em volta de um tambor fixo ao longo de um ângulo , chamado ângulo de abraçamento. Não considerando atrito entre o cabo e o tambor as forças de tracção T1 e T2 são iguais. Se o atrito for considerado, as duas forças são diferentes porque agora existem as forças de atrito no contacto do cabo com o tambor. Se, por exemplo, T1 quiser "puxar" T2 então T1 deverá ser maior que T2 porque também tem que "puxar" as forças de atrito figura 13.2. Ao pretender movimentar o cabo existem duas hipóteses de movimento iminente: ou para o lado de T1 ou para o lado de T2. 80 N FiguraE-12.6.a 140 N Figura E-12.6.b 80 N T F'atr N' Fatr 140 N N' F'atr N T1 T2 90º 90º Figura 13.1 T1 T2 Figura 13.2 106-Mecânica Aplicada curso de Pilotagem ENIDH Elementos de Estática Texto de apoio Estatica-Texto-06-07.doc PAG. 49 A fórmula que relaciona T1 e T2 é f e2T1T (13.1) sendo T1 a força de tracção no cabo do lado do movimento iminente T2 a força de tracção no outro lado do cabo a amplitude do ângulo de abraçamento em radianos f o coeficiente de atrito e número de Nepper, 2,71828 Exemplo 13.1 A figura E13.1 mostra um tambor fixo com um cabo abraçado 180º. Num extremo do cabo existe um peso de 100 N. No outro extremo existe uma força F. O coeficien- te de atrito estático entre o cabo e o tambor é 0,1. Qual o valor de F para a subida iminente do peso? E para a descida iminente do peso ?. Quais os valores de F para os quais o peso está em equilíbrio estático? Resolução: Para a iminência de subida do peso aplica-se a fórmula (13.1) com T1 = F, porque F está do lado do movimento iminente, T2 = 100 N, f = 0,1 e = 180º = rad, ou seja 137 1,0 e100F Para a iminência de descida do peso aplica-se a mesma fórmula mas agora com T1 = 100 N, porque 100 N está agora do lado do movimento iminente eT2 = F. 73F 1,0 eF100 Os resultados anteriores podem ser resumidos na figura E13.1.b que mostra a situação do peso em função dos valores de F. Resposta: O valor de F é 137 N para a subida iminente do peso e 73 N para a descida iminente. O peso está em equilíbrio estático se 73 N < F < 137 N. Exemplo 13.2 A figura E13.2 mostra uma amarra enrolada num ca- beçote, dando duas voltas completas. A força de 15 kN é exercida por um navio, sendo a força de 0,3 kN a mínima necessária para impedir a amarra de deslizar. Calcular o coeficiente de atrito entre a amarra e o cabeçote. Figura E13.2 Resolução: Na fórmula (13.1) T1 = 15 kN, porque o movimento iminente está do lado do navio T2 = 0,3 kN e = 2360º = 4 rad, ou seja 31,0f )50ln(f56,1250 f56,12 e 4f e3,015 Resposta: o coeficiente de atrito entre a amarra e o cabeçote é 0,31. Exemplo 13.3 A figura E13.3 mostra um cabo enrolado num tambor fixo e com as extremidades nas posições mostradas. A extremidade vertical suporta um peso de 12 kN. A outra extremidade está traccionada com 1 kN. O coeficiente de atrito entre o cabo e o tambor é 0,15. Calcular o número mínimo de voltas inteiras necessárias para que a situação mostrada seja de equilíbrio. F Figura E-13.1.a = 180º 100 N F Peso em equilíbrio Peso a descer Peso a subir 0 N 73 N 137 N Figura E-13.1.bFigura E-13.3 12 kN 45º 1 kN 106-Mecânica Aplicada curso de Pilotagem ENIDH Elementos de Estática Texto de apoio Estatica-Texto-06-07.doc PAG. 50 Seja n o número de voltas pretendidas. A única situação de movimento iminente possível é a descida do peso. Na fórmula (13.1) T1 = 12 kN, T2 = 1 kN, f = 0,15 e = n360º + 135º = n2 rad + 0,75 rad, ou seja 26,2n)12ln(353,0n942,0 12 353,0n942,0 e )75,02n(15,0 e112 Resposta: o número mínimo de voltas inteiras, ou seja um número inteiro, necessárias para a situação mostrada seja de equilíbrio é 3. 14 Problemas variados Problema 14.1 A figura P14.1.a mostra um corpo A com um tambor fixo tem acoplado. Um fio ideal liga um corpo B a um bloco C, passando pelo tambor e por uma roldana sem atrito Calcular o peso do bloco C que provoca o movimento iminente. Dados: pesos: A: 700 N; B: 350 N coeficientes de atrito: entre A e o plano: 0,3; entre B e o plano: 0,3; entre o tambor e o cabo: 0,2. Resolução: Existem três possibilidades de movimento eminente, do fio em volta do tambor, do corpo A e do corpo B. O primeiro existe sempre porque o fio está directamente ligado ao bloco C. Relativamente aos corpos A e B podem colocar-se três hipóteses: 1.ª B em movimento iminente e A não; 2.ª A em movimento iminente e B não; 3.ª ambos em movimento iminente. Seja PC o peso do bloco C. Calcula-se PC para a 1.ª e para a 2.ª hipóteses e escolhe-se a hipótese correspon- dente ao menor valor, se forem diferentes. Se forem iguais acontece a 3ª hipótese. 1.ª hipótese movimento iminente do corpo B. A figura P14.1.b mostra o diagrama de corpo livre para o corpo B e o fio em volta do tambor e da roldana. A força N traduz a acção perpendicular do plano sobre o corpo B. A acção tangencial está representada pela força de atrito Fatr. Esta força tem sentido para a direita porque o fio tem tendência a puxar B para a esquerda. A força T, representa a acção do fio em B. Está igualmente repre- sentado o peso 350 N. Não se considerando atrito na roldana a tracção no fio, em ambas as extremidades, é igual a PC. As equações de equilíbrio em x e y para A são 0T atr F x F (1) 0350N y F (2) Se B está na situação de movimento iminente há que aplicar a fórmula (12.1) ao par N, Fatr . Fatr = N 0,3 (3) Com (1), (2) e (3) obtém-se T = 105 N. T e PC relacionam-se com a fórmula (13.1). T1 = PC, porque PC está do lado do movimento iminente, T2 = 105 N, f = 0,2 e = 180º 30º = (5/6) rad, ou seja 177 )6/5(2,0 e105 C P Se PC = 177 N então o corpo B está na situação de movimento iminente. 2.ª hipótese movimento iminente do corpo A. A figura P14.1.c mostra o diagrama de corpo livre para o corpo A e o fio em volta do tambor e da roldana. A força N traduz a acção perpendicular do plano sobre o corpo A. A acção tangencial está representada pela força de atrito Fatr. Esta força tem sentido para a esquerda porque o fio tem tendência a puxar A para a direita. A força T, representa a acção do fio em A. Está igualmente Figura E-14.1.a 30º A C B fio roldana Figura P-14.1.b 350 N PC Fatr TT N PC PC B 106-Mecânica Aplicada curso de Pilotagem ENIDH Elementos de Estática Texto de apoio Estatica-Texto-06-07.doc PAG. 51 representado o peso 700 N. Não se considerando atrito na roldana a tracção no fio, em ambas as extremidades, é igual a PC. As equações de equilíbrio em x e y para B são 0)º30cos( C PT atr F x F (1) 0)º30(sen C P700N y F (2) Se A está na situação de movimento iminente há que aplicar a fórmula (12.1) ao par N, Fatr . Fatr = N 0,3 (3) T e PC relacionam-se com a fórmula (13.1). T1 = PC, porque PC está do lado do movimento iminente, T2 = T, f = 0,2 e = 180º 30º = (5/6) rad, ou seja )6/5(2,0 eT C P (4) Com (1), (2), (3) e (4) obtém-se PC = 161 N. Se PC = 161 N então o corpo Aestá na situação de movimento iminente. Resposta: como o valor de PC é menor na 2.ª hipótese então o peso do bloco C que provoca o movimento iminente é 161 N. Figura P-14.1.c 700 N PCFatr T N PC PC 30º A
Compartilhar