Estatica corpos rigidos

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Estatica corpos rigidos

  1. 1. ESTÁTICA DOS CORPOS RÍGIDOS 1. Forças no plano A Força representa a ação de um corpo sobre o outro e é caracterizada pelo seu ponto de aplicação, sua intensidade, direção e sentido. A intensidade de uma força é expressa em Newton (N) no Sistema Internacional de Unidades (SI). A direção de uma força é definida por sua linha de ação, ou seja, é a reta ao longo da qual a força atua, sendo caracterizada pelo ângulo que forma com algum eixo fixo, como indicado na Figura 1 abaixo. F α F α Figura 2.1 O sentido da força é indicado por uma seta (vetor). Denomina-se Grupo de forças, o conjunto de forças aplicadas em um único ponto de um corpo. Sistema de forças é o conjunto de forças aplicadas simultaneamente em pontos diversos de um mesmo corpo. 2. Equilíbrio de um ponto material Ponto material é uma pequena porção de matéria que pode ser considerada como se ocupasse um ponto no espaço. Quando a resultante de todas as forças que atuam sobre um ponto material é nula, este ponto está em equilíbrio. Este princípio é conseqüência da primeira lei de Newton: “se a força resultante que atua sobre um ponto material é zero, este ponto permanece em repouso (se estava originalmente em repouso) ou move-se ao longo de uma reta com velocidade constante (se originalmente estava em movimento)”. Para exprimir algebricamente as condições de equilíbrio de um ponto material, escreve-se: 0==Σ RF onde: F = força R = resultante das forças Curso Prático & Objetivo Direitos Autorais Reservados 01Curso Prático & Objetivo Direitos Autorais Reservados
  2. 2. A representação gráfica de todas as forças que atuam em um ponto material pode ser representada por um diagrama de corpo livre, como indica a figura ao lado. F3 F2 A F4 F1 Figura 2.2 Exemplo: verificar se o sistema de forças indicado está em equilíbrio As condições necessárias e suficientes para o equilíbrio são: 0=Σ xF 0º302000º3010001500 =−−=Σ sensenFx 010005001500 =−−=Σ xF ok 0=Σ yF 0866º30cos1000º30cos2000 =−−=Σ yF 08668661732 =−−=Σ yF ok xA F = 1500N1 F = 1000N3 F = 866N2 30° y F = 2000N4 30° Resposta: O sistema de forças está em equilíbrio 3. Resultante de uma força Constata-se experimentalmente que duas forças P e Q que atuam sobre um ponto material podem ser substituídas por uma única força R que tenha o mesmo efeito sobre esse ponto material. Essa força é chamada de resultante de P e Q. Portanto, a resultante de um grupo de forças é a força que, atuando sozinha, produz ação idêntica à produzida pelo grupo ou sistema de forças. A resultante pode ser determinada por soluções gráficas ou analíticas. a) Soluções gráficas: quando um ponto material está em equilíbrio sob a ação de mais de três forças o problema pode ser resolvido graficamente pelo desenho de um polígono de forças, como indicado nas figuras abaixo. Regra do paralelogramo Q A P A P Q R R Curso Prático & Objetivo Direitos Autorais Reservados 02Curso Prático & Objetivo Direitos Autorais Reservados
  3. 3. Regra do Triângulo A Q A R=P+Q P Q P R=P+Q Composição de forças R=F1+F2-F3 F3 R=F1+F2 F1 F1 R=F1+F2+F3 F2 F3 F3 F2 F3 Decomposição de forças F Fx y x y F b) Soluções analíticas: os métodos analíticos utilizam a trigonometria e as equações de equilíbrio. Exemplos Determinar a Resultante das duas forças P e Q agem sobre o parafuso A. Q=60 N 25º 20ºA P=40 N Curso Prático & Objetivo Direitos Autorais Reservados 03Curso Prático & Objetivo Direitos Autorais Reservados
  4. 4. a. Soluções gráficas 35.0° R=98 N A 20º 25º P=40 N Q=60 N R=98 N Q=60 N A P=40 N 35.0° Regra do paralelogramo Regra do triângulo b. Solução analítica: trigonometria Cálculo da força resultante: Lei dos cossenos: BPQQPR cos2222 −+= º155cos604024060 222 ×××−+=R NR 7,97= Cálculo do ângulo α Lei dos senos R senB Q senA = 7,97 º155 60 sensenA = 25,0=senA º15=A º20+= Aα º35º20º15 =+=α A R Q=60 N α P=40 N B 155° C Sabendo-se que o parafuso está fixo, portanto em equilíbrio, existem forças de reação que equilibram as forças Q e P. Este princípio é explicado pela terceira lei de Newton: “A toda ação corresponde uma reação, com a mesma intensidade, mesma direção e sentido contrário”. Portanto, o parafuso está reagindo por uma força de mesma intensidade da resultante de P e Q, mas em sentido contrário. A força de reação pode ser decomposta em duas forças Fx e Fy, que são suas projeções sobre os eixos (x e y). NFx 80º35cos7,97 =×= NsenFy 56º357,97 =×= A R=97,7 N 35° Fx=80 N 20º Fy=56 N R=97,7 N P=40 N 25º Q=60 N 35.0° Curso Prático & Objetivo Direitos Autorais Reservados 04Curso Prático & Objetivo Direitos Autorais Reservados
  5. 5. Verificação do equilíbrio do ponto A Para que o ponto A esteja em equilíbrio é necessário que a somatória de todas as forças que agem no ponto A sejam nulas, ou seja: 0 1 =∑= n i nF y Q=60 N Fy=56 N x 25º 20ºA Fx=80 N P=40 N ∑ = 0xF ∑ =−×+×= 080º20cos40º45cos60xF 00 = ok ∑ = 0yF ∑ =−×+×= 056º2040º4560 sensenFy 00 = ok Um caso particular da terceira lei de Newton é a lei da gravitação que trata da atração da Terra sobre um ponto material localizado em sua superfície. A força de atração exercida pela Terra sobre o ponto material é definida como o seu peso (P). a intensidade do peso P de um ponto material de massa m é expresso como. gmP ⋅= onde g=9,81 m/s2 é a aceleração da gravidade. 2. Determinar as forças nos cabos. gmP ⋅= ( )2 /81,9)(75 smkgP ×= NP 736= 30°50° A 75 kg C B 736 N 80° 60° ACT 40° TAB solução gráfica: desenho do polígono de forças. º80 736 º40º60 sensen T sen T ACAB == TAB = 647 N e TAC = 480 N Curso Prático & Objetivo Direitos Autorais Reservados 05Curso Prático & Objetivo Direitos Autorais Reservados
  6. 6. 50° 30° A 736 N TAB ACT solução analítica: equações de equilíbrio. 0=Σ xF 0º50cosº30cos =⋅−⋅ ABAC TT º30cos º50cos⋅ = AB AC T T (1) 0=Σ yF 0736º30º50 =−⋅+⋅ senTsenT ACAB Substituindo TAC pela relação (1), tem-se 736º30 º30cos º50cos º50 =⋅ ⋅ +⋅ sen T senT AB AB TAB = 647 N e TAC = 480 N Exercícios 1. Determinar a força F e o ângulo α. A AT =2,5 kN BT = 2,5 kN F y α x 50°20° C 20° B50° α F Respostas: F=2,85 kN e α = 74,7º 2. Determinar as forças nos cabos x y 60° 20° AT TB P m=50 kg A 60° 20° B Respostas: TA = 761,3 N e TB = 381 N 3. Determinar a resultante do sistema de forças indicado e o seu ângulo de inclinação em relação ao eixo x. 70° F = 15 N3 F = 10 N1 x50° F = 20 N2 Curso Prático & Objetivo Direitos Autorais Reservados 06Curso Prático & Objetivo Direitos Autorais Reservados
  7. 7. Roteiro: a. Determinar inicialmente a resultante entre as forças F1 e F2 e seu respectivo ângulo (α12) em relação ao eixo x. Chamar a resultante de R12; b. Em seguida, determinar a resultante de todo o sistema, chamando-a de R123 (R123 é a resultante entre R12 e F3); c. Finalmente, determinar o ângulo (α123) de R123 em relação ao eixo x. Respostas: R123 = 32,19 N e α123 = 61,46º 4. Determinar o valor da força F. a) y x 159,65 N 300 N 20° 60° F b) x F 60° 346,41 N 30° 200 N y Resp. F = 314,41 N Resp. F = 400 N c) F y x 45° 45° 141,42 N 141,42 N d) y x F30° 60° 45° 250 N 120 N 91,9 N Resp. F = 200 N Resp. F = 255,45 N e) 329,36 N 100 N 100 N F 60° 70° 45° x y f) 65° 61 kg 45° F 450 N Resp. F = 321,74 N Resp. F=268,95 N Curso Prático & Objetivo Direitos Autorais Reservados 07Curso Prático & Objetivo Direitos Autorais Reservados
  8. 8. 4. Momento de uma força Define-se Momento como a tendência de uma força F fazer girar um corpo rígido em torno de um eixo fixo. O Momento depende do módulo de F e da distância de F em ao eixo fixo. Considere-se uma força F que atua em um corpo rígido fixo no ponto 0, como indicado na figura. A força F é representada por um vetor que define seu módulo, direção e sentido. O vetor d é a distância perpendicular de 0 à linha de ação de F. 0 A d M0 F Define-se o momento escalar do vetor F em relação a 0, como sendo dFM ×=0 onde: M0= momento escalar do vetor F em relação ao ponto 0 0 = pólo ou centro de momento d= distância perpendicular de 0 à linha de ação de F, também chamada de braço de alavanca O momento M0 é sempre perpendicular ao plano que contém o ponto 0. O sentido de M0 é definido pelo sentido de rotação imposto pelo vetor F. Convenciona-se momento positivo se a força F tender a girar o corpo no sentido anti-horário e negativo, se tender a girar o corpo no sentido horário. M-M+ No SI, onde a força é expressa em newtons (N) e a distância em metros (m). Portanto, o momento é expresso em newtons × metros (N × m). 4.1. Momento de um sistema de forças coplanares Chama-se Momento de um sistema de forças coplanares S={(F1,A1),....,(Fn,An)} em relação ao ponto 0, à soma algébrica dos Momentos de cada força em relação ao mesmo ponto 0. 0 A A F F 3 1 1 2 A2 b1 b2 b3 F3 ∑= = n i FS i MM 1 0,0, 4.2. Teorema de Varignon Seja R a resultante do sistema de forças S. “O Momento da resultante de um sistema de forças em relação a um ponto é igual ao momento do sistema ou seja, a soma algébrica dos Momentos de todas as forças componentes em relação ao mesmo ponto O”. ∑= == n i FSR i MMM 1 0,0,0, Curso Prático & Objetivo Direitos Autorais Reservados 08Curso Prático & Objetivo Direitos Autorais Reservados
  9. 9. 4.3. Momento de um binário Duas forças F e –F que tenham o mesmo módulo, linhas de ação paralelas e sentidos opostos formam um binário. A soma das componentes das duas forças em qualquer direção é zero. Entretanto, a soma dos momentos das duas forças em relação a um dado ponto não é zero. Apesar de as duas forças não transladarem o corpo no qual atuam, tendem a fazê-lo girar. b 1-F 2A A1 F1 Exemplos 1. Uma força de 450 N é aplicada no ponto A como ilustrado na figura. Determinar: a) o momento da força em relação a D; b) a menor força aplicada em D que ocasiona o mesmo momento em relação a D; c) o módulo e o sentido da força vertical que, aplicada em C, produz o mesmo momento em relação a D; d) a menor força que, aplicada em C, ocasiona o mesmo momento em relação a D. B 30° A D 225mm 225mm C 125mm 300mm 450 N 30° B 197.3mm 225mm C225mm 52.6° D 125mm 300mm 37.4°325 30° 22.6° A 450 N Solução a) braço de alavanca 197,3 mm Momento M=F×b M=450×197,3= 88785 N.mm ou M= 88,8 N.m B 30° A 225mm 375 mm 225mm C 53.1° 36.9° 125mm D 300mm 450 N b) Para se obter a menor força aplicada em B que ocasiona o mesmo momento em relação a D, deve-se utilizar o maior braço de alavanca, ou seja: 375300225 22 =+=b mm b M F = 8,236 375,0 8,88 ==F N c) b M F = 7,394 225,0 8,88 ==F N Curso Prático & Objetivo Direitos Autorais Reservados 09Curso Prático & Objetivo Direitos Autorais Reservados
  10. 10. d) A menor força que, aplicada em C, ocasiona o mesmo momento em relação a D é aquela cujo braço de alavanca é o maior possível, ou seja: 2,318225225 22 =+=b mm b M F = 279 3182,0 8,88 ==F N 30° 318,2 m m 225mm C225mm D 125mm 300mm B A 450 N 2. A figura abaixo representa uma junta rebitada, composta por dois rebites de mesmo diâmetro. Determinar as forças horizontais e verticais atuantes nos rebites. Como os rebites são iguais, as cargas e as reações verticais em cada rebite também são iguais: RAV= RBV= 3000÷2= 1500 N. O rebite A está sendo “puxado” para a direita, portanto, possuirá uma reação horizontal para a esquerda; O rebite B está sendo “empurrado” para a esquerda, portanto, possuirá uma reação horizontal para a direita. Determinação dos esforços horizontais: ∑ = 0AM RBH×200=3000×600 = 9000 N RAH= RBH=9000 N B RBV ARAH RAV RBH 200mm 600mm 3000 N 3. Determinar o Momento em A devido ao binário de forças ilustrado na figura MA= F×b MA= 500×0,12 = 60 N.m 300mm 120mm F1=500 N F2=500 N A 30° B Curso Prático & Objetivo Direitos Autorais Reservados 10Curso Prático & Objetivo Direitos Autorais Reservados
  11. 11. 4. Substituir o binário da figura por uma força F vertical aplicada no ponto B. F1=F2= 500 N MA= F×b b M F = 400 15,0 60 ==F N 300mm 150mm A M =60N.m 120mm A 30° F=400 N B 5. Substituir o binário e a força F ilustrados na figura por uma única força F=400 N, aplicada no ponto C da alavanca. Determinar a distância do eixo ao ponto de aplicação desta força. MA= (400×0,15) + (200×0,12) = 84 N.m F M d = 21,0 400 84 ==d m = 210 mm 420 º60cos 210 ==AC mm 300mm 120mm A M 200 N 200 N d=210mm 150mm A 30° F=400 N AC B C 5. Determinar a intensidade da força F para que atue no parafuso o torque (momento) de 40 N.m. 217 º23cos 200 ==a mm = 0,217 m MA= F×b b M F = 1,184 217,0 40 ==F N 6. Um grifo é utilizado para rosquear um tubo de φ 20 mm a uma luva, como mostra a figura. Determinar a intensidade da força F exercida pelo grifo no tubo, quando a força aplicada no aperto for 40 N. ∑ = 0AM 40 × 180 = F × 30 240 30 18040 = × =F N Curso Prático & Objetivo Direitos Autorais Reservados 11Curso Prático & Objetivo Direitos Autorais Reservados
  12. 12. 4.4. Equilíbrio de corpos rígidos Um corpo rígido está em equilíbrio quando todas as forças externas que atuam sobre ele formam um sistema de forças equivalente a zero, isto é, quando todas as forças externas podem ser reduzidas a uma força nula e a um binário nulo. 0=ΣF 00=ΣM As expressões acima definem as equações fundamentais de Estática. Decompondo cada força e cada momento em suas componentes cartesianas, encontram-se as condições necessárias e suficientes para o equilíbrio de um corpo rígido no espaço: x 0 y z 0=Σ xF 0=Σ yF 0=Σ zF 0=Σ xM 0=Σ yM 0=Σ zM Equilíbrio ou em duas dimensões As condições de equilíbrio de um corpo rígido simplificam-se consideravelmente no caso de uma estrutura bidimensional. Escolhendo os eixos x e y no plano da estrutura, tem-se: x 0 y 0=zF 0== yx MM 0MM z= para cada uma das forças aplicadas ao corpo rígido, então as seis equações de equilíbrio no espaço reduzem-se a: 0=Σ xF 0=Σ yF 0=Σ AM onde A é um ponto qualquer no plano da estrutura. Estas três equações podem ser resolvidas para um máximo de três incógnitas. O equilíbrio em duas dimensões é também conhecido como equilíbrio no plano. Curso Prático & Objetivo Direitos Autorais Reservados 12Curso Prático & Objetivo Direitos Autorais Reservados
  13. 13. 5. Apoios Para o estudo do equilíbrio dos corpos rígidos não bastam conhecer somente as forças externas que agem sobre ele, mas também é necessário conhecer como este corpo rígido está apoiado. Apoios ou vínculos são elementos que restringem os movimentos das estruturas e recebem a seguinte classificação: Apoio móvel ou • Impede movimento na direção normal (perpendicular) ao plano do apoio; • Permite movimento na direção paralela ao plano do apoio; • Permite rotação. Apoio fixo • Impede movimento na direção normal ao plano do apoio; • Impede movimento na direção paralela ao plano do apoio; • Permite rotação. Engastamento • Impede movimento na direção normal ao plano do apoio; • Impede movimento na direção paralela ao plano do apoio; • Impede rotação. Curso Prático & Objetivo Direitos Autorais Reservados 13Curso Prático & Objetivo Direitos Autorais Reservados
  14. 14. 14 6. Tipos de Estruturas As estruturas são classificadas em função do número de reações de apoio ou vínculos que possuem. Cada reação constitui uma incógnita a ser determinada. Para as estruturas planas, a Estática fornece três equações fundamentais: 0=Σ xF 0=Σ yF 0=Σ AM 6.1. Estruturas hipostáticas Estruturas hipostáticas são aquelas cujo número de reações de apoio ou vínculos é inferior ao número de equações fornecidas pelas condições de equilíbrio da Estática. A figura ao lado ilustra um tipo de estrutura hipostática. As incógnitas são duas: RA e RB. Esta estrutura não possui restrição a movimentos horizontais. L P A RB B R A 6.2. Estruturas isostáticas Estruturas isostáticas são aquelas cujo número de reações de apoio ou vínculos é igual ao número de equações fornecidas pelas condições de equilíbrio da Estática. No exemplo da estrutura da figura, as incógnitas são três: RA, RB e HA. Esta estrutura está fixa; suas incógnitas podem ser resolvidas somente pelas equações fundamentais da Estática. RA A HA L P RB B 6.3. Estruturas hiperestáticas Estruturas hiperestáticas são aquelas cujo número de reações de apoio ou vínculos é superior ao número de equações fornecidas pelas condições de equilíbrio da Estática. Um tipo de estrutura hiperestática es’ta ilustrado na figura ao lado. As incógnitas são quatro: RA, RB, HA e MA. As equações fundamentais da Estática não são suficientes para resolver as equações de equilíbrio. São necessárias outras condições relativas ao comportamento da estrutura, como, p. ex., a sua deformabilidade para determinar todas as incógnitas. RA RB HA A AM L P B Curso Prático & Objetivo Direitos Autorais Reservados Curso Prático & Objetivo Direitos Autorais Reservados

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