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Unidade I CINEMÁTICA DOS SÓLIDOS Prof. Fábio Sevegnani A cinemática e o sólido A Cinemática é a parte da Mecânica que estuda o movimento de um corpo sem se preocupar com as causas do movimento. A Cinemática estuda a variação das grandezas posição, velocidade e aceleração, em função do tempo, para um determinado corpo, seja ele partícula ou sólido. A partícula: é um corpo de dimensões desprezíveis em relação às distâncias que percorre. O sólido, ou corpo rígido, é um corpo de dimensões não desprezíveis. A principal propriedade do sólido é a condição de rigidez. A cinemática e o sólido A distância entre dois pontos quaisquer do sólido nunca poderá variar. Não confundir a definição de sólido com o estado sólido da matéria. O P Sólido ou corpo rígido Figura 1 Fonte: Livro-texto. Classificação dos movimentos Os movimentos de um sólido podem ser classificados em: movimento de translação; movimento de rotação em torno de eixo fixo; movimento plano. Movimento de translação Definição: “um sólido desenvolve movimento de translação quando todo e qualquer vetor imaginário, for sempre paralelo a ele mesmo no instante de observação anterior.” Exemplo da não translação Exemplo de translação A P Q A P Q A P Q A P Q A P Q A P Q Figura 2 Figura 3 Fonte: Livro-texto. Movimento de translação Translação retilínea Translação curvilínea P Q P Q P Q P Q P Q P Q Figura 4 Figura 5 Fonte: Livro-texto. Propriedades cinemáticas do movimento de translação Sólido em translação. Pela soma vetorial, temos que: (1) Derivando a soma vetorial em relação ao tempo, temos: (2) Como pois (P – Q) é constante, temos: (3) 1ª propriedade: “no sólido em translação todos os pontos possuem a mesma velocidade (v)”. Q P O Pr Qr P Qr = r + (P - Q) P Qv = v Figura 6 P Q d d dr r + (P - Q) dt dt dt = d (P - Q) 0 dt = Fonte: Livro-texto. Propriedades cinemáticas do movimento de translação Derivando novamente em relação ao tempo, temos: (4) Resultando: (5) 2ª propriedade: “no sólido em translação todos os pontos possuem a mesma aceleração (a)”. = P Qaa Propriedades cinemáticas do movimento de translação 3ª propriedade: “no sólido em translação todos os pontos descrevem trajetórias congruentes”. Exemplo: gaiola da roda gigante. A B C Figura 7 Fonte: Livro-texto. Exemplo de movimento de translação Janela corrediça Figura 8 vjanela A vA B vB C vC Figura 9 Fonte: Livro-texto. Exemplo de movimento de não translação Porta com dobradiças Figura 10 Figura 11 P A P A P A P A P A P A B B B B B BP A≡ P A≡ P A≡ Fonte: Livro-texto Interatividade Uma porta corrediça de um forno de recozimento desenvolve um movimento de translação retilínea. A velocidade do ponto A é de 0,6 m/s constantes. Quais são, respectivamente, a velocidade e aceleração do ponto C? a) 0,3 m/s e 1 m/s2 b) 1 m/s e 0,8 m/s2 c) 0,9 m/s e 0,15 m/s2 d) 1,2 m/s e 0,4 m/s2 e) 0,6 m/s e zero m/s2 A vA B vB C vC Fonte: Livro-texto. Resposta Uma porta corrediça de um forno de recozimento desenvolve um movimento de translação retilínea. A velocidade do ponto A é de 0,6 m/s constantes. Quais são, respectivamente, a velocidade e aceleração do ponto C? a) 0,3 m/s e 1 m/s2 b) 1 m/s e 0,8 m/s2 c) 0,9 m/s e 0,15 m/s2 d) 1,2 m/s e 0,4 m/s2 e) 0,6 m/s e zero m/s2 A vA B vB C vC Fonte: Livro-texto. Movimento de rotação em torno de eixo fixo escalar Definição: “um sólido descreve movimento de rotação em torno de eixo fixo quando pelo menos dois pontos do mesmo permanecerem parados durante todo o tempo”. A observação de dois pontos de velocidade nula e a união dos dois por uma reta define o eixo fixo de rotação do sólido. B (v=0) A (v=0) B A sólido girante eixo fixo de rotação Figura 12 Fonte: Livro-texto. Grandezas e equações cinemáticas escalares do sólido girante Sólido girante. θ = coordenada angular (rad). S = posição linear (m). Sabendo que S = θ . R Derivando em relação ao tempo: (6) Como R é constante: Sendo e Resultando: v = ω . R v = velocidade linear (m/s). ω = velocidade angular (rad/s). referencial azimutal ou angular P0 (t0) R θ∆ ΔS eixo fixo de rotação P1 (t1) dS d dS dθ dR = (θ.R) = .R + θ. dt dt dt dt dt → Figura 14 S1 R1 R2 S2 S R θ 1 2 1 2 S S S = = = θ R R R Figura 13 dR 0 dt = dθ ω dt =dS v dt = Fonte: Livro-texto. Fonte: Livro-texto. Grandezas e equações cinemáticas escalares do sólido girante Sendo v = ω . R e a velocidade angular a mesma para todos os pontos do sólido, a velocidade será tanto maior quanto maior for o raio do ponto (ponto mais periférico). Derivando novamente: (7) Como R é constante: Sendo e Resultando: at = α . R (8) at = aceleração tangencial (m/s2). α = aceleração angular (rad/s2). ω R v máx v = 0 dv d dv dω dR = (ω.R) = .R + ω. dt dt dt dt dt → dR 0 dt = t dv a dt = dω dt α= Figura 15 Fonte: Livro-texto. Grandezas e equações cinemáticas escalares do sólido girante A aceleração total de um ponto é a soma vetorial da parcela tangencial e da parcela normal ou centrípeta. A soma algébrica deve ser feita pela regra do paralelogramo. (9) Onde: anP = ω2 . R Só existirá a parcela de aceleração tangencial quando o sólido estiver acelerando ou freando. A parcela de aceleração normal ou centrípeta existirá sempre que o sólido estiver em movimento. 2 2 2 P tP nPa a a= + 2 2 P tP nPa a a= + R atP anP aP P Figura 16 Fonte: Livro-texto. Exemplo de rotação em torno de eixo fixo Geradores eólicos Fonte: Fazenda eólica na Alemanha – WWEA – World Wind Energy Association http://www.wwindea.org/t echnology/ch01/imgs/1_1 _img3.jpg Grandezas e equações cinemáticas escalares do sólido girante θ, ω e α são grandezas do sólido girante e, consequentemente, todos os pontos compartilham estas grandezas. Porém, cada ponto possui sua posição S, sua velocidade v e sua aceleração a, que variam em função do raio. Analogamente à cinemática linear temos: S = posição linear → θ = coordenada angular. v = velocidade linear → ω = velocidade angular. at = aceleração tangencial → α = aceleração angular. Grandezas e equações cinemáticas escalares do sólido girante Equações cinemáticas para o Movimento Uniforme Movimento Uniforme Linear Movimento Uniforme Angular S = S0 + v.t θ = θ0 + ω.t v = constante ω = constante a = 0 α = 0 Grandezas e equações cinemáticas escalares do sólido girante Equações cinemáticas para o Movimento Uniformemente Variado Movimento Uniformemente Variado Linear Movimento Uniformemente Variado Angular S = S0 + v0.t + ½. a.t2 θ = θ0 + ω0.t + ½. α.t2 v = v0 + a.t ω = ω0 + α.t a = constante α = constante v2 = v0 2 + 2.a.ΔS Equação de Torricelli ω2 = ω0 2 + 2.α.Δθ Equação de Torricelli Corpos girantes sincronizados Quando dois corpos giram de forma sincronizada, ou seja, sem escorregamento, os pontos de contato possuem a mesma velocidade. Exemplo: engrenagens girando sincronizadas. vPA = vPB = vPC (9) Sabendo que a velocidade de um ponto girante é dada por: v = ω . R ωA.RA = ωB.RB = ωC.RC (10) Conclusão: Os corpos girantes de raios menores devem girar proporcionalmente mais rápido para acompanhar os de maior raio. Figura 17 Fonte: LAURICELLA,F. A., FILHO, BRITO, B. C., SEVEGNANI, F. X., FRUGOLI, P. A., FILHO, PEREIRA, R. G. Livro texto didático: Cinemática dos Sólidos. São Paulo: 2009.. Interatividade O sistema de pás do gerador eólico gira com uma frequência de 300 rpm constante. Sendo R = 7m e r = 3 m, quais são, respectivamente, a velocidade e aceleração do ponto A? a) 130,5 m/s e 3.500 m/s2 b) 95,9 m/s e 2.058,3 m/s2 c) 219,9 m/s e 6.901,7 m/s2 d) 120,3 m/s e 4.621,4 m/s2 e) 325,4 m/s e 8.578,5 m/s2 R f A B r Fonte: Livro-texto. Resposta O sistema de pás do gerador eólico gira com uma frequência de 300 rpm constante. Sendo R = 7m e r = 3 m, quais são, respectivamente, a velocidade e aceleração do ponto A? a) 130,5 m/s e 3.500 m/s2 b) 95,9 m/s e 2.058,3 m/s2 c) 219,9 m/s e 6.901,7 m/s2 d) 120,3 m/s e 4.621,4 m/s2 e) 325,4 m/s e 8.578,5 m/s2 R f A B r Fonte: Livro-texto. Resolução Partindo da frequência de rotação, calculamos a velocidade angular: Calculando a velocidade de um ponto girante, temos: Como a frequência de rotação é constante, a velocidade angular também será. Assim, a aceleração angular (α) é zero. Calculando a aceleração angular, temos: 2. .f 2. .300 radω= = =31,4 60 60 s π π mV=ω.R V=31,4.7=219,8 s 2 2 2 t n n na= a +a a= a =a 2 2 na =ω .R=219,8 .7 n 2 rada =6.901,74 s Movimento de rotação em torno de eixo fixo vetorial – Triedro de Frenet Os conceitos permanecem os mesmos da rotação em torno de eixo fixo escalar, adicionados os conceitos da Geometria Analítica. Para observação das grandezas cinemáticas vetoriais, utilizamos o triedro de Frenet. O triedro de Frenet é composto por três versores perpendiculares entre si que são: – versor tangente – possui direção tangente à trajetória circular; seu sentido é dos ângulos crescentes. – versor normal – possui direção radial, ou seja, normal (perpendicular) ao versor tangente; seu sentido é de quem aponta para o centro da trajetória. Movimento de rotação em torno de eixo fixo vetorial – Triedro de Frenet – versor binormal – possui direção binormal, ou seja, normal (perpendicular) ao versor tangente e normal (perpendicular) ao versor normal; seu sentido é concordante com a propriedade da base ou estabelecido pela regra da mão direita. O triedro de Frenet fica fixo ao ponto girante e acompanha este ponto durante o movimento circular Figura 18 O P b̂ τ̂n̂ P’ τ̂ b̂ n̂ P’’ b̂ n̂ τ̂ Fonte: Livro-texto. Grandezas cinemáticas vetoriais Vetor velocidade do ponto ( ). Sua direção é tangente à trajetória circular e seu sentido é dado pelo sentido de giro do sólido. Então: Vetor velocidade angular ( ). Sua direção é binormal e seu sentido é dado pela propriedade da base ou pela regra da mão direita. Então: Observação do vetor velocidade angular: Figura 19 Fonte: Livro-texto. Grandezas cinemáticas vetoriais O raio de giro do ponto (R) passa a ser as coordenadas do ponto P menos as coordenadas do ponto O. Então: R = (P – O) Desta forma, o vetor velocidade de um ponto P girante é dado pela equação: (11) A aceleração tangencial escalar (at) passa a ser o vetor aceleração tangencial do ponto de interesse P ( ). Sua direção é tangente à trajetória circular e seu sentido é dado pela condição de aceleração ou frenagem do sólido. Então: A aceleração angular (α) passa a ser o vetor aceleração angular ( ). Sua direção é binormal e seu sentido é dado pela condição de aceleração ou frenagem do sólido. Então: Grandezas cinemáticas vetoriais O vetor aceleração tangencial é então: (12) Observação dos vetores velocidade e aceleração angular. Figura 20 Fonte: Livro-texto. Grandezas cinemáticas vetoriais A aceleração normal de um ponto de forma escalar é dada por: A aceleração normal escalar (an) passa a ser o vetor aceleração normal do ponto de interesse P ( ). Sua direção é radial (normal ao vetor aceleração tangencial) e seu sentido aponta para o centro da trajetória circular. Então: O vetor aceleração normal é então: (13) A aceleração total de um ponto girante é dada pela soma vetorial das parcelas tangencial e centrípeta. Então: Assim, a equação da aceleração total na forma vetorial fica: (14) mas como temos: (15) Analogia das equações cinemáticas escalares e vetoriais na rotação em torno de eixo fixo Equação da velocidade de um ponto girante: v = ω . R → A equação da aceleração tangencial de um ponto: at = α . R → A equação da aceleração normal ou centrípeta de um ponto: an = ω2 . R → Interatividade O sistema ilustrado composto por placas gira em torno do eixo fixo AB. Imaginando um observador localizado em B, assinale a alternativa correta: a) O sólido gira no sentido anti-horário e está freando. b) O sólido gira no sentido horário e está freando. c) O sólido gira no sentido horário e está acelerando. d) O sólido gira no sentido anti-horário e está acelerando. e) O sólido gira no sentido horário em movimento uniforme. ω α Fonte: Adaptado de LAURICELLA, F. A., FILHO, BRITO, B. C., SEVEGNANI, F. X., FRUGOLI, P. A., FILHO, PEREIRA, R. G. Livro texto didático: Cinemática dos Sólidos. São Paulo: 2009. Resposta O sistema ilustrado composto por placas gira em torno do eixo fixo AB. Imaginando um observador localizado em B, assinale a alternativa correta: a) O sólido gira no sentido anti-horário e está freando. b) O sólido gira no sentido horário e está freando. c) O sólido gira no sentido horário e está acelerando. d) O sólido gira no sentido anti-horário e está acelerando. e) O sólido gira no sentido horário em movimento uniforme. ω α Fonte: Adaptado de LAURICELLA, F. A., FILHO, BRITO, B. C., SEVEGNANI, F. X., FRUGOLI, P. A., FILHO, PEREIRA, R. G. Livro texto didático: Cinemática dos Sólidos. São Paulo: 2009. Exemplo de aplicação – rotação em torno de eixo fixo escalar O rotor do motor elétrico ilustrado tem frequência de 1.800 rpm no instante em que é desligado. O rotor para após 70 segundos. Uma pedra de esmeril de raio R = 25 cm gira acoplada ao rotor. Sabendo que o movimento é uniformemente retardado, pedem-se: a) a aceleração angular do rotor; b) o número de voltas desenvolvidas até a parada do rotor; c) a velocidade de um ponto periférico da pedra de esmeril 20 segundos após o motor ser desligado. Figura 21 Fonte: Adaptado de LAURICELLA, F. A., FILHO, BRITO, B. C., SEVEGNANI, F. X., FRUGOLI, P. A., FILHO, PEREIRA, R. G. Livro texto didático: Cinemática dos Sólidos. São Paulo: 2009. Exemplo de aplicação – rotação em torno de eixo fixo escalar Interpretando o enunciado, obtemos as seguintes informações: O rotor de um motor elétrico tem frequência de 1.800 rpm no instante em que é desligado. Logo: f0 = 1800rpm. O rotor para após 70 segundos. Sabe-se que o movimento é uniformemente retardado. Logo, o rotor está freando em movimento uniformemente variado (M.U.V.) e ω = 0 após 70 segundos (parada). A frequência de rotação inicial de 1.800 rpm nos leva ao cálculo da velocidade angular inicial: Exemplo de aplicação – rotação em torno de eixo fixo escalar Construindo o esboço de um gráfico de modo a facilitar o entendimento, temos: a) α=? Dispomos de três equações para o MUV, que são: (1ª) (2ª) (3ª) O número de voltas (n→ Δθ) é incógnita e não será obtida neste primeiro equacionamento. Assim, para o cálculo de α só nos resta a segunda equação. a) Figura 22 Fonte: Livro-texto. Exemplo de aplicação – rotação em torno de eixo fixo escalar b) n=? O número devoltas não é obtido diretamente em uma equação cinemática. A incógnita passa a ser a variação de coordenada angular (Δθ). Substituindo os valores na 3ª eq. (Eq. de Torricelli), temos: Partindo da variação de coordenada angular, calculamos, então, o número de voltas. b) Exemplo de aplicação – rotação em torno de eixo fixo escalar c) vP=? para t = 20s Calculamos a velocidade angular do rotor para o instante 20 segundos. Calculamos, então, a velocidade do ponto P no instante 20 segundos. c) Exemplo de aplicação – rotação em torno de eixo fixo vetorial A figura ilustra uma estrutura composta por placas soldadas ao eixo fixo AB, que gira em torno deste, com velocidade angular ω = 5 rad/s, que cresce a taxa de 4 rad/s2. Quando observada do ponto B, a estrutura gira no sentido horário. Pedem-se: a) o vetor velocidade angular ( ); b) o vetor aceleração angular ( ); c) o vetor velocidade do ponto D ( ). Coordenadas dos pontos de interesse. A ( 0 ; 0,203 ; 0 ) m B ( 0 ; 0 ; 0,152 ) m D ( 0,178 ; 0 ; 0 ) m Figura 23 O Fonte: LAURICELLA, F. A., FILHO, BRITO, B. C., SEVEGNANI, F. X., FRUGOLI, P. A., FILHO, PEREIRA, R. G. Livro texto didático: Cinemática dos Sólidos. São Paulo: 2009. Exemplo de aplicação – rotação em torno de eixo fixo vetorial Observando o sentido de giro do sólido e desenhando os vetores velocidade angular e aceleração angular: o sentido de é dado pela regra da mão direita; o sentido de é dado pela observação da condição cinemática de aceleração ou frenagem. Neste caso, há aceleração. Figura 24 Figura 25 Fonte: Adaptado de LAURICELLA, F. A., FILHO, BRITO, B. C., SEVEGNANI, F. X., FRUGOLI, P. A., FILHO, PEREIRA, R. G. Livro texto didático: Cinemática dos Sólidos. São Paulo: 2009. Fonte: LAURICELLA, F. A., FILHO, BRITO, B. C., SEVEGNANI, F. X., FRUGOLI, P. A., FILHO, PEREIRA, R. G. Livro texto didático: Cinemática dos Sólidos. São Paulo: 2009. Exemplo de aplicação – rotação em torno de eixo fixo vetorial possui a direção do eixo de rotação e seu sentido é de B para A. Então, seu cálculo é definido por: a) Exemplo de aplicação – rotação em torno de eixo fixo vetorial possui a mesma direção e sentido do vetor velocidade angular. Logo: b) Exemplo de aplicação – rotação em torno de eixo fixo vetorial Para o cálculo de partimos da equação genérica da velocidade de um ponto girante onde O é qualquer ponto do eixo fixo de rotação. Assim: Escolhendo: Montando o determinante e resolvendo: c) Interatividade O sistema ilustrado é composto por uma placa de dimensões 0,20 x 0,40 m, soldada ao eixo fixo AB. No instante ilustrado, o sistema gira em torno do eixo fixo com velocidade angular constante de 15 rad/s. Quando observada do ponto B, a placa gira no sentido anti-horário. Para o instante ilustrado, calcular o vetor aceleração angular ( ) do sólido: a) - 5,72i + 2,86j - 2,86 k rad/s2 b) 5,72i - 2,86j + 2,86 k rad/s2 c) - 5,72i - 2,86j - 2,86 k rad/s2 d) - 5,72i + 2,86j + 2,86 k rad/s2 e) 0 rad/s2 Fonte: Adaptado de LAURICELLA, F. A., FILHO, BRITO, B. C., SEVEGNANI, F. X., FRUGOLI, P. A., FILHO, PEREIRA, R. G. Livro texto didático: Cinemática dos Sólidos. São Paulo: 2009. Resposta O sistema ilustrado é composto por uma placa de dimensões 0,20 x 0,40 m, soldada ao eixo fixo AB. No instante ilustrado, o sistema gira em torno do eixo fixo com velocidade angular constante de 15 rad/s. Quando observada do ponto B, a placa gira no sentido anti-horário. Para o instante ilustrado, calcular o vetor aceleração angular ( ) do sólido: a) - 5,72i + 2,86j - 2,86 k rad/s2 b) 5,72i - 2,86j + 2,86 k rad/s2 c) - 5,72i - 2,86j - 2,86 k rad/s2 d) - 5,72i + 2,86j + 2,86 k rad/s2 e) 0 rad/s2 Fonte: Adaptado de LAURICELLA, F. A., FILHO, BRITO, B. C., SEVEGNANI, F. X., FRUGOLI, P. A., FILHO, PEREIRA, R. G. Livro texto didático: Cinemática dos Sólidos. São Paulo: 2009. ATÉ A PRÓXIMA! Slide Number 1 A cinemática e o sólido A cinemática e o sólido Classificação dos movimentos Movimento de translação Movimento de translação Propriedades cinemáticas do movimento de translação Propriedades cinemáticas do movimento de translação Propriedades cinemáticas do movimento de translação Exemplo de movimento de translação Exemplo de movimento de não translação Interatividade Resposta Movimento de rotação em torno de eixo fixo escalar �Grandezas e equações cinemáticas escalares do sólido girante� �Grandezas e equações cinemáticas escalares do sólido girante� �Grandezas e equações cinemáticas escalares do sólido girante� � Exemplo de rotação em torno de eixo fixo� �Grandezas e equações cinemáticas escalares do sólido girante� �Grandezas e equações cinemáticas escalares do sólido girante� �Grandezas e equações cinemáticas escalares do sólido girante� � Corpos girantes sincronizados� Interatividade Resposta Resolução Movimento de rotação em torno de eixo fixo vetorial – �Triedro de Frenet Movimento de rotação em torno de eixo fixo vetorial – �Triedro de Frenet Grandezas cinemáticas vetoriais Grandezas cinemáticas vetoriais Grandezas cinemáticas vetoriais Grandezas cinemáticas vetoriais Analogia das equações cinemáticas escalares e vetoriais na rotação em torno de eixo fixo Interatividade Resposta Exemplo de aplicação – rotação em torno de eixo fixo escalar Exemplo de aplicação – rotação em torno de eixo fixo escalar Exemplo de aplicação – rotação em torno de eixo fixo escalar Exemplo de aplicação – rotação em torno de eixo fixo escalar Exemplo de aplicação – rotação em torno de eixo fixo escalar Exemplo de aplicação – rotação em torno de eixo fixo vetorial Exemplo de aplicação – rotação em torno de eixo fixo vetorial Exemplo de aplicação – rotação em torno de eixo fixo vetorial Exemplo de aplicação – rotação em torno de eixo fixo vetorial Exemplo de aplicação – rotação em torno de eixo fixo vetorial Interatividade Resposta Slide Number 47