FIS-26 — Prova 02 — Abril/2013 Nome: Turma: ——————————————————————————— Duração máxima da prova: 100 min. Responda às questões de forma clara, completa e concisa. Uma parte da pontuação de cada questão será atribuı́da para o resultado final, e, quando for o caso, para a(s) unidade(s) e para os algarismos significativos. Soluções criativas e inteligentes receberão uma pontuação extra (por este mérito). Questões com erros graves e/ou erros conceituais serão penalizadas com mais severidade. Você poderá consultar: • uma folha de anotações pessoais (tamanho A4, escrita somente em um dos lados do papel), a qual deverá ser entregue junto com a prova; • qualquer livro (em papel, sem ser fotocopiado) previsto no Plano de Curso; • as folhas de momento de inércia disponibilizadas na página do professor. O uso de calculadora está permitido, mas não o seu empréstimo. 1. (23 pontos) O diagrama esquemático de um canhão de grande porte é mostrado na Figura seguinte. Quando a arma é disparada, gases sob alta pressão aceleram o projétil no interior do cano até uma velocidade muito alta. A força de reação empurra o cano do canhão no sentido contrário ao do projétil. Visto que é desejável que o canhão volte à posição de repouso no menor tempo sem oscilação, ele é forçado a fazer uma translação para trás contra um sistema mola-amortecedor criticamente amortecido denominado mecanismo de recuo. Em um caso particular, o cano do canhão e o mecanismo de recuo têm uma massa de 500 kg com uma mola de recuo de rigidez 10000 N/m. O recuo (máximo) do canhão após um disparo é de 400 mm. Determine: (a) (4 pontos) a frequência natural ωn (não amortecida) do sistema. (b) (4 pontos) o coeficiente de amortecimento c do amortecedor. (c) (10 pontos) a velocidade inicial v0 de recuo do canhão. Dica: note que o canhão (em t = 0) tem velocidade v0 , mas a mola do mecanismo de recuo tem deformação nula x0 = 0. (d) (5 pontos) o tempo t que leva para o canhão retornar até uma posição de 100 mm de sua posição inicial (depois que ele atingiu a posição de máximo recuo). Considere que o disparo do canhão ocorreu em t = 0. Você deverá cair numa equação transcendental para determinar t. Pede-se que você obtenha a resposta com apenas uma casa decimal de precisão, sabendo que 0,5 s < t < 1,0 s. 1 2. (32 pontos) (a) (10 pontos) Dê respostas breves para as seguintes questões i. (4 pontos) Dê dois exemplos de maus e dois de bons efeitos da vibração. Dê exemplos de casos reais de Engenharia. ii. (2 pontos) A frequência de uma vibração livre amortecida é menor ou maior que a frequência natural do sistema? Explique, de forma qualitativa (sem recorrer à expressão matemática), por que isto acontece. iii. (4 pontos) Em diversos problemas de Engenharia, o amortecimento (quando pequeno) é considerado apenas na vizinhança da ressonância. Por quê? (b) (14 pontos/ 2 pontos cada palavra) Complete os espaços em branco com a palavra adequada (cada espaço admite uma única palavra). i. Sistemas fı́sicos sofrem oscilações perigosamente grandes a ii. Vibração não amortecida é caracterizada por nenhuma perda de iii. Se um sistema vibrar devido apenas a uma perturbação inicial, temos uma vibração iv. Se um sistema vibrar devido a uma excitação externa, temos uma vibração v. Na vibração livre de um sistema não amortecido ocorre uma permuta entre energias e vi. O centro de pode ser usado de forma vantajosa em um taco de beisebol. (c) (8 pontos/ 2 pontos cada) Analise as seguintes afirmações, assinalando V se a afirmação for verdadeira, ou F se for falsa. (a) ( (b) ( (c) ( (d) ( ) Um movimento harmônico é um movimento periódico. ) Um movimento periódico é um movimento harmônico. ) A frequência de vibração de um sistema fı́sico depende do sistema de coordenadas utilizado. ) As coordenadas normais evitam o acoplamento dinâmico dos graus de liberdade de um sistema. 2 3. (25 pontos) A caixa d’água mostrada na Figura a seguir é sustentada por uma coluna de altura l feita de concreto reforçado. A massa de água que cabe na parte superior da caixa d’água, quando esta está cheia, é igual a M (nesta massa já estamos incluindo a massa da parte superior da caixa d’água também). Considere que a parte superior da caixa d’água (cheia) pode ser modelada por uma massa pontual M , e que a coluna pode ser modelada por um barra elástica unidimensional cuja massa m está uniformemente distribuı́da ao longo da altura l. Esta coluna quando sofre um esforço P na direção transversal à sua altura exibe uma deformação elástica (na direção do esforço aplicado) (3x2 l − x3 ), onde ymax = P/k, sendo que pode ser caracterizada pela função matemática y(x) = ymax 2l3 k uma “espécie de constante elástica de mola” (por curiosidade, k = 3EI/l3 , onde E é o módulo de Young do concreto e I é o momento de inércia de área da seção transversal da coluna). Nos itens (a) e (b) que se seguem, ignore o efeito da massa M . (a) (15 pontos) Suponha que a coluna é posta para oscilar sob a ação de uma força P periódica, de forma que a sua extremidade superior oscila com velocidade v(t) = dy(l) = vmax sin(ωt). Com dt isto, a coluna (em toda a sua extensão) adquire uma energia cinética que varia (periodicamente) com o passar do tempo entre 0 e Tmax . Encontre uma expressão para a energia cinética média Tmed da coluna de massa m. Dê sua resposta em função de m e vmax . OBS.: o valor médio hf i de uma função periódica f (t) com perı́odo p é dada por: Z 1 t0 +p f (t)dt, hf i = p t0 onde t0 é um valor convenientemente escolhido (o valor médio independe de t0 ). (b) (5 pontos) Encontre meq a massa puntiforme “equivalente” à coluna, isto é, uma massa meq que, posta para oscilar na posição y = l com velocidade v(t) = dy(l) = vmax sin(ωt), teria a dt mesma energia cinética da coluna inteira. Escreva sua resposta da forma meq = f m, onde f é uma fração irredutı́vel (uma razão entre dois números inteiros simplificada ao máximo). (c) (5 pontos) Obtenha a frequência angular ω0 de oscilação do sistema coluna mais caixa d’água. Dê sua resposta em função de M , m e k. OBS.: Se você não tiver conseguido fazer o item (b), você pode tentar resolver este problema; neste caso, deixe sua resposta em função de f (você poderá receber uma pontuação parcial, se fizer isto). Dica: Para o cálculo da frequência angular de oscilação, o efeito da gravidade pode ser ignorado. 3 4. (20 pontos) Uma das rodas e feixe de molas de um automóvel que trafega por uma estrada acidentada são mostrados na Figura seguinte (esquerda). Por amor à simplicidade, podemos supor que todas as rodas são idênticas e o sistema (automóvel) idealizado possa ser representado como na Figura do meio, ou ainda, para facilitar nosso trabalho, como na Figura da direita. O automóvel tem massa m1 = 1000 kg, e o feixe de molas tem uma rigidez total de k1 = 400 kN/m. As rodas e os eixos têm uma massa de m2 = 300 kg, e a rigidez dos pneus é k2 = 500 N/m. (a) (15 pontos) Obtenhas as frequências naturais de oscilação do automóvel. Considere, para tanto, que o automóvel não está trafegando na pista acidentada e ignore o efeito da gravidade. (b) (5 pontos) Modele as oscilações da estrada acidentada através de uma função senoidal y(x) = Y sin(2πx/L), onde Y = 100 mm e L = 6,00 m. Obtenha (em km/h) as velocidades crı́ticas do automóvel (que irão acarretar ressonância). Você pode continuar ignorando o efeito da gravidade. 4