MECÂNICA Cinemática do Pedal Condições: β’ Movimento de rotação uniforme da roda; β’ Rolamento sem deslizamento. Nomenclatura: π β vetor velocidade angular (rad/s) π β vetor posição do eixo do pedal em relação ao centro da roda (m) π! β vetor posição absoluta do eixo do pedal (m) π£!" β vetor velocidade do pedal em relação ao centro da roda (m/s) π£! β vetor velocidade absoluta do centro da roda (m/s) π£! β vetor velocidade absoluta do eixo do pedal (m/s) π β ângulo medido do semieixo negativo dos yy até à haste do pedal, no sentido horário (rad) π β Raio da roda (m) π β comprimento da haste, distância do centro da roda ao eixo do pedal (m) Introdução Irá analisar-se o movimento do eixo do pedal, representado pelo ponto P da figura 1, considerando o conjunto roda, haste e eixo do pedal solidamente ligados (corpo rígido) e o movimento de rolamento da roda sem escorregamento e com rotação uniforme sobre um plano horizontal. Figura 1 - Representação simplificada do conjunto roda/pedal © Paulo Ribeiro mecânica β’ cinemática do pedal [email protected] 1/4 Sendo π a velocidade angular de rotação da roda constante e não havendo deslizamento da mesma conclui-se que a velocidade do seu centro é retilínea e uniforme, vindo: π£! = ππ π€ pois, ao fim de um intervalo de tempo βπ‘ a roda terá rodado um angulo βπ = πβπ‘ tendo percorrido uma distância horizontal igual ao respetivo comprimento de arco de circunferência, βπ₯ = βπ = π βπ. Assim: π£! = βπ₯ βπ π βπ π πβπ‘ = = = = ππ βπ‘ βπ‘ βπ‘ βπ‘ A posição do eixo do pedal em relação ao centro da roda, π, dependerá da posição angular π, medida a partir do semieixo negativo das ordenadas e no sentido horário, conforme representado na figura 1. Sendo o movimento circular e assumindo, por simplicidade, a posição inicial do pedal no ponto mais baixo, teremos π! = 0, donde: π = ππ‘ deste modo, a posição relativa do pedal em função do tempo será (ver fig. 1): π = ππ = βπ sin π π€ β π cos π π₯ βΊ π = βπ sin ππ‘ π€ β π cos ππ‘ π₯ Considere-se que no instante inicial a posição do eixo do pedal, ponto P, é a indicada na figura 2, em conformidade com a escolha efetuada no parágrafo anterior. No referencial cartesiano da figura 2 (referencial fixo) destacam-se as seguintes grandezas: -β vetor velocidade angular: π = βππ -β vetor posição inicial do pedal (em relação ao referencial fixo): π! 0 = (π β π)π₯ -β vetor velocidade absoluta do centro da roda: π£! = ππ π€ Figura 2 β Duas fases do movimento © Paulo Ribeiro mecânica β’ cinemática do pedal [email protected] 2/4 Análise Cinemática Velocidade De acordo com a lei da adição das velocidades de Galileu, a velocidade absoluta (em relação ao referencial inercial da figura 2) do eixo do pedal (ponto P) será dada por: π£! = π£! + π£!" = = π£! + π×π = = ππ π€ + βππ × βπ sin ππ‘ π€ β π cos ππ‘ π₯ = = ππ π€ + ππ sin ππ‘ π×π€ + ππ cos ππ‘ = ππ π€ + ππ sin ππ‘ π₯ + ππ cos ππ‘ π×π₯ = βπ€ = = ππ β ππ cos ππ‘ π€ + ππ sin ππ‘ π₯ portanto: π£! (π‘) = π π β π cos ππ‘ π€ + ππ sin ππ‘ π₯ donde se conclui que em momento algum a velocidade se anula. Em particular, a velocidade inicial é: π£! 0 = π π β π π€ Aceleração Derivando a velocidade do pedal em ordem ao tempo encontramos a aceleração do mesmo: π! = π π π β π cos ππ‘ π€ + ππ sin ππ‘ π₯ = ππ‘ = π ! π sin ππ‘ π€ + π ! π cos ππ‘ π₯ isto é: π! = π ! π sin ππ‘ π€ + π ! π cos ππ‘ π₯ donde se conclui que a aceleração é constante em módulo, igual à mesma que teria se a roda tivesse apenas rotação, sem translação uniforme: π! = π ! π sin ππ‘ ! + π ! π cos ππ‘ ! = π! π note-se, no entanto, que a aceleração tem componentes normal e tangencial à trajetória, exceto nos pontos mais baixo e mais alto onde tem apenas componente instantânea normal (ver animação). © Paulo Ribeiro mecânica β’ cinemática do pedal [email protected] 3/4 Posição Integrando a velocidade do pedal encontramos a respetiva lei do movimento: !! ! !! ! ! ππ! = ! π! π‘ β π! 0 = π£! π‘ ππ‘ βΊ ! ππ β ππ cos ππ‘ π€ + ππ sin ππ‘ π₯ ππ‘ βΊ ! π! π‘ β π β π π₯ = ππ π‘ β π sin ππ‘ π€ β π cos ππ‘ π₯ + ππ₯ βΊ π! π‘ = ππ π‘ β π sin ππ‘ π€ β π cos ππ‘ π₯ + ππ₯ + π β π π₯ donde: π! π‘ = ππ π‘ β π sin ππ‘ π€ + π β π cos ππ‘ π₯ ou, expressa em equações paramétricas: π₯ π‘ = ππ π‘ β π sin ππ‘ , π‘β₯0 π¦ π‘ = π β π cos ππ‘ A trajetória resultante é a bem conhecida cicloide encurtada, da família das cicloides. Uma forma prática de visualizar uma curva cicloide é fazer uma fotografia de longa exposição de modo a observar o βrasto luminosoβ deixado por um ponto de luz (uma lâmpada LED, por exemplo) colocado na roda de uma bicicleta em movimento. Exemplo Sem perda de generalidade, considere-se o exemplo seguinte π₯ π‘ = π‘ β 0,4 sin π‘ π = 1 , π = 0,4 βΉ π¦ π‘ = 1 β 0,4 cos π‘ π = 1 π‘β₯0 cuja simulação, desenvolvida na aplicação Graphing Calculator 4.0 da Pacific Tech ©, se apresenta em anexo, estando representados em cada instante os vetores velocidade, a azul, e aceleração, a vermelho. Imagem da animação (anexo) da trajetória do pedal © Paulo Ribeiro mecânica β’ cinemática do pedal [email protected] 4/4