Faculdade de Arquitectura da Universidade Técnica de Lisboa ESTÁTICA Forças e Equilibrio Ano Lectivo 2009-2010 Mónica Cruz ESTÁTICA – Forças e Equilíbrio 3. Resultante de um Sistema de Forças Concorrentes Duas forças F1 e F2 concorrentes num ponto, podem ser substituídas por uma única força R que tenha o mesmo efeito sobre esse ponto. A força R é designada por Resultante e obtémse somando as forças F1 e F2. x F1 O R F2 y ESTÁTICA – Forças e Equilíbrio 3.1 Lei do Paralelogramo Lei do Paralelogramo A resultante de duas forças complanares não paralelas é dada pela diagonal do paralelogramo cujos lados são iguais às forças dadas. x A F1 O R F2 y C B ESTÁTICA – Forças e Equilíbrio Analiticamente a adição das forças F1 e F2 faz-se recorrendo ao cálculo vectorial: (1) F1 F2 R Considerando o referencial ortonormado xy representado na Figura onde o eixo x é paralelo à direcção da força F1 tem-se: F1 O F2 Sendo o eixo x paralelo a F1 tem-se: (3) F1X F1 F1y 0 R F1x F2 x R x F1y F2y R y A ( 2 ) x y C B ESTÁTICA – Forças e Equilíbrio Substituindo ( 3 ) em ( 2 ) obtém-se: A F1 (na direcção y) O F2 Elevando ao quadrado os dois membros das equações ( 4 ): F12 F22 cos2 2F1F2 cos R 2 cos2 R F2 sen Rsen (na direcção x) F1 F2 cos R cos (4) x C y F22 sen2 R 2 sen2 Adicionando ordenadamente as equações anteriores tem-se: F12 F22 cos2 F22 sen2 2F1F2 cos R 2 cos2 + R 2 sen2 Simplificando: (5) F12 F22 2F1F2 cos R 2 B ESTÁTICA – Forças e Equilíbrio Considere-se agora o triângulo OAB cujos lados OA e AB são conhecidos. Aplicando o Teorema dos Cosenos para a determinação do lado OB obtém-se: 2 2 2 ( 6 ) OB OA AB 2OAAB cos(180 ) cos(180 ) cos Como x A a equação ( 6 ) pode simplificar-se: 2 ( 7 ) OB OA AB 2OAAB cos O Ora sendo, OB R F2 OA F1 AB F2 R B 2 2 F1 C y a equação ( 7 ) pode reescrever-se na seguinte forma: (8) R 2 F12 F22 2F1F2 cos Logo pode concluir-se da igualdade das equações ( 5 ) e ( 8 ) que a diagonal do paralelogramo desenhado com as forças nos lados adjacentes é a resultante dessas forças em intensidade, direcção e sentido. ESTÁTICA – Forças e Equilíbrio 3.2 Triângulo de Forças Princípio do Triângulo de Forças Desenhando duas forças complanares de forma sequencial, isto é, fazendo coincidir o final da primeira força com o início da segunda, o vector que une as extremidades livres das forças representa a resultante. x x A A F1 F1 O R B O F2 C C y y A F2 F1 O R F2 R B B ESTÁTICA – Forças e Equilíbrio 3.3 Polígono de Forças O Principio do Triângulo de Forças pode ser generalizado para qualquer número de forças concorrentes num ponto, passando a designar-se Polígono de Forças, já que a figura geométrica que se obtém não é um triângulo mas sim um polígono. O Triângulo de Forças não é mais que um caso particular do Polígono de Forças quando se pretende calcular a resultante de duas forças concorrentes. F1 Fn O F2 F3 F4 R F1 F1 F2 ESTÁTICA – Forças e Equilíbrio F1 Fn R12 O O F2 R123 F3 R1234 F4 R R1...n Quando se pretende calcular a resultante não de duas mas de n forças a) concorrentes num ponto, recorrendo à regra do paralelogramo, teria que se desenhar n-1 paralelogramos que correspondem ao cálculo de n-1 resultantes, n-2 são resultantes parciais e só a que se obtém no último paralelogramo corresponde ao pretendido, ou seja, à resultante do sistema de forças. ESTÁTICA – Forças e Equilíbrio F2 F1 O R12 F3 R123 R123 R1234 F4 R1...n R Fn Com o Método do Polígono de Forças, as forças são desenhadas sequencialmente, ou b) utilizando uma expressão anglo-saxónica “head to tail”, e a resultante do sistema de forças obtém-se desenhando a linha que une a extremidade inicial da primeira força à extremidade final da última força. Com este método obtém-se o resultado pretendido sem necessidade do cálculo de resultantes parciais. ESTÁTICA – Forças e Equilíbrio F1 Fn O F2 F3 F4 Plano das Acções – Regra do Paralelogramo Plano das Forças – Polígono de Forças R Fn R12 O R12 O F2 R R1234 F3 R123 R123 F3 F4 F2 F1 F1 R1234 F4 R1...n R1...n R Fn ESTÁTICA – Forças e Equilíbrio Exercício de Aplicação Calcule a resultante do sistema de forças representado na figura: a) No plano das acções – Paralelogramo de Forças b) No plano das forças – Polígono de Forças F2 F1 45º 30º 30º F3 F1=4.5kN F2=5.0kN F3=3.0kN ESTÁTICA – Forças e Equilíbrio Resolução do Exercício - Paralelogramo de Forças R1-2 F2 F1 30º F1=4.5kN F2=5.0kN F3=3.0kN 45º 30º F3 ESTÁTICA – Forças e Equilíbrio Resolução do Exercício - Paralelogramo de Forças R1-2 R1-2-3 F1 30º F1=4.5kN F2=5.0kN F3=3.0kN 45º 30º F3 F2 ESTÁTICA – Forças e Equilíbrio Resolução do Exercício - Polígono de Forças R1-2-3 R1-2 F3 F2 R1-2 F2 F1 30º R1-2-3 45º 30º F3 F1