Programa
Princı́pios Gerais
MECÂNICA - MAC010 Profa Michèle Farage
14 de março de 2011
Profa Michèle Farage: MECÂNICA - MAC010 -
01
Forças, vetores e operações vetoriais
01
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Princı́pios Gerais
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Princı́pios Gerais
Forças, vetores e operações vetoriais
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Forças, vetores e operações vetoriais
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Princı́pios Gerais
Forças, vetores e operações vetoriais
Programa
I
I
I
1. Introdução: conceitos e definições básicos da
Mecânica, sistemas de unidades, homogeneidade de
unidades.
2. Forças e grandezas vetoriais: escalares e vetores,
operações vetoriais, adição de forças vetoriais, adição de
sistemas de forças coplanares, vetores cartesianos, adição
e subtração de vetores cartesianos, vetores posição, vetor
força orientado ao longo de uma reta, produto escalar,
3. Equilı́brio de um ponto material: condição de
equilı́brio, diagrama de corpo livre, sistemas de forças
coplanares, sistema de forças tridimensional;
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Forças, vetores e operações vetoriais
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I
I
4. Resultantes de sistemas de forças : momento
(formulações escalar e vetorial), princı́pios dos momentos,
momento de uma força em relação a um eixo, momento
de um binário, sistemas equivalentes, resultantes de
sistemas de forças e momentos, reduções de sistemas de
forças e momentos, redução de sistemas de cargas
distribuı́das;
5. Equilı́brio de um corpo rı́gido : condições de equilı́brio,
diagramas de corpo livre, equações de equilı́brio, equilı́brio
em 3 dimensões, restrições para o corpo rı́gido.
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Forças, vetores e operações vetoriais
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I
I
I
I
6. Treliças : treliças planas, método dos nós, método das
seções, treliças espaciais.
7. Esforços internos : definição de esforços internos,
esforços cortante, normal, momento fletor e momento
torsor, cálculo de esforços internos em seções de barras.
8. Centro de gravidade e centróide : centro de gravidade
de um sistema de pontos materiais, centro de gravidade e
centróide de um corpo, corpos compostos;
9. Momentos de inércia : definição de momento de
inércia de áreas, raio de giração, cálculo por integração,
teorema dos eixos paralelos, momentos de inércia de áreas
compostas, produto de inércia, momentos de inércia em
relação a eixos inclinados, momentos principais de inércia
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Forças, vetores e operações vetoriais
Bibliografia
I
I
I
I
Livro-texto: Estática: mecânica para engenharia, R. C.
Hibbeler, Ed. Pearson, 10a edição.
Estática, A. P. Boresi e R. . Schimidt, Ed. Thomson.
Mecânica vetorial para engenheiros - estática, F. Beer e
E. R. Johnston, Ed. McGraw-Hill.
Estática, J. L. Meriam e L. G. Kraige , Ed. LTC.
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Avaliações
As avaliações consistem em provas.
Datas das provas:
I
Prova 01 − dia 14/04/2011 − até o item 4
I
Prova 02 − dia 24/05/2011 − até o item 7
I
Prova 03 − dia 30/06/2011 − até o item 9
Nota final = média das 3 notas.
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Forças, vetores e operações vetoriais
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Forças, vetores e operações vetoriais
Atendimento extra-classe
I
I
I
I
e-mail: [email protected]
sala: Departamento de Mecânica Aplicada e
Computacional (MAC), − Faculdade de Engenharia
Telefone: 2102-3470
Horários de atendimento: terça e quinta-feira, de 14h00 às
16h00
I
Local: MAC
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Forças, vetores e operações vetoriais
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Forças, vetores e operações vetoriais
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Forças, vetores e operações vetoriais
Definição de Mecânica
Mecânica é o ramo das ciências fı́sicas que trata do estado de
repouso ou movimento de corpos sujeitos à ação de forças,
sendo subdividida em:
I Mecânica dos corpos rı́gidos;
I Mecânica dos corpos deformáveis e
I Mecânica dos fluidos.
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Forças, vetores e operações vetoriais
Definição de Mecânica
Mecânica é o ramo das ciências fı́sicas que trata do estado de
repouso ou movimento de corpos sujeitos à ação de forças,
sendo subdividida em:
I Mecânica dos corpos rı́gidos → Estática e Dinâmica
I Mecânica dos corpos deformáveis e
I Mecânica dos fluidos.
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Definição de Estática
A Estática trata do equilı́brio dos corpos.
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Forças, vetores e operações vetoriais
Definição de Estática
A Estática trata do equilı́brio dos corpos.
Um corpo em equilı́brio encontra-se em repouso ou em
movimento retilı́nio uniforme.
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Forças, vetores e operações vetoriais
Desenvolvimento histórico da Mecânica
O desenvolvimento dos princı́pios da Estática começou há
milhares de anos.
I
Os primeiros registros relativos ao estudo da Estática
datam do século IV a.C, sendo atribuı́dos a Aristóteles;
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Forças, vetores e operações vetoriais
Desenvolvimento histórico da Mecânica
O desenvolvimento dos princı́pios da Estática começou há
milhares de anos.
I
I
Os primeiros registros relativos ao estudo da Estática
datam do século IV a.C, sendo atribuı́dos a Aristóteles;
Arquimedes (287-212 a.C) postulou o Princı́pio da
Alavanca e estudos sobre polias, torção, entre outros;
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Forças, vetores e operações vetoriais
Desenvolvimento histórico da Mecânica
O desenvolvimento dos princı́pios da Estática começou há
milhares de anos.
I
I
I
Os primeiros registros relativos ao estudo da Estática
datam do século IV a.C, sendo atribuı́dos a Aristóteles;
Arquimedes (287-212 a.C) postulou o Princı́pio da
Alavanca e estudos sobre polias, torção, entre outros;
Galileu Galilei (1564-1642) foi um dos primeiros a realizar
experimentos relacionados à dinâmica (pêndulos e objetos
em queda livre);
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Forças, vetores e operações vetoriais
Desenvolvimento histórico da Mecânica
O desenvolvimento dos princı́pios da Estática começou há
milhares de anos.
I
I
I
I
Os primeiros registros relativos ao estudo da Estática
datam do século IV a.C, sendo atribuı́dos a Aristóteles;
Arquimedes (287-212 a.C) postulou o Princı́pio da
Alavanca e estudos sobre polias, torção, entre outros;
Galileu Galilei (1564-1642) foi um dos primeiros a realizar
experimentos relacionados à dinâmica (pêndulos e objetos
em queda livre);
Isaac Newton (1642-1727) estabeleceu as 3 Leis
Fundamentais do Movimento e a Lei da Gravitação
Universal.
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Forças, vetores e operações vetoriais
O que pode ocorrer se a Mecânica não for aplicada corretamente?
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Forças, vetores e operações vetoriais
O que pode ocorrer se a Mecânica não for aplicada corretamente?
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Forças, vetores e operações vetoriais
O que pode ocorrer se a Mecânica não for aplicada corretamente?
Desmoronamento de ponte no Mississipi (2007): 9 mortos e
mais de 30 feridos
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Forças, vetores e operações vetoriais
O que pode ocorrer se a Mecânica não for aplicada corretamente?
Desmoronamento de túnel em São Paulo (2007): 7 mortos, 212
desabrigados
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Forças, vetores e operações vetoriais
O que pode ocorrer se a Mecânica não for aplicada corretamente?
Desmoronamento da cobertura da Igreja Renascer em São Paulo
(2009): 9 mortos e mais de 100 feridos
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Forças, vetores e operações vetoriais
O que pode ocorrer se a Mecânica não for aplicada corretamente?
Acidente ambiental
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Forças, vetores e operações vetoriais
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Forças, vetores e operações vetoriais
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Conceitos fundamentais
I
I
I
Grandezas básicas
Idealizações
Leis de Newton
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Forças, vetores e operações vetoriais
Grandezas básicas
As quatro grandezas fı́sicas fundamentais são:
I comprimento - descreve posição e dimensões de um corpo
no espaço;
I massa - caracteriza um corpo e o compara com outro
corpo;
I tempo - sucessão de eventos;
I força - ação de um corpo sobre outro.
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Forças, vetores e operações vetoriais
Idealizações
Idealizações são formas simplificadas de representar fenômenos
e entes fı́sicos.
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Forças, vetores e operações vetoriais
Idealizações
Idealizações são formas simplificadas de representar fenômenos
e entes fı́sicos.
Idealizações comumente empregadas na Mecânica
I partı́cula ou ponto material;
I corpo rı́gido;
I força concentrada.
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Forças, vetores e operações vetoriais
Idealizações
Idealizações são formas simplificadas de representar fenômenos
e entes fı́sicos.
Idealizações comumente empregadas na Mecânica
I partı́cula ou ponto material;
I corpo rı́gido;
I força concentrada.
Exemplo: Para simular a trajetória de uma bola de tênis, que
simplificações podem ser adotadas sem prejuı́zo da
representação fı́sica?
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Forças, vetores e operações vetoriais
Idealizações
Idealizações são formas simplificadas de representar fenômenos
e entes fı́sicos.
Exemplo: Como representar o processo de contaminação do
solo provocada por um derramamento de óleo?
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Forças, vetores e operações vetoriais
Leis do Movimento de Newton
Primeira Lei: Um ponto material inicialmente em
repouso ou movendo-se em linha reta e
velocidade constante permanece nesse estado
desde que não seja submetido a uma força.
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Princı́pios Gerais
Forças, vetores e operações vetoriais
Leis do Movimento de Newton
Primeira Lei: Um ponto material inicialmente em
repouso ou movendo-se em linha reta e
velocidade constante permanece nesse estado
desde que não seja submetido a uma força.
Segunda Lei: Um corpo de massa m sob a ação
de uma força F sofre uma aceleração a de mesma
direção e sentido de F, que é descrita pela
relação:
F=ma
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Forças, vetores e operações vetoriais
Leis do Movimento de Newton
Primeira Lei: Um ponto material inicialmente em
repouso ou movendo-se em linha reta e
velocidade constante permanece nesse estado
desde que não seja submetido a uma força.
Segunda Lei: Um corpo de massa m sob a ação
de uma força F sofre uma aceleração a de mesma
direção e sentido de F, que é descrita pela
relação:
F=ma
Terceira Lei: A toda ação corresponde uma
reação de mesma intensidade e direção e de
sentido contrário.
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Forças, vetores e operações vetoriais
Leis de Newton
Lei da Gravitação: governa a atração entre dois
corpos de massa m1 e m2 :
m1 m2
F=G 2
r
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Forças, vetores e operações vetoriais
Leis de Newton
Lei da Gravitação: governa a atração entre dois
corpos de massa m1 e m2 :
m1 m2
F=G 2
r
Peso: força de atração exercida pela Terra
mM
W=G 2
r
W=mg
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Forças, vetores e operações vetoriais
Leis de Newton
Lei da Gravitação: governa a atração entre dois
corpos de massa m1 e m2 :
m1 m2
F=G 2
r
Peso: força de atração exercida pela Terra
mM
W=G 2
r
W=mg
Questão: A aceleração da gravidade é um valor constante?
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Forças, vetores e operações vetoriais
Unidades de Medida
As grandezas básicas da fı́sica são relacionadas pela Segunda
Lei de Newton: F = ma
Sistema Internacional de Unidades (SI):
I comprimento -m
kg .m
I tempo - s
→ força - N = 2
s
I massa - kg
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Forças, vetores e operações vetoriais
Unidades de Medida
As grandezas básicas da fı́sica são relacionadas pela Segunda
Lei de Newton: F = ma
Sistema Internacional de Unidades (SI):
I comprimento -m
kg .m
I tempo - s
→ força - N = 2
s
I massa - kg
Nos EUA, o sistema inglês ainda é o mais empregado:
I comprimento -pé → 1 pé = 0,3048m
I tempo - s
I força - lb → 1 lb = 4,4482N
I massa - slug → 1 slug = 14,5938kg
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Forças, vetores e operações vetoriais
Operações numéricas
I
Homogeneidade dimensional:
As relações fı́sicas observadas na Natureza independem
das unidades adotadas para representação das grandezas
envolvidas.
at 2
s = so + vo t +
2
−1
[L] = [L] + [LT ][T ] + [LT −2 ][T 2 ]
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Forças, vetores e operações vetoriais
Operações numéricas
I
Homogeneidade dimensional:
As relações fı́sicas observadas na Natureza independem
das unidades adotadas para representação das grandezas
envolvidas.
at 2
s = so + vo t +
2
−1
[L] = [L] + [LT ][T ] + [LT −2 ][T 2 ]
I
Representação numérica: quantidade de algarismos
significativos
Arredondamentos
I
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Forças, vetores e operações vetoriais
Problemas
1. Albert Einstein, em sua Teoria da Relatividade, relacionou a
massa m de uma partı́cula a sua velocidade v pela fórmula
m = mo (1 − v 2 /c 2 )−1/2 , onde c = 3.108 m/s é a velocidade da
luz e mo é a massa da partı́cula em repouso.
1. Qual é a porcentagem de variação da massa de uma
partı́cula em relação a sua massa em repouso se a
velocidade for: (i) 3.104 m/s, (ii) 3.106 m/s, (i)
3.107 m/s?
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Forças, vetores e operações vetoriais
Problemas
1. Albert Einstein, em sua Teoria da Relatividade, relacionou a
massa m de uma partı́cula a sua velocidade v pela fórmula
m = mo (1 − v 2 /c 2 )−1/2 , onde c = 3.108 m/s é a velocidade da
luz e mo é a massa da partı́cula em repouso.
1. Qual é a porcentagem de variação da massa de uma
partı́cula em relação a sua massa em repouso se a
velocidade for: (i) 3.104 m/s, (ii) 3.106 m/s, (i)
3.107 m/s?
2. O que você acha da validade de se usar a Mecânica
Newtoniana para corpos de dimensões comuns que viajam
a velocidades comuns?
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Forças, vetores e operações vetoriais
Problemas
1. Albert Einstein, em sua Teoria da Relatividade, relacionou a
massa m de uma partı́cula a sua velocidade v pela fórmula
m = mo (1 − v 2 /c 2 )−1/2 , onde c = 3.108 m/s é a velocidade da
luz e mo é a massa da partı́cula em repouso.
1. Qual é a porcentagem de variação da massa de uma
partı́cula em relação a sua massa em repouso se a
velocidade for: (i) 3.104 m/s, (ii) 3.106 m/s, (i)
3.107 m/s?
2. O que você acha da validade de se usar a Mecânica
Newtoniana para corpos de dimensões comuns que viajam
a velocidades comuns?
3. O que a teoria de Einstein diria da massa de uma
partı́cula que pudesse viajar à velocidade da luz?
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Forças, vetores e operações vetoriais
Problemas
2. Em um experimento para determinar a aceleração de uma
partı́cula, um estudante registra as componentes (x, y , z) da
força F que atua sobre a partı́cula e as componentes (x, y , z)
da aceleração a. As medidas são: (8, 10, 30) para F (em N) e
(2, 5, 3, 125, 10) para a (em m/s2 ).
a) Qual é a sua opinião sobre a qualidade destes dados?
Justificar a resposta.
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Forças, vetores e operações vetoriais
Problemas
2. Em um experimento para determinar a aceleração de uma
partı́cula, um estudante registra as componentes (x, y , z) da
força F que atua sobre a partı́cula e as componentes (x, y , z)
da aceleração a. As medidas são: (8, 10, 30) para F (em N) e
(2, 5, 3, 125, 10) para a (em m/s2 ).
a) Qual é a sua opinião sobre a qualidade destes dados?
Justificar a resposta.
b) O estudante verificou que o acelerômetro é preciso e que a
componente z da força F está correta. Quais são os valores
corretos das demais componentes de F?
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Forças, vetores e operações vetoriais
Problemas
3. Uma viga engastada de comprimento L é submetida a uma
força F na sua extremidade livre. A deflexão d do eixo da viga
a uma distância x da extremidade livre é dada por:
d=
F
(2L3 − 3L2 x + x 3 )
6EI
Quais são as dimensões do produto EI se esta equação for
dimensionalmente homogênea?
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Forças, vetores e operações vetoriais
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Forças, vetores e operações vetoriais
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Princı́pios Gerais
Forças, vetores e operações vetoriais
Como são representadas as grandezas fı́sicas?
Na Mecânica, as grandezas fı́sicas são representadas como:
ESCALARES
VETORES
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Forças, vetores e operações vetoriais
Como são representadas as grandezas fı́sicas?
Na Mecânica, as grandezas fı́sicas são representadas como:
ESCALARES
VETORES
I
Escalar: possui magnitude: massa, volume,
comprimento. . .
I
I
Regra da adição: aritmética simples
Vetor: possui intensidade, direção e sentido: força,
momento, posição
I
Regra da adição: lei do paralelogramo.
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Forças, vetores e operações vetoriais
Aplicação prática da soma de vetores
Cálculo da força resultante no apoio onde concorrem 4 cabos:
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Forças, vetores e operações vetoriais
Representação gráfica de vetores
Graficamente, um vetor é representado por uma flecha:
I a intensidade é o comprimento da flecha;
I a direção é definida pelo ângulo entre o eixo de referência
e a reta de ação da flecha;
I o sentido é representado pela ponta da flecha.
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Forças, vetores e operações vetoriais
Operações vetoriais
Multiplicação e Divisão de um Vetor por um Escalar
O produto de um vetor A por um escalar a é um vetor de
intensidade |aA|.
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Forças, vetores e operações vetoriais
Adição vetorial
A adição de dois vetores A e B é feita usando-se a Lei do
Paralelogramo ou a Construção do Triângulo.
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Forças, vetores e operações vetoriais
Adição vetorial
A adição de dois vetores A e B é feita usando-se a Lei do
Paralelogramo ou a Construção do Triângulo.
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Operações vetoriais
QUESTÕES
I
Como se faz a subtração vetorial?
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Forças, vetores e operações vetoriais
Operações vetoriais
QUESTÕES
I
I
Como se faz a subtração vetorial?
Como se obtém as componentes de um vetor em duas
direções determinadas?
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Forças, vetores e operações vetoriais
Operações vetoriais
QUESTÕES
I
I
I
Como se faz a subtração vetorial?
Como se obtém as componentes de um vetor em duas
direções determinadas?
Graficamente, como se faz a soma de mais de dois
vetores concorrentes?
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Forças, vetores e operações vetoriais
Notação vetorial cartesiana
A decomposição de vetores equivale ao inverso da lei do
paralelogramo: i e j são os vetores unitários nas direções x e y.
F=Fxi+Fy j
Dado um vetor F, pode-se calcular as suas componentes em
quaisquer direções x e y.
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Princı́pios Gerais
Forças, vetores e operações vetoriais
Adição de vários vetores
1. Decomposição de cada vetor nas direções x e y
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Forças, vetores e operações vetoriais
Adição de vários vetores
1. Decomposição de cada vetor nas direções x e y
2. Soma de todas as componentes em cada direção;
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Princı́pios Gerais
Forças, vetores e operações vetoriais
Adição de vários vetores
1. Decomposição de cada vetor nas direções x e y
2. Soma de todas as componentes em cada direção;
3. Cálculo da magnitude e da direção do vetor resultante.
P
P
F= Fx+ Fy
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Forças, vetores e operações vetoriais
Exercı́cios
1. Calcular a magnitude e a direção da força resultante no
apoio abaixo.
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Exercı́cio 1
Etapas da resolução:
1. Decompor as 3 forças nas direções x e y;
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Forças, vetores e operações vetoriais
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Princı́pios Gerais
Exercı́cio 1
Etapas da resolução:
1. Decompor as 3 forças nas direções x e y;
2. Somar as componentes em cada direção;
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Forças, vetores e operações vetoriais
Exercı́cio 1
Etapas da resolução:
1. Decompor as 3 forças nas direções x e y;
2. Somar as componentes em cada direção;
3. Calcular a magnitude e a direção da resultante.
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Exercı́cio 2
2. Calcular a intensidade e a direção da força resultante no
apoio abaixo.
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Princı́pios Gerais
Forças, vetores e operações vetoriais
Exercı́cio 3
3. Determinar a magnitude da força F=F1 +F2 sendo:
F1 ={10i+20j}N e F2 ={20i+20j}N.
Profa Michèle Farage: MECÂNICA - MAC010 -
01
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MECÂNICA - MAC010 - 01