Fone:

Transcrição

1 Prof. Valdr Gumarães Físca para Engenhara FEP111 ( ) 1º Semestre de 013 nsttuto de Físca- Unversdade de São Paulo Aula 8 Rotação, momento nérca e torque Professor: Valdr Gumarães E-mal: valdrg@f.usp.br Fone:

2 Prof. Valdr Gumarães Varáves da rotação Neste tópco, trataremos da rotação em torno de um exo fxo no espaço, ou em torno de um exo que se move sem alterar sua dreção no espaço. Corpo Rígdo Exo Fxo Exo de Rotação

3 Prof. Valdr Gumarães Posção angular Seja um corpo rígdo de massa M, que gra em torno de um exo fxo. Cada ponto deste corpo descreve um círculo, cujo rao r é a dstânca entre o ponto e o exo de rotação. A posção angular dessa reta é o ângulo que a reta de referênca faz com a reta fxa. O ângulo é meddo em radandos. Deslocamento angular 1 É postvo no sentdo ant-horáro. Quando o corpo gra de um ângulo dθ, o ponto descreve um arco de comprmento ds ds rd

4 Prof. Valdr Gumarães Velocdade angular A taxa de varação do ângulo é a mesma para todas as posções no corpo e é chamada de velocdade angular ω. Para os valores médos temos: velocdade angular nstantânea S r ds dt ds v r rd dt rd Dvdndo-se por t r d dt d dt v r med t

5 Aceleração angular Prof. Valdr Gumarães Analogamente, a taxa de varação da velocdade angular é a mesma para todas as posções no corpo e é chamada de aceleração angular α. d dt d dt Se α é constante: 0 t t t 0

6 Exemplo Um CD gra, do repouso até 500 rpm, em 5,5 s. (a) Qual a aceleração angular (suposta constante)? (b) Quantas voltas o dsco dá em 5,5 s? (c) Qual a dstânca percorrda por um ponto a 6,0 cm do centro, nestes 5,5 s? (a) (b) 500rpm 500 / 60 5, 36rad 0 t 5,36 0 5, t t ,5(5,5) 9,5rad / s Prof. Valdr Gumarães s 143,7rad =,9 voltas (c) S r 0,06143,7 8, 6m

7 ds Acelerações e velocdades angulares Já vmos que: rd v r Analogamente, para a aceleração tangencal Prof. Valdr Gumarães v r temos: a t dv dt t r t d dt a t r Mas, como o movmento é crcular, exste uma aceleração centrípeta a c v r t t ( rt) r t ac r t

8 Prof. Valdr Gumarães velocdade angular é uma grandeza vetoral

9 Prof. Valdr Gumarães Energa Cnétca Rotaconal A energa cnétca de um corpo rígdo que gra em torno de um exo fxo é a soma das energas cnétcas das partículas ndvduas que consttuem o corpo. Para a esma partícula, de massa m e velocdade v, temos: 1 K mv Somando todas as partes, obtemos a energa cnétca do corpo: K 1 m v 1 1 m r mr momento de nérca () m r Energa Cnétca Rotaconal K 1

10 Prof. Valdr Gumarães Exemplo Um corpo consste de 4 partículas pontuas, com massas m, lgadas por hastes sem massa. O sstema gra com velocdade angular ω em torno do centro do corpo. (a)determne o momento de nérca do corpo. (b)determne a energa cnétca do corpo. m r 4ma Energa Cnétca Rotaconal K 1 Repetr os cálculos para a confguração ao lado. m r m a 8ma 1 K K 4ma K ma

11 Prof. Valdr Gumarães Cálculos do Momento de nérca Para sstemas dscretos: m r Corpos contínuos Se subdvdrmos o corpo em pequenas porções, no lmte quando a massa de cada porção va a zero, a somatóra acma se transforma na ntegral: r dm Onde r é a dstânca ao exo, de cada parcela dm do corpo.

12 Prof. Valdr Gumarães Momento de nérca de uma barra Barra fna de comprmento e massa M, Momento de nérca em relação ao exo que passa por sua extremdade. r dm Um pedaço dm da barra, stuado na posção x, ocupa uma extensão dx da barra. Consderando a densdade lnear de massa λ. M M dm dx r x M dx M M M x M M x dx x dx

13 Prof. Valdr Gumarães exo no centro da barra. dm r / / / / dx x M dx M x 1 3 / 3 / 3 / / / 3 M M M x M Momento de nérca de uma barra dx M dx dm r x

14 Prof. Valdr Gumarães Momento de nérca de um anel Calcule o momento de nérca de um anel crcular de rao R e massa M, em relação ao exo que passa perpendcularmente por seu centro. r dm Todos os pedaços dm do anel, estão stuados a uma mesma dstânca R do exo. R dm R dm MR

15 Momento de nérca de um dsco Calcule o momento de nérca de um dsco homogêneo de rao R e massa M, em relação ao exo que passa perpendcularmente por seu centro. r dm Prof. Valdr Gumarães Podemos subdvdr o dsco em uma sére de anés concentrcos. Cada anel tem uma massa dm, rao r e espessura dr. Consderando a densdade superfcal de massa σ. M r dm dr r M R M dm R rdr R 0 R 4 4 M M 3 M r M R MR r rdr r dr R R R 4 R 4 0 R 0

16 Prof. Valdr Gumarães Momento de nérca de um clndro momento de nérca de um clndro macço homogêneo de rao R e massa M, em relação ao seu exo. r dm Podemos subdvdr o clndro em uma sére de dscos paralelos. Como todos os dscos são equvalentes, podemos consderar o momento de nérca do clndro como gual ao dos dscos. MR

17 Alguns momentos de nérca Prof. Valdr Gumarães

18 Prof. Valdr Gumarães Teorema dos Exos Paralelos Este teorema permte que se calcule o momento de nérca de um corpo de massa M em relação a um exo qualquer, a partr do seu valor para o centro de massa, sabendo-se a dstânca h entre os dos exos. r dm cm Mh

19 Prof. Valdr Gumarães Exemplo: CM M 1 h cm Mh M 1 M M 3

20 Prof. Valdr Gumarães Demonstração do Teorema dos Exos Paralelos Vamos calcular a energa cnétca de rotação para o exo paralelo do corpo de massa M ao lado, quando grando com velocdade ω. K 1 A energa cnétca de rotação um corpo pode ser escrta como a energa cnétca de rotação em relação ao CM mas a energa de translação do CM. 1 K 1 K rotação K CM 1 1 cm cm Mvcm translaçao CM

21 Prof. Valdr Gumarães Demonstração do Teorema dos Exos Paralelos cm cm Mv cm Mas, v cm h e cm 1 1 cm 1 Mh cm Mh

22 Teorema dos Exos Paralelos Prof. Valdr Gumarães Vamos calcular o momento de nérca do corpo ao lado. Mas ncalmente, calcularemos o momento de nérca de uma espra de massa m e rao R, através do exo que passa por seu cento de massa. m R dm dl m R Rd / / m mr mr 4 ( Rcos ) Rd (cos ) d cm R 0 0

23 Teorema dos Exos Paralelos Prof. Valdr Gumarães Vamos calcular o momento de nérca do corpo ao lado. Mas ncalmente, calcularemos o momento de nérca de uma espra de massa m e rao R, através do exo que passa por seu cento de massa. m R dm dl m R Rd 4 / 0 ( Rcos ) m R Rd mr / 0 (cos ) d mr cm Mas, se esta espra estver com seu exo a uma dstânca l do exo prncpal, ela contrburá para o momento de nérca total, com M M dm dl dl R d dml d dm R / / Mdl R M dl l MR M 1 M dl l

24 Exemplo Prof. Valdr Gumarães Uma barra de comprmento e massa M, artculada em sua extremdade, é largada do repouso, da posção horzontal. Determne: (a) a sua velocdade angular, na posção vertcal M 3 U 0 U f Mgy cm Mg( Consderando o sstema como sendo consttuído pela barra, pvô e a Terra, temos conservação da energa mecânca, então K U K f U f ) 1 0 Mgy cm 1 M 0 Mg 3 3g

25 Prof. Valdr Gumarães (b) a força exercda pelo pvô sobre a barra (barra na vertcal). F 0 Mg Ma c M F 0 M g 3g 5Mg (c) a velocdade angular ncal necessára para a barra chegar até uma posção vertcal superor. K U K f U f 1 M Mg( 3 1 Mgycm ) 0 0 3g

26 Prof. Valdr Gumarães Um objeto de massa m está suspenso por um fo de massa m corda que fo enrolado na pola, que tem rao R e massa m r. Suponha que toda a massa da pola esteja em sua borda e que no nstante ncal o corpo esteja em repouso e o fo enrolado. Determne qual a velocdade do corpo quando ele tver caído de uma dstânca d. conservação da energa mecânca K U 0 Com: 1 K f U m 1 f pola m R corda v 1 mv m * corda mg( d) m d m corda * corda g( d / ) U 0 d v (m ( m corda mcordad ) gd m m ) pola U f mg( d)

27 Prof. Valdr Gumarães Torque Já vmos a Segunda e de Newton, onde a resultante das forças externas provoca a aceleração do centro de massa de sstemas. Porém, quando a lnha de ação das forças externas não passa pelo centro de massa, temos um segundo efeto, que é a rotação do sstema. Esta rotação é acelerada. Assm, temos o equvalente à Segunda e de Newton, para a rotação.

28 Prof. Valdr Gumarães Consdere uma partícula de massa m, presa a uma barra de comprmento r. Uma força F é aplcada à partícula, como na fgura. Para a componente tangencal da força, temos: Ft ma t Onde, F t Fsen a t r Usando-se que a equação por r, temos: rf t mr e multplcando Torque em relação ao exo de rotação A mr

29 Prof. Valdr Gumarães Um corpo rígdo que gra em torno de um exo fxo é uma coleção de partículas, com as mesmas velocdade e aceleração angulares. m r Somando sobre todas as partículas do corpo, temos: mr ( mr ) Para corpos extensos: d r dm ( r dm) ext res Segunda e de Newton para a rotação

30 Prof. Valdr Gumarães Para rotações, o que nos nteressa são as componentes tangencas da força ou da alavanca. l é o braço de alavanca (dstânca entre a lnha de ação da força e o exo de rotação nha de ação da força Fl F r sn ou r F t F sn r F r sn Torque postvo sentdo ant-horáro (aumento do ângulo)

31 Consdere um corpo extenso de massa M, apoado pelo exo A e submetdo à força gravtaconal. Prof. Valdr Gumarães O torque sobre cada partícula consttunte será: Fr m gx O torque total sobre o corpo será a soma dos torques sobre todas as partículas consttuntes ext res m gx ( m x ) g Mx cm g Px cm x cm m1 x m 1 1 m m x m x M

32 Exemplo Prof. Valdr Gumarães Uma bccleta ergométrca possu uma roda com grande massa (,4 kg) e rao R= 35 cm. Aplca-se uma força de 18 N a uma dstânca de 7 cm do exo da roda. Após 5 s, qual é a velocdade angular da roda? 0 t t ext Fr res R 0.35m r 0.07m Fr Fr MR t Fr t 5 MR,4 (0.35) Momento de nérca de um anel, com exo de rotação no centro. 1rad / s MR

33 Prof. Valdr Gumarães Jogo de Snuca Um taco atnge uma bola de blhar em um ponto a uma dstânca d acma do centro da bola. Determne o valor de d para que a bola role, sem deslzar. esfera ( /5) MR F d Vamos aplcar a Segunda e de Newton à bola (rotação e translação). (o peso e a normal na bola, não geram torque) ext Fd F F ma cm a cm m Fd rotação Com Translação a cm R F m R Fd d mr ( / 5) mr mr d R 5

34 Prof. Valdr Gumarães