A Forma Geométrica dos Cabos Suspensos Prof. Lúcio Fassarella

Documentos relacionados
Projeto 3. 8 de abril de y max y min. Figura 1: Diagrama de um cabo suspenso.

CÁLCULO DIFERENCIAL E INTEGRAL I LMAC, MEBIOM, MEFT 1 o SEM. 2010/11 3 a FICHA DE EXERCÍCIOS

Força Elétrica. Sabendo que o valor de m 1 é de 30 g e que a aceleraçăo da gravidade local é de 10 m/s 2, determine a massa m 2

Mais derivadas. g(x)f (x) f(x)g (x) g(x) 2 cf(x), com c R cf (x) x r, com r R. rx r 1

CÁLCULO I Prof. Edilson Neri Júnior Prof. André Almeida

A Regra da Cadeia Continuação das notas de aula do mês 11/03 Versão de 20 de Novembro de 2003

Mecânica Analítica REVISÃO

A Regra da Cadeia. 14 de novembro de u(x) = sen x. v(x) = cos x. w(x) = x 5

EQUILÍBRIO DA ALAVANCA

CÁLCULO I. Apresentar a técnica de derivação implícita; Resolver problemas envolvendo taxas relacionadas.

3.8 O Teorema da divergência ou Teorema de Gauss

Lista de Exercícios de Cálculo 3 Segunda Semana - 01/2016

Integral de Linha e Triedro de Frenet

AULA 12 Aplicação da Derivada (página 220)

SOLENÓIDE E INDUTÂNCIA

APLICAÇÕES DA TRIGONOMETRIA ESFÉRICA NA CARTOGRAFIA E NA ASTRONOMIA

Universidade Federal do Paraná Setor de Ciências Exatas Departamento de Física. Referências bibliográficas: H S T.

III Corpos rígidos e sistemas equivalentes de forças

QUESTÕES COMENTADAS DE MECÂNICA

Resoluções dos exercícios propostos

SOLENÓIDE E INDUTÂNCIA

30 a Aula AMIV LEAN, LEC Apontamentos

Exercícios propostos

CÁLCULO I. 1 Regras de Derivação. Objetivos da Aula. Aula n o 12: Regras de Derivação. Apresentar e aplicar as regras operacionais de derivação;

Módulo V Força e Campo Elétrico

CÁLCULO I. Figura 1: Círculo unitário x2 + y 2 = 1

Instituto de Física da USP Física Experimental B Difração e Interferência - Guia de Trabalho

DIFERENÇA DE POTENCIAL. d figura 1

Universidade de São Paulo

Cálculo Numérico Computacional Exercícios. que coïncida com f até na terceira derivada:

Modulo 5 Lei de Stevin

CÁLCULO I. Figura 1: Círculo unitário x2 + y 2 = 1

Fenômenos de Transporte III. Aula 05. Prof. Gerônimo

O trabalho realizado pela força elétrica corresponde a energia recebida pelo elétron. 15 4

SEL 329 CONVERSÃO ELETROMECÂNICA DE ENERGIA. Aula 01 Circuitos Magnéticos

Eletromagnetismo I. Preparo: Diego Oliveira. Aula 19. A Lei da Indução de Faraday

10 DIMENSIONAMENTO DE SECÇÕES RETANGULARES COM ARMADURA DUPLA

CAPÍTULO 7. ( p)= -1 p2. Segue que a reta tangente no ponto de abscissa p é y 1. f( x)- f() Exercícios f( x)= sen px. Exercícios

Resoluções dos testes propostos

Prof. André Motta - A) 3s; 10 m/s; 20 m/s B) 3s; 15 m/s; 30 m/s C) 6s; 10 m/s; 20 m/s D) 6s; 20 m/s; 40 m/s

Aula 05. Me. Leandro B. Holanda, Capítulo 7 (continuação)

[ ] = 0, constante. Algumas Regras para Diferenciação. Algumas Regras para Diferenciação. d dx. A Regra da Constante:

a prova de Matemática da FUVEST 2ª fase

Centro de Estudos Gilberto Gualberto Ancorando a sua aprendizagem Em um plano, munido do sistema Questão 01 - (UECE/2017)

Obter as equações paramétricas das cônicas.

PROVA de FÍSICA MÓDULO II do PISM ( ) QUESTÕES OBJETIVAS. 09. Leia, com atenção:

Pequena Introdução à Trigonometria Hiperbólica

a) Sabendo que o carro A faz 6 km por litro de combustível no circuito, quantos litros esse carro gastará durante o percurso total?

Capacitor: dispositivo que armazena energia potencial elétrica num circuito. Também chamado condensador.

54 CAPÍTULO 2. GEOMETRIA ANALÍTICA ( ) =

Leis de Newton. 1.1 Sistemas de inércia

DERIVADAS., é igual ao valor da tangente trigonométrica do ângulo formado pela tangente geométrica à curva representativa de y = f (x)

Força elétrica e campo elétrico Prof. Caio

Estudo Físico dos Gases

carga do fio: Q. r = r p r q figura 1

n Programação Dinâmica n Exemplo: Sequência de Fibonnaci n Problemas de Otimização n Multiplicação de Matrizes n Principios de Programação Dinâmica

Controle Estatístico de Qualidade. Capítulo 14 (montgomery)

27.1 Simplificação do diagrama de tensões de compressão no concreto - seção retangular

INTERPOLAÇÃO POLINOMIAL DE SEGUNDO E QUARTO GRAUS DA CURVA CATENÁRIA: VERIFICANDO A CRENÇA DE GALILEU

-INF Aula 17 Visualização 3D: Projeções

1 Cônicas Não Degeneradas

Por efeito da interação gravitacional, a partícula 2 exerce uma força F sobre a partícula 1 e a partícula 1 exerce uma força F sobre a partícula 2.

CADERNO DE EXERCÍCIOS 2B

Escola Politécnica FGE GABARITO DA PS 7 de julho de 2005

MATEMÁTICA MÓDULO 12 COORDENADAS NO PLANO E DISTÂNCIA ENTRE PONTOS INTRODUÇÃO 1. O PONTO NO PLANO 1.1. COORDENADAS CARTESIANAS

Funções Hiperbólicas:

UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO

Aula 1- Distâncias Astronômicas

CÁLCULO I Prof. Edilson Neri Júnior Prof. André Almeida

CURSO DE CÁLCULO I PROF. MARCUS V. S. RODRIGUES

Jorge Figueiredo, DSC/UFCG. Análise e Técnicas de Algoritmos divisão. divisão. combina. combina. Jorge Figueiredo, DSC/UFCG

Cálculo I - Curso de Matemática - Matutino - 6MAT005

FÍSICA IV Problemas Complementares 2 O modelo ondulatório da luz: interferência e

CAPÍTULO 1 Sistemas de Coordenadas Lineares. Valor Absoluto. Desigualdades 1. CAPÍTULO 2 Sistemas de Coordenadas Retangulares 9. CAPÍTULO 3 Retas 18

3. (Mackenzie 2015) Uma esfera metálica A, eletrizada com carga elétrica igual a 20,0 μc,

TD DE FÍSICA 2 Resolucões das Questões de Potencial elétrico e Trabalho da Força Elétrica PROF.: João Vitor

Escola Politécnica FGE GABARITO DA PR 27 de julho de 2007

"Introdução à Mecânica do Dano e Fraturamento" Parte I. São Carlos, outubro de 2000

LIMITES. Para iniciarmos o estudo de limites, analisemos os seguintes exemplos de sucessões numéricas:

Exercícios sobre Trigonometria

Sociedade Brasileira de Matemática Mestrado Profissional em Matemática em Rede Nacional

Professor Mauricio Lutz DERIVADAS

Instituto de Matemática - IM/UFRJ Cálculo Diferencial e Integral I - MAC238 Respostas da Prova de Final - 20/12/2013

Sônia Pinto de Carvalho

= Resposta: 3,6 m/s 2. 4 No instante t 0. Resolução: + α t v = 20 2t (SI) b) 0 = 20 2t t = 10 s. Resposta: a) v = 20 2t (SI); b) 10 s

FEUP - MIEEC - Análise Matemática 1

A velocidade instantânea (Texto para acompanhamento da vídeo-aula)

Força Elétrica. 6,0 C, conforme descreve a figura (Obs.: Q 4 é negativo)

1. (ITA 2007) 2. (ITA 2005) 3. (ITA 2005)

Prova Escrita de MATEMÁTICA A - 12o Ano Época especial

Indutância / Circuitos RL. Indutância Mútua

Derivadas. Derivadas. ( e )

UNIFEI-Campus Itabira Eletromagnetismo Lista de Exercicios #1

Instituto Tecnológico de Aeronáutica / Departamento de Matemática / 2 o Fund / a LISTA DE MAT-32

LISTA DE EXERCÍCIOS DE RECUPERAÇÃO 1º TRIMESTRE MATEMÁTICA

Máximos e mínimos em intervalos fechados

c a) Atração; 0,2 N. 4. A tabela a seguir mostra a série triboelétrica.

13 Fórmula de Taylor

b) Seja f uma função continuamente diferenciável num intervalo I. Dar uma expressão para as primitivas de f (x) 1 + f(x)

Transcrição:

A Forma Geométrica os Cabos Suspensos Prof. Lúcio Fassarella - 008 - Problema: Determinar a forma eométrica e um cabo e comprimento L suspenso em suas extremiaes por postes e mesma altura H separaos por uma istância D. Resolução Para resolver o problema começamos com alumas consierações. 1) Consierações físicas. Este é um problema e Estática, no contexto a Mecânica Clássica. Para resolvê-lo precisamos e e nir um sistema e coorenaas cartesianas e introuzir parâmetros relevantes. ) Parâmetros. Pensano no problema, percebemos ue os únicos parâmetros relevantes são a aceleração ravitacional local e massa m ou a ensiae o cabo, seno Lm. 3) Sistema e coorenaas cartesianas. De nimos o sistema e coorenaas cartezianas xyz ienti cano os planos coorenaos: z 0 plano e nio pelo cabo suspenso e postes; y 0 plano e nio pelo nível o solo; x 0 plano e simetria o cabo suspenso. A eometria o problema nos permite esconsierar a coorenaa z e supor ue a curva escrita pelo cabo suspenso é o rá co e uma função y y (x) e nia no intervalo [ D; D], D y : ; D! R: 4) Variáveis auxiliares. Para aplicar os princípios e Mecânica Clássica, e nimos as seuintes funções: T (x) : a tensão o cabo no ponto x [ D; D] (x) : o ânulo entre o eixo-x e a reta tanente ao cabo no ponto (x; y (x)), meio no sentio anti-horário para x [ D; D]. Do Cálculo Diferencial e Interal, sabemos ue vale D tan ( (x)) y 0 (x) ; 8x ; D ; (1) L (x 1 ; x ) : o comprimento o semento o cabo entre os pontos (x 1 y (x 1 )) e (x ; y (x )), para x 1 ; x [ D; D] com x 1 < x. Do Cálculo Diferencial e Interal, sabemos ue vale L (x 1 ; x ) Z x x 1 1 + y 0 (x) x: () 1

5) Desenvolvimento Consiere x 0 ; x [ D; D] com x 0 < x. A conição e ue o semento o cabo entre os pontos (x 0 ; y (x 0 )) e (x; y (x)) está em euilíbrio estático sini ca ue a resultante as forças externas ue atuam nesse semento é nula; isso implica nas seuintes euações para as componentes na ireção o eixo-x e o eixo-y: T (x) cos ( (x)) T (x 0 ) cos ( (x 0 )) 0 (3) e T (x) sin ( (x)) T (x 0 ) sin ( (x 0 )) L (x 0 ; x) : (4) A euação A implica ue o prouto a tensão pelo cosseno o ânulo a tanente é uma constante, T (x) cos ( (x)) : (5) Poemos ienti car essa constante como seno a tensão no ponto mais baixo o cabo, com coorenaa x 0: 1 (0) 0 T (0) : Usano a euação (5), substituimos T (x) por cos ( (x)) na euação (4) e obtemos tan ( (x)) tan ( (x 0 )) L (x 0 ; x) : Consierano as expressões (1) e () obtemos a seuinte euação intero-iferencial y 0 (x) 1 + Z x x 0 1 + y 0 (u) u: (6) Poemos transformar essa euação numa euação puramente iferencial erivano ambos os laos: y 00 (x) 1 + y 0 (x) : (7) então 6) Resolução a euação iferencial A euação (7) é e seuna orem, mas poemos reuzir a orem introuzino a variável auxiliar Essa euação é separável: z : y 0 ; z 0 (x) p 1 + z : z p 1 + z x: A solução essa euação poe ser obtia por interação ireta: Z Z z p 1 + z x: Então (sinh 1 enota a função inversa o seno-hiperbólico) one sinh 1 (z) x + ; z sinh x + : 1 Observamos ue a euação (5) nos permite concluir ue a tensão aumenta à meia em ue nos aproximamos as extremiaes o cabo.

Como z y 0, concluimos y (x) cosh x + + ; [; R] : As constantes e interação e poem ser xaas pelas conições e contorno o problema: D D y y H ) 0 ; H cosh : one O valor a tensão epene o comprimento o cabo: L Z D D Z D D Z D D 1 + y 0 (x) x r 1 + sinh x x cosh x x sinh x D L sinh Essa é uma euação transcenental para em termos e L, D, e. D : ; A solução o problema mostra ue um cabo suspenso tem a forma e uma catenária (especi camente, o rá co a função cosseno-hiperbólico). Seue uma plotaem a solução, para valores escolhios e D, H, L, e : cabo suspenso 3

7) Análise a solução y (x) cosh x + (8) L sinh ; H cosh (9) 7.1) Análise imensional. Seno uma aceleração, uma ensiae e massa linear e uma tensão (ue tem uniae e força), euzimos ue possui uniae e meia aa pelo inverso a uniae e istância: usano o Sistema Internacional e Uniaes, h i m k s m k m s m 1 Esse fato mostra ue nossa solução (8) é coerente imensionalmente: o arumento x a função cosh é aimensional, já ue a coorenaa x [ D; D] tem uniae e istância; a função y (x) tem uniae e istância, porue é proporcional a! 7.) Análise ualitativa. A relação (9) entre o comprimento L o cabo e a tensão na sua parte inferior é compatível com nossa intuiação: embora não seja uma relação eviente poemos euzir ue aumenta uano L L < 0 e ue vale o limite lim!1 L () D Realmente, esse limite poe ser calculao pela rera e L Hôpital sinh lim L () lim!1!1 Para calcular L usamos a ientiae Aora, L Destacamos ue a esiualae sinh < 0 ; 8 > 0 L sinh () cosh () D lim D lim D!0!0 1 1 L sinh + cosh sinh cosh [sinh (u) u cosh (u)] ; u sinh (u) u cosh (u) < 0 ; 8u > 0 poe ser veri caa pela inspeção e uma plotaem o rá co a função ou euzia a seuinte ientiae (ue seue e uma interação por partes) Z u 0 v sinh (v) v u cosh (u) sinh (u) 7.3) Moelaem experimental. A forma eométrica o cabo suspenso é ao pelo rá co a solução (8); isso poe ser testao experimentalmente, mas eixamos a caro o leitor... 4

Observação Histórica. Conta-se ue Galileu foi uem primeiro consierou o problema e eterminar a forma eométrica e cabos suspensos e conjecturou ue ela fosse e nia por uma parábola. curva formaa por um o suspenso entre ois pontos e sob a ação exclusiva a raviae foi proposto por Galileu Galilei, ue propôs a conjectura e ue a curva fosse uma parábola. No século XVII Johann Bernoulli propos o problema aos seus coleas matemáticos, como era costume nauela época; então a solução correta foi obtia inepenentemente por John Bernoulli, Leibniz e Huyens. Observações Gerais. Além o seu apelo estético, a catenária possui alumas proprieaes estruturais ue a torna útil na construção civil, particularmente na construção e pontes. 5