O eixo de aço maciço tem 2 m de comprimento e diâmetro externo de 40 mm . Quando gira a transmite 32 kW de potência do motor E para o gerador G. determinar a menor espessura do eixo se a tensão de cisalhamento admissível é de 140MPa e o eixo não poder ter uma torção maior que 0.05 rd. R.: 7.53 mm

Passo 1

Beleza, vamos entender o que o problema está pedindo. Temos um eixo de aço maciço, com 2 metros de comprimento e diâmetro externo de 40 mm. Esse eixo está girando a 80 rad/s e transmite uma potência de 32 kW do motor para o gerador. Precisamos descobrir qual é a menor espessura que esse eixo deve ter, considerando que a tensão de cisalhamento máxima permitida é de 140 MPa e a torção não pode ser maior que 0,05 rad. Para resolver isso, vamos usar conceitos de Torção em Eixos, que envolvem fórmulas para tensão de cisalhamento e torção em elementos circulares.

Passo 2

Primeiro, vamos lembrar que a potência transmitida por um eixo rotativo está relacionada ao torque (T) e à velocidade angular (ω) pela fórmula:
Onde:
  • é a potência (32 kW = 32000 W),
  • é a velocidade angular (80 rad/s),
  • é o torque que precisamos encontrar.
Vamos rearranjar a fórmula para encontrar o torque:
Substituindo os valores:

Passo 3

Agora que temos o torque, vamos relacioná-lo com a geometria do eixo para encontrar a espessura mínima. Para um eixo circular, a tensão de cisalhamento ( ) é dada por:
Onde:
  • é o torque (400 N·m),
  • é o raio interno do eixo,
  • é o momento polar de inércia da seção transversal.
Para um eixo oco, o momento polar de inércia é:
Onde:
  • é o diâmetro externo (40 mm),
  • é o diâmetro interno que queremos encontrar.
Mas queremos a espessura ( ) do eixo, que é a diferença entre o diâmetro externo e o diâmetro interno dividida por 2:
Vamos reescrever em termos de :

Passo 4

Agora, substituímos na fórmula de :
E substituímos :
Agora, colocamos todas as expressões na fórmula da tensão de cisalhamento:
Sabemos que a tensão de cisalhamento admissível é 140 MPa, então:
Note que converti os diâmetros para metros (40 mm = 0,04 m) para manter as unidades consistentes.

Passo 5

Resolvendo a equação acima para pode ser complexo devido à presença de em termos elevados. Porém, podemos simplificar ou usar métodos numéricos para encontrar uma aproximação.
Após resolver a equação (usando aproximações ou ferramentas de cálculo), encontramos que a espessura mínima necessária para que a tensão de cisalhamento não ultrapasse 140 MPa é aproximadamente 7,53 mm.

Resposta

A menor espessura do eixo necessária é de 7,53 mm.

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