Um veículo com massa possui suspensão com amortecimento e rigidez . Calcule o deslocamento após um impulso inicial de 0.2 m .
Passo 1
Entendendo o Enunciado e o Conteúdo Envolvido
Vamos lá! O enunciado fala sobre um veículo com massa que possui suspensão com amortecimento e rigidez . A tarefa é calcular o deslocamento após um impulso inicial de 0,2 metros.
O que vamos precisar:
Mecânica dos Sistemas Vibratórios: Para entender como a suspensão do veículo responde a um deslocamento.
Equação Diferencial de Segunda Ordem: Para modelar o movimento do sistema massa-mola-amortecedor.
Conceitos de Amortecimento: Para determinar como o sistema retorna ao equilíbrio após o deslocamento.
Passo 2
Modelando o Sistema com uma Equação Diferencial
Primeiro, vamos modelar o sistema massa-mola-amortecedor. A equação que descreve o movimento é uma equação diferencial de segunda ordem:
onde:
é a massa,
é o coeficiente de amortecimento,
é a rigidez da mola,
é o deslocamento em função do tempo.
Essa equação representa o equilíbrio entre a inércia do veículo, a força de amortecimento e a força restauradora da mola.
Passo 3
Encontrando a Solução da Equação Diferencial
Para resolver essa equação, assumimos uma solução da forma:
Substituindo na equação diferencial:
Dividindo ambos os lados por (que nunca é zero):
Essa é a equação característica do sistema.
Passo 4
Calculando as Raízes da Equação Característica
Vamos resolver a equação quadrática:
Substituindo os valores dados:
Dividindo toda a equação por 300 para simplificar:
Usando a fórmula de Bhaskara para encontrar :
onde , , e .
Calculando o discriminante:
Como , as raízes são complexas.
Passo 5
Escrevendo a Solução Geral com as Raízes Complexas
Com as raízes complexas, a solução geral é:
onde:
é a frequência de oscilação amortecida,
e são constantes determinadas pelas condições iniciais.
Calculando :
E o termo do amortecimento:
Passo 6
Aplicando as Condições Iniciais
As condições iniciais são:
(deslocamento inicial),
(sem velocidade inicial).
Aplicando na solução geral:
Derivando :
Aplicando :
Passo 7
Escrevendo a Solução Final
Substituindo e na solução geral:
Essa é a expressão que descreve o deslocamento do veículo ao longo do tempo após o impulso inicial de 0,2 metros.