Enunciado

25. Na figura, está representado um modelo de um edifício de um andar. A barra de massa m é apoiada por duas colunas verticais elásticas leves, cujas extremidades superior e inferior estão impedidas de girar. Para cada coluna, se uma força P e o momento correspondente M forem aplicados conforme indicado na parte à direita da figura, o deslocamento δ será dado por δ = P L 3 / 12 E I , onde L é o comprimento efetivo da coluna, E é o módulo de Young, e I é o momento de inércia de área da seção transversal da coluna em relação a seu eixo neutro. Determine a frequência natural de oscilação horizontal da barra, quando as colunas se flexionam como mostrado na figura.

Passo 1

Bom, primeiro a gente vai montar o diagrama de corpo livre da barra:

Onde K e q é uma constante equivalente à uma constante de mola e x o deslocamento de oscilação horizontal.

Passo 2

Como temos:

δ = P L 3 12 E I

Podemos expressar a força P na direção vertical em função das outras variáveis:

P = δ 12 E I L 3

Essa força é equivalente à uma força elástica atuando, então:

12 E I L 3 ⋅ δ = K e q ⋅ δ

∴ K e q = 12 E I L 3

Passo 3

Agora faremos o somatório de forças no eixo x :

∑ F x = m x ¨

Onde x ¨ é a aceleração em x .

- 2 K e q x = m y ¨

Rearranjando a expressão:

x ¨ + 2 K e q m x = 0

x ¨ + 2 m 12 E I L 3 x = 0

∴ x ¨ + 24 E I m L 3 x = 0

Sabemos que a equação genérica para um movimento harmônico:

y ¨ + k m y = 0

Portanto:

k m = 24 E I m L 3

E sabemos também que:

ω n = 24 E I m L 3

∴ ω n = 2 L 6 E I m L   ( r a d / s )

Resposta

A frequência de oscilação será:

ω n = 2 L 6 E I m L   ( r a d / s )

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