Enunciado

Um carro de tração traseira está atolado na neve entre outros carros estacionados como mostrado. Em uma tentativa de livrar o carro, três estudantes exercem forças no casso nos pontos A , B e C , enquanto a ação do motorista resulta em um empuxo de 200   N para frente, atuando paralelo ao plano de rotação de cada roda traseira.

Tratando este problema como bidimensional, determine o sistema força-binário equivalente no centro de massa G do carro e localize a posição x do ponto sobre a linha de centro do carro pelo qual passa a resultante. Despreze todas as forças não mostradas.

Passo 1

Para calcular a força resultante R → , vamos começar escrevendo todas as forçass em forma vetorial:

F → 1 = 200   i ^   N

F → 2 = 400   i ^   N

F → 3 = 200   i ^   N

F → 4 = 250 sen ⁡ 30 ° i ^ + cos ⁡ 30 ° j ^   N

F → 5 = 350   j ^   N

Agora vamos somar esses vetores:

R → = F → 1 + F → 2 + F → 3 + F → 4 + F → 5

R → = 200 + 400 + 200 + 250 sen ⁡ 30 ° i ^ + 250 cos ⁡ 30 ° + 350 j ^

R → = 925   i ^ + 566   j ^   N

Passo 2

Beleza, esse é a força do nosso sistema força-binário. Para calcular o binário precisamos encontrar o momento total das forças em relação ao ponto G .

As duas forças de 200   N na traseira do carro apontam na mesma direção, mas favorecem a rotação em sentidos contrários, por isso seus momentos se anulam. Além disso, a força de 400   N na traseira tem uma linha de ação que passa pelo ponto G .

A linha de ação da componente vertical da força de 250   N no ponto B também passa pelo ponto G , então a equação do momento fica da seguinte forma:

M G = 250 sen ⁡ 30 ° 0,825 + ( 350 ) ( 1,650 )

M G ≅ 68 1   N m

E a rotação acontece no sentido anti-horário.

Passo 3

Agora queremos achar a linha de ação da força resultante. A força R → tem que ser aplicada em um ponto que mantenha o momento total das forças sobre o sistema.

M → = r → × R →

Onde M → é o vetor do momento das forças em relação a G e r → é o vetor posição do ponto onde a força R → será aplicada.

O vetor M → aponta na direção perpendicular ao plano do página, e (pela regra da mão direita) no sentido que sai desse plano, já que a rotação acontece no sentido anti-horário.

M → = 681   k ^   N m

r → = x   i ^ + y   j ^

R → = 925   i ^ + 566   j ^   N

Agora podemos resolver o produto vetorial:

r → × R → = i ^ j ^ k ^ x y 0 9 25 566 0

r → × R → = 566 x - 925 y   k ^

E então:

681 = 566 x - 925 y

y = 566 925 x - 681 925

y = 0,612   x - 0,736

Essa é a equação da linha de ação da força resultante, para achar o ponto por onde ela passa no eixo x é só fazer uma substituição simples:

y = 0         ⇒         x = 0,736 0,612 = 1,203   m

Resposta

O sistema força binário é composto por R → = 9 25   i ^ + 566   j ^   N e M G = 681   N m (sentido anti-horário). A força passa pela linha de centro do carro em x = 1,203   m .

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Substitua o sistema de forças e momentos de binário que agem sobre a viga por uma força e momento de binário resultante no ponto A .
Substitua o sistema de forças que age sobre o poste por uma força e momento de binário resultante no ponto A .
Substitua o sistema de forças que age sobre o poste por uma força e momento de binário resultante no ponto O .
Substitua as duas forças por uma força e momento de binário equivalente no ponto O . Considere F = 75N .
Substitua o carregamento do sistema por uma força resultante equivalente e especifique onde a linha de ação da resultante intercepta o membro A B medida a partir de A .