Enunciado

Uma chapa quadrada e uniforme de aço com 360   m m de comprimento de aresta e uma massa de 15   k g está suspensa no plano horizontal pelos três fios verticais, como mostrado. Calcule a força trativa em cada fio.

Passo 1

Vamos começar definindo os eixos x , y   e   z e representando as forças envolvidas

Se a placa está em equilíbrio nessa posição, os momentos totais em relação a cada eixo devem ser nulos.

∑ M x = ∑ M y = ∑ M z = 0

Então precisamos encontrar expressões para cada um desses momentos.

Passo 2

Como todas as forças já são paralelas ao eixo z , o momento resultante nesse eixo já é nulo, então

∑ M z = 0

Agora, vamos dar uma olhada no momento em relação ao eixo x . Temos que multiplicar cada força pela sua distância perpendicular até o eixo x .

∑ M x = T a ⋅ 120 + T b ⋅ 0 + T c ⋅ 240 + 120 - P ⋅ 180

E o sinal negativo aparece no momento da força P porque ela favorece a rotação no sentido contrário às outras forças. Fazendo a mesma coisa para o momento em relação ao eixo y encontramos o seguinte

∑ M y = T a ⋅ 1 8 0 + 180 + T b ⋅ 0 + T c ⋅ 180 - P ⋅ 180

Agora vamos igualar todas as expressões a zero, já que essa é a condição de equilíbrio:

T a ⋅ 120 + T b ⋅ 0 + T c ⋅ 240 + 120 - P ⋅ 180 = 0

T a ⋅ 180 + 180 + T b ⋅ 0 + T c ⋅ 180 - P ⋅ 180 = 0

Arrumando um pouco ficamos com um sistema de duas equações e duas variáveis desconhecidas

120 T a + 360 T c = 180 P 360 T A + 180 T C = 180 P

Passo 3

Agora vamos resolver o sistema

120 T a + 360 T c = 180 P 360 T A + 180 T C = 180 P

Uma forma de fazer isso é multiplicar a segunda linha por 2 , e subtraí-la da primeira

120 T A + 360 T C - 2 ⋅ 360 T A + 180 T C = 180 P - 360 P

120 - 720 T A + 360 - 360 T C = 180 - 360 P

- 600 T A = - 180 P

Onde P = M G = 15 ⋅ 9,81 = 147,15 N , então

T a = 180 600 ⋅ 147,15 = 44,14 N

E agora é só substituir esse valor em qualquer uma das equações para encontrar T c que será dado por

120 ⋅ 44,14 + 360 T c = 180 ⋅ 147,15

T c = 73,36 N

Passo 4

Ainda falta encontrar o valor de T b , mas para isso vamos precisar de outra equação de equilíbrio. Já analisamos o equilíbrio dos momentos, vamos ver agora o equilíbrio das forças

∑ F z = 0

∑ F = T A + T B + T C - P = 0

44,14 + T B + 73,36 - 147,15 = 0

T B = 29,65 N

Pronto, tá resolvido nosso problema.

Resposta

As forças são T a = 44,14   N ,   T b = 29,65 N   e   T c = 73,36 N

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