Enunciado

O cilindro hidráulico B C do caminhão basculante está quebrado e desconectado. O motorista (que fez curso de dinâmica) decide calcular a aceleração mínima a do caminhão necessária para inclinar o depósito em torno da sua articulação em A . Ele então prossegue calculando a aceleração angular inicial α do depósito quando o caminhão recebe uma aceleração de 1,2   a . Quais são as suas respostas corretas para a e α , e ele seria capaz de realizar essa experiência? O recipiente de depósito pode ser modelado como um bloco retangular homogêneo e maciço com centro de massa em G .

Passo 1

Vamos começar calculando o momento de inércia do bloco retangular em relação a um eixo que passa pelo ponto A . Para isso vamos precisar do teorema dos eixos paralelos:

I A = I c m + m d 2

I c m = 1 12 m 1,8 2 + 3,0 2 = 1,02   m

E d é a distância entre o centro de massa e o ponto A :

d 2 = 0,9 2 + 1,5 2 = 3,06

Então:

I A = 1,02   m + 3,06   m = 4,08   m

Passo 2

Agora vamos montar uma equação de momentos em relação ao ponto A :

∑ M → A = I A α → + r → × m a - →

E a única força que produz momento em relação a esse ponto é a força peso:

∑ M → A = - m g 1,5 k ^

Que favorece a rotação no sentido horário em torno de um eixo z perpendicular ao plano da página.

O segundo termo também apontará na direção desse eixo, e o sentido irá depender da acelerção angular α :

I α → = 4,08 m α   k ^

Já o último termo precisa ser calculado através de um produto vetorial. r → é o vetor posição do centro de massa em relação ao ponto A :

r → = 1,5   i ^ + 0,9   j ^

E a acelerção do centro de massa associada ao movimento de translação do caminhão é:

a - → = a   i ^

Então:

r → × m a - → = 1,5   i ^ + 0,9   j ^ × a   i ^

r → × m a - → = i ^ j ^ k ^ 1,5 0,9 0 a 0 0 = - 0,9   a k ^

Agora substituindo tudo isso na primeira equação:

∑ M → A = I A α → + r → × m a - →

- 1,5 m g   k ^ = 4,08 m α   k ^ - 0,9   a   k ^

Vamos dividir tudo por m e “projetar a equação” na direção de k ^ :

- 1,5 g = 4,08 α - 0,9 a

Passo 3

Primeiro queremos saber qual deve ser a aceleração mínima a para que a carga comece a rotacionar em torno do ponto A .

Nesse caso limite, podemos considerar α = 0 , então:

- 1,5 g = - 0,9 a

a = 1,5 0,9 9,81 = 16,35   m / s 2

É improvável que o motorista consiga fazer essa experiência, pois essa aceleração certamente faria com que o bloco deslizasse para fora da carroceria.

Mesmo que o coeficiente de atrito estático fosse μ s = 1 , a caso limite para o equilíbrio da carga na direção horizontal seria:

a = μ g

a = 9,81   m / s 2

E a aceleração que calculamos para que haja rotação é a = 16,35   m / s 2 , portanto a carga deslizaria bem antes de rotacionar em torno de A .

Passo 4

Agora vamos voltar à nossa equação para calcular α no caso em que a = 1,2   a m í n , onde a m í n é a aceleração mínima para rotação que acabamos de calcular:

- 1,5 g = 4,08 α - 0,9 a

- 1,5 9,81 = 4,08 α - 0,9 1,2 16,35

4,08   α = 2,943

α = 0,721   r a d / s 2

Resposta

As suas respostas seriam a = 16,35   m / s 2 e α = 0,721   r a d / s 2 .

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