Enunciado
Mecânica e Resistência dos Materiais - Mecânica para Engenharia: Dinâmica Volume 2 - 6ª Edição - James L. Meriam, L. Glenn Kraige- Ed: 6º - Capítulo 6.4 - Ex. 42
Uma mesa de ar é usada para estudar o movimento elástico de modelos flexíveis de espaçonaves. O ar pressurizado que escapa de numerosos furos pequenos na supefície horizontal fornece um colchão de ar para sustentação que elimina grande parte do atrito. O modelo apresentado é constituído por um núcleo cilíndrico de raio e quatro hastes de comprimento e pequena espessura . O cilindro e as quatro hastes, todos têm a mesma profundidade e são construídos do mesmo material com massa específica . Suponha que a espaçonave é rígida e determine o momento que deve ser aplicado ao cilindro para girar o modelo a partir do repouso até uma velocidade angular em um período de tempo de segundos. (Note que para uma espaçonave com hastes muito flexíveis, o momento deve ser criteriosamente aplicado ao cilindro rígido para evitar grandes deflexões elásticas indesejáveis das hastes.)
Passo 1
Primeiro vamos encontrar uma expressão que dê a aceleração angular necessária para acelerar o sistema até uma velocidade angular em um tempo a partir do repouso:
E para gerar essa aceleração angular, o momento necessário é:
Ou seja, nosso problema é calcular o momendo de inércia do sistema, pois já temos todas as outras variáveis.
Passo 2
Vamos pensar no momento de inércia de uma única haste. Em relação ao próprio centro de massa da haste, o momendo seria:
Mas queremos o momento de inércia em relação ao centro do sistema. Então pelo teorema dos eixos paralelos:
Onde é a distância entre o centro de massa das hastes e o centro do sistema:
Onde é o raio do cilindro que fica no centro da hélice. Por isso o momento de inércia de cada haste é:
E o momento de inércia do cilindro no centro do sistema é:
Então o momento de inércia total do sistema é:
Passo 3
Agora precisamos encontrar expressões para as massas em função da massa específica .
Começando pela massa do cilindro:
E agora a massad e cada haste:
Vamos substituir isso na expressão do momento de inércia e simplificar um pouco:
Agora vamos voltar para a fórmula que escrevemos lá em cima:
Resposta
O momento necessário é .