Enunciado
Mecânica e Resistência dos Materiais - Mecânica para Engenharia Estática - 10ª Edição - Russel C. Hibbeler- Ed: 10º - Capítulo 4.9 - Ex. 132
Um modelo biomecânico da região lombar do corpo humano é mostrado na figura. As forças que atuam nos quatro musculares são: para o músculo reto abdominal, para o oblíquo abdominal, para o lumbar latissimus dorsi e para o erector spinae. Essas cargas são simétricas em relação ao plano . Substitua esse sistema de forças paralelas por uma força e momento equivalentes ao sistema que atuam na espinha dorsal, no ponto . Expresse os resultados na forma de vetores cartesianos.
Passo 1
Vamos começar calculando a força resultante que age sobre o sistema. Como as forças são simétricas em relação ao plano , só precisamos pensar em um dos lados da figura, e então multiplicar nosso resultado por dois.
Passo 2
E já que vamos substituir tudo isso por uma única força aplicada na origem, vamos calcular qual era o momento total em relação a inicialmente.
Aqui podemos usar um pouco a nossa intuição pra evitar um produto vetorial complicado;
Como as forças estão “espelhadas” em relação ao eixo , não faz sentido que o sistema vá girar em torno desse eixo.
Além disso, todas as forças são paralelas ao eixo , então também não há como vermos rotação em torno desse eixo.
Por outro lado, dá pra ver que temos muito mais forças em um dos lados do eixo , e apontando na direção perpendicular ao plano , então a rotação dece acontecer em torno de .
Passo 3
Escrevendo essa conclusão matematicamente, temos o seguinte:
Beleza, agora é só multiplicar o módulo de cada força pela sua distância perpendicular até a origem, lembrando de colocar um sinal negativo nas forças que favorecem o sentido horário.
E assim como fizemos antes, vamos multiplicar esse resultado por dois, já que o sistema tem simetria em relação ao plano :
E seguindo a lógica que usamos antes (de que todo o momento aponta no eixo ):
Resposta
O sistema pode ser substituído por uma força e por um momento .