Enunciado

Um modelo biomecânico da região lombar do corpo humano é mostrado na figura. As forças que atuam nos quatro musculares são: F R = 35   N para o músculo reto abdominal, F O = 45   N para o oblíquo abdominal, F L = 23   N para o lumbar latissimus dorsi e F E = 32   N para o erector spinae. Essas cargas são simétricas em relação ao plano x - y . Substitua esse sistema de forças paralelas por uma força e momento equivalentes ao sistema que atuam na espinha dorsal, no ponto O . 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 x - y , só precisamos pensar em um dos lados da figura, e então multiplicar nosso resultado por dois.

∑ F → = 2 F E + F L + F O + F R   k ^

∑ F → = 2 35 + 45 + 23 + 32   k ^

∑ F → = 270   k ^   N

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 O inicialmente.

Aqui podemos usar um pouco a nossa intuição pra evitar um produto vetorial complicado;

Como as forças estão “espelhadas” em relação ao eixo y , não faz sentido que o sistema vá girar em torno desse eixo.

Além disso, todas as forças são paralelas ao eixo z , 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 x , e apontando na direção perpendicular ao plano x - y , então a rotação dece acontecer em torno de x .

Passo 3

Escrevendo essa conclusão matematicamente, temos o seguinte:

∑ M → = ∑ M   i ^

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.

∑ M = - F R 70 + F L 45 + F E 15

∑ M = - 7 5 35 + 23 45 + 32 15 = - 1110   N ∙ m m

∑ M = - 1,110   N ∙ m

E assim como fizemos antes, vamos multiplicar esse resultado por dois, já que o sistema tem simetria em relação ao plano x - y :

M = 2 - 1,110 = - 2,22   N ∙ m

E seguindo a lógica que usamos antes (de que todo o momento aponta no eixo x ):

M → = - 2,22   i ^   N ∙ m

Resposta

O sistema pode ser substituído por uma força F → = 270   k ^   N e por um momento M → = - 2,22   i ^   k N ∙ m .

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