Enunciado
Mecânica e Resistência dos Materiais - Mecânica para Engenharia: Estática Volume 1 - 6ª Edição - James L. Meriam, L. Glenn Kraige- Ed: 6º - Capítulo 3.4 - Ex. 71
Uma das paredes verticais que apoiam a extremidade do eixo uniforme de do exemplo é girada de um ângulo de , como mostrado aqui. A extremidade permanece ainda apoiada por uma rótula no plano horizontal -. Calcule os módulos das forças e exercidas na extremidade esférica do eixo pelas paredes verticais e , respectivamente.
Passo 1
Vamos começar escrevendo expressões para as forças e que as paredes exercem sobre o eixo. A força vem da parede , e é perpendicular à superfície, então:
Já a força vem da parede , e forma um ângulo de conforme mostrado na figura, então:
Além disso temos o peso do eixo, que atua no seu ponto médio (a do ponto ):
E também temos uma força normal que atua sobre a esfera apoiada no ponto .
Passo 2
Para que o eixo esteja em equilíbrio é preciso que os momentos e as forças resultantes seja nulos. Vamos escrever uma equação de equilíbrio que facilite a nossa conta.
Se calcularmos o momento em relação ao ponto , por exemplo, a força (que é desconhecida) vai sumir da equação, e só vão sobrar as forças , e :
Onde os vetores são as posições do ponto de atuação de cada força em relação ao ponto . Como as forças e atuam no mesmo ponto:
E precisamos escrever cada um desses vetores:
Onde é a seguinte altura:
Que a gente pode calcular usando o teorema de pitágoras:
Então:
E o outro vetor é o que liga o ponto ao centro de massa do eixo:
Como o centro de massa está exatamente na metade do eixo:
E agora já temos tudo para resolver os produtos vetoriais.
Passo 3
Vamos voltar na nossa equação de equilíbrio:
Primeiro vamos resolver a soma de vetores que está entre parênteses:
E agora vamos substituir tudo na equação principal:
Cada um desses produtos vetoriais pode ser escrito como o determinante de uma matriz, então:
E agora queremos que cada componente se anule, então:
Agora podemos resolver esse sistema para encontrar as duas variáveis. Pela segunda equação temos:
E substituindo isso na primeira equação:
Resolvido! Nem precisamos usar a terceira equação!
Resposta
As duas forças são e .