Enunciado
Mecânica e Resistência dos Materiais - Resistência dos materiais - 5ª Edição - Russel C. Hibbeler- Ed: 5º - Capítulo 4.Problemas - Ex. 68
O poste é feito de alumínio e tem de diâmetro. Está preso aos suportes e e em seu centro há uma mola espiral acoplada ao colar rígido. Se a mola não estiver comprimida na posição inicial, determine a compressão na mola quando a carga for aplicada ao colar.
Passo 1
Um poste está mantido entre duas paredes: e . Em seu centro (, uma mola não deformada está acoplada até a extremidade . Uma força é aplicada em para baixo.
Características do poste:
- Alumínio : (Tabelado)
- Diâmetro: .
- Comprimento inicial: .
Características da mola:
- Rigidez: .
- Está não deformada antes de aparecer.
O forçamento vai comprimir a metade de baixo do poste ( e esticar a parte de cima (). Além disso, vai comprimir a mola também, então ela vai reagir com uma força.
Queremos descobrir o quanto a mola deforma. Vamos chamar a deflexão dela (o quanto ela comprime) de .
Passo 2
Primeiro temos que entender melhor como o poste está se deformando. Vamos pegar uma seção acima de e uma seção abaixo de .
A força puxa para baixo, então dois efeitos irão ocorrer:
- A seção superior () sofre uma tração, alongando um comprimento .
- A seção inferior () sofre uma compressão, diminuindo um comprimento .
Queremos esse . Pela fórmula da relação carga-deslocamento temos
A área a gente consegue calcular, e já temos. Só falta descobrir a força então!
Com as seções cortadas em , as forças ficam como na figura.
Então para o deslocamento da metade inferior () precisamos de !
Passo 3
Aí você já sabe. Procurando força = diagrama de corpo livre.
Condição de equilíbrio:
A força é desenvolvida pela mola. Ela depende de o quanto a metade inferior do poste é comprimido:. Usando a relação linear de uma mola:
O a gente já sabe que está relacionado a por:
Então,
Duas incógnitas e uma equação. Vamos manter nosso plano de achar primeiro procurando por mais uma equação com a condição de compatibilidade.
Passo 4
Agora vem o grande macete desses exercícios. O poste está entre duas paredes rígidas! Então ele não pode ultrapassar elas. O resultado dos dois efeitos (aumentar e diminuir) tem que ser zero:
Passo 5
Pronto, só usar essa relação na equação de equilíbrio.
Vamos precisar da área do poste: .
Agora é só calcular o !
Passo 6
Usando a fórmula:
Resposta
Compressão da mola: .