Enunciado

Use equações de Lagrange para deduzir as equações de movimento de cada um dos sistemas mostrados nas Figuras 6.17 a 6.21.

Passo 1

Falaaa meus amigos! Como vocês estão? Vamos pra mais uma questãozinha desse assunto?

Inicialmente, se localizem na figura 6.19, a terceira a ser considerada.

Usaremos x i ,       c o m   i = 1,2 , 3 , como coordenadas generalizadas.

Da fórmula da energia cinética, nós encontramos o seguinte:

T = 1 2 J G θ 2 ˙ + 1 2 2 m x G 2 ˙ + 1 2 5 m   x 2 2 ˙

T = 1 2 25 6 m l 2 x 1 ˙ - x 3 ˙ 5 l + 1 2 2 m x 1 ˙ + x 3 ˙ 2 2 + 1 2 5 m   x 2 2 ˙

E então, com G representando centro de massa da barra, temos:

J G = 1 12 2 m 5 l 2 = 25 6 m l 2 ;         θ = x 1 - x 3 5 l ;           X G = x 1 + x 3 2

Da energia potencial, nós temos:

V = 1 2 k x 1 2 + 1 2 k x 3 2 + 1 2 k x A - x 2 2

Sabendo que x A = x 1 - 2 5 x 1 - x 3 = 3 x 1 + 2 x 3 5 , temos que:

V = 1 2 k x 1 2 + 1 2 k x 3 2 + 1 2 k 3 m 1 + 2 x 3 5 - x 2 2

Do quociente de Rayleigh, nós temos:

R = 1 2 c x A ˙ - x 2 ˙ 2 = 1 2 c 3 x 1 ˙ + 2 x 3 ˙ 5 - x 2 ˙ 2

Isso com Q i t = F i t ,   i = 1,2 , 3

Passo 2

Dito isso, já podemos, assim como nas questões anteriores, montar as equações para a primeira coordenada:

δ T δ x 1 ˙ = 25 m l 2 6 1 5 l x 1 ˙ - x 3 ˙ 5 l + 2 m 1 2 x 1 ˙ + x 3 ˙ 2              

  d d t δ T δ x 1 ˙ = 25 m l 2 6 1 25 l 2 x 1 ˙ - x 3 ˙ + m 2 x 1 ˙ + x 3 ˙                        

Para a segunda coordenada:

δ T δ x 2 ˙ = 5 m x 2 ˙ ;             d d t δ T δ x 2 ˙ = ( 5 m ) x ¨ 2

Para a terceira coordenada:

δ T δ x 1 ˙ = - 25 m l 2 6 1 5 l x 1 ˙ - x 3 ˙ 5 l + 2 m 1 2 x 1 ˙ + x 3 ˙ 2              

d d t δ T δ x 1 ˙ = - 25 m l 2 6   1 25 l 2 x 1 ¨ - x 3 ¨ + m 2 x 1 ¨ + x 3 ¨    

  δ T δ x i ˙ = 0 ; i = 1 , 2,3

Para o coeficiente de Rayleigh e a energia potencial, temos:

        δ R δ x i ˙ = 3 5 c 3 x 1 ˙ + 2 x 3 ˙ 5 - x 2 ˙ ;               δ R δ x 2 ˙ = - c 3 x 1 ˙ + 2 x 3 ˙ 5 - x 2 ˙    

    δ R δ x 3 ˙ = 2 5 c 3 x 1 ˙ + 2 x 3 ˙ 5 - x 2 ˙

δ V δ x 1 = k x 1 + 3 5 k 3 x 1 + 2 x 3 5 - x 2

δ V δ x 2 = - k 3 x 1 + 2 x 3 5 - x 2

δ V δ x 3 = k x 3 + 2 5 k 3 x 1 + 2 x 3 5 - x 2

Passo 3

Finalmente podemos montar as equações de movimento a partir das equações de Lagrange:

2 3 m x 1 ¨ + 1 3 m x 3 ¨ + 9 25 c x 1 ˙ - 3 5 c x 2 ˙ + 6 25 c x 3 ˙ + 34 2 5 k x 1 - 3 5 k x 2 + 6 25 k x 3 = F 1 ( t )

5 m x 2 ¨ - 3 5 c x 1 ˙ + c x 2 ˙ - 2 5 c x 3 ˙ - 3 5 k x 1 + k x 2 - 2 5 k x 3 = F 2 ( t )

1 3 m x 1 ¨ + 2 3 m x 3 ¨ + 6 25 c x 1 ˙ - 2 5 c x 2 ˙ + 4 25 c x 3 ˙ + 6 25 k x 1 - 2 5 k x 2 + 29 25 k x 3 = F 3 ( t )

Resposta

2 3 m x 1 ¨ + 1 3 m x 3 ¨ + 9 25 c x 1 ˙ - 3 5 c x 2 ˙ + 6 25 c x 3 ˙ + 34 25 k x 1 - 3 5 k x 2 + 6 25 k x 3 = F 1 ( t )

5 m x 2 ¨ - 3 5 c x 1 ˙ + c x 2 ˙ - 2 5 c x 3 ˙ - 3 5 k x 1 + k x 2 - 2 5 k x 3 = F 2 ( t )

1 3 m x 1 ¨ + 2 3 m x 3 ¨ + 6 25 c x 1 ˙ - 2 5 c x 2 ˙ + 4 25 c x 3 ˙ + 6 25 k x 1 - 2 5 k x 2 + 29 25 k x 3 = F 3 ( t )

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