Introdução à física/Estática/Equilíbrio dos corpos rígidos

Quando as forças que agem num corpo são nulas, diz-se que o corpo está equilibrado. Nesses casos, há ausência de aceleração, e consequentemente, o corpo não gira em torno de si. Logo, corpos em equilíbrio satisfazem a seguinte equação:

Onde MH é a soma das forças que empurram o corpo para o sentido horário (momento horário) e MAH, as que empurram para o sentido anti-horário (momento anti-horário). Para calcular cada força individualmente, deve-se desenvolver a equação acima:

Onde:

Em que:

  • M é o momento, em newtons por metro (N/m);
  • F a força, em newtons (N);
  • d a distância entre um apoio e a força em questão, em metros (m).
No teorema de Lammy:

Estática do ponto material

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Quando há duas forças atuando sobre um corpo que está em equilíbrio, deve-se fazer a decomposição de vetores, considerando a soma dos momentos igual a zero. Quando há três forças, o melhor método é o teorema de Lammy. Quando há mais de três forças, deve-se fazer a decomposição por fórmulas conjuntas (neste último, R = 0).

Demonstração

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a) Um objeto de 1kg encontra-se em equilíbrio em uma rampa que forma ângulo de 30° com a superfície. Qual o coeficiente de atrito que há na rampa? Considere a aceleração gravitacional no local igual a 10 m/s2.

  • Como o objeto está em equilíbrio, os momentos são de igual intensidade. Assim, a força de atrito deve ser igual à força peso. Deve-se, ainda, decompor os vetores:
 
  • Substituindo-se por números:
 

b) Duas cordas ideais (A e B) presas a um teto plano, dispostas 75° uma da outra, prendem uma luminária L, de 2kg, que se encontra em equilíbrio. A luminária e a corda A formam ângulo de 135°. Qual a tração imposta em cada corda, considerando g = 10 m/s2?

 
  • Considerando A:
 
  • E considerando B:
 

Corpos extensos sobre um apoio

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Nesses casos, o(s) corpo(s) está(ão) em equilíbrio sobre um apoio.

Demonstração

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a) Uma gangorra de quatro metros, homogênea e de massa despresível, é sustentada por um apoio, exatamente a dois metros das extremidades. Uma criança A de massa 30kg está sentada a 2 metros do apoio da gangorra, e uma criança B de massa 40kg está sentada há 1,5 metros do apoio. A gangorra está em equilíbrio, considerando a aceleração gravitacional 10 m/s2?

  • Primeiramente, deve-se verificar cada momento. Enquanto a criança A leva a gongorra a girar a um lado, a criança B leva ao outro. Temos então:
 
  • Como a força que gera o movimento é a força peso:
 
  • Substituindo por números:
 

Logo, a gangorra está em equilíbrio.

b) Em um salão de festas, há uma mesa de seis metros, sustentada por um apoio localizado exatamente a 3,5 metros da extremidade esquerda, homogênea e de massa A. À esquerda do apoio, há vários objetos: um objeto B de 2kg, localizado a 1,5 metro do apoio e um objeto C de 1kg, a 2 metros. A 1,5 metro do apoio, à direita, está localizado um objeto D, de massa 10kg. Qual a massa da mesa (A), considerando que a mesa está em equilíbrio? Considere g = 10 m/s. Observe que o centro de gravidade da mesa, está situado à esquerda do apoio, logo, as forças A, B e C são do momento da esquerda, e a força D da direita:

 
  • Substituindo-se por números:
 
  • Então:
 

Corpos extensos sobre dois apoios

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Nestes casos, o corpo é sustentado por dois apoios. Para o sistema estar em equilíbrio, as forças seguem e satisfazem duas fórmulas, a primeira, a do equilíbrio vertical, já explicada anteriormente:

 

Onde:

  • F1 e F2 são as forças dos apoios (momento de sustentação);
  • FA + FB + FC + ... + Fn são as forças em questão (momento de carga).

E a do equilíbrio de rotação, em que a soma dos momentos é equivalente entre a distância d dos apoios multiplicado pela força F do apoio. Todavia, as distâncias entre as forças e o apoio 1 é igual à distância multiplicada pela força do apoio 2:

 

Onde:

  • F é igual às forças de cada objeto, em newtons (N);
  • d é a distância entre a força em questão e o apoio 1, em metros (m);
  • Fx é a força do apoio 2, em newtons (N);
  • dx é a distância entre o apoio 1 e 2, em metros (m).

Demonstração

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Em uma cidade do interior do estado do Mato Grosso, pretende-se construir uma ponte. Os engenheiros decidiram que a carga mínima (P) que a ponte deveria sustentar é de trinta toneladas. A ponte é sustentada por duas pilastras, A e B. Qual a carga sustentada por cada pilastra, sendo que a ponte tem cinco metros, sendo distância de um do outro exatamente cinco metros? Considere g = 10 m/s2.

  • Pelo equilíbrio de rotação, tem-se as seguintes distâncias e forças peso (observe que a distância da força de carga foi considerada 2,5 metros):

 

  • E pelo equilíbrio vertical:

 

Ou seja, cada pilastra sustenta, no mínimo, 150.000 N.