Problemas

Barra A 2L ΔL 00

 

Barra B 4L 2ΔL 00

 

Barra C 10L 4ΔL 00

 

12 Sete pesos estão pendurados no arranjo (em repouso) de polias ideais e

cordas de massa desprezível da Fig. 12-24. Uma corda comprida passa por todas as polias, e cordas menores sustentam as polias e os pesos. São dados os pesos (em newtons) de todos os pesos, exceto um. (a) Qual é o peso que falta? (Sugestão: Uma corda que dá meia-volta em torno de uma polia puxa-a com uma força total que é igual a duas vezes a da tração da corda.) (b) Qual é a tração da corda T?

 

Figura 12-24  Pergunta 12.

 

Problemas

 

. - ... O número de pontos indica o grau de dificuldade do problema.

Informações adicionais disponíveis em O Circo Voador da Física,

de Jearl Walker, LTC, Rio de Janeiro, 2008.

 

Módulo 12-1 Equilíbrio ·1 Como a constante g é praticamente a mesma em todos os pontos da grande maioria da estruturas, em geral supomos que o centro de gravidade de uma estrutura coincide com o centro de massa. Neste exemplo fictício, porém, a

variação da constante g é significativa. A Fig. 12-25 mostra um arranjo de seis partículas, todas de massa m, presas na borda de uma estrutura rígida, de massa desprezível. A distância entre partículas vizinhas da mesma borda é 2,00 m. A tabela a seguir mostra o valor de g (em m/s2) na posição de cada partícula. Usando o sistema de coordenadas mostrado na figura, determine (a) a coordenada x e (b) a coordenada y do centro de massa do conjunto. CM CM Em seguida, determine (c) a coordenada x e (d) a coordenada y do centro CG CG de gravidade do conjunto.

 

Figura 12-25  Problema 1.

 

Partícula g Partícula g

 

1 8,00 4 7,40

 

2 7,80 5 7,60

 

3 7,60 6 7,80

 

Módulo 12-2 Alguns Exemplos de Equilíbrio Estático

·2 A distância entre os eixos dianteiro e traseiro de um automóvel é de 3,05 m. A massa do automóvel é de 1360 kg e o centro de gravidade está situado 1,78 m atrás do eixo dianteiro. Com o automóvel em terreno plano, determine o módulo da força exercida pelo solo (a) sobre cada roda dianteira (supondo que as forças exercidas sobre as rodas dianteiras são iguais) e (b) sobre cada roda traseira (supondo que as forças exercidas sobre as rodas traseiras são iguais).

·3 Na Fig. 12-26, uma esfera homogênea de massa m = 0,85 kg e raio r = 4,2 cm é mantida em repouso por uma corda, de massa desprezível, presa a uma parede sem atrito a uma distância L = 8,0 cm acima do centro da esfera. Determine (a) a tração da corda e (b) a força que a parede exerce sobre a esfera.

 

Figura 12-26  Problema 3.

 

·4 A corda de um arco é puxada pelo ponto central até que a tração da corda fique igual à força exercida pelo arqueiro. Qual é o ângulo entre as duas partes da corda?

·5 Uma corda, de massa desprezível, está esticada horizontalmente entre dois suportes separados por uma distância de 3,44 m. Quando um objeto pesando 3160 N é pendurado no centro da corda, ela cede 35,0 cm. Qual é a tração da corda?

·6 Um andaime com 60 kg de massa e 5,0 m de comprimento é mantido na horizontal por um cabo vertical em cada extremidade. Um lavador de janelas, com 80 kg de massa, está de pé no andaime a 1,5 m de distância de uma das extremidades. Qual é a tração (a) do cabo mais próximo e (b) do cabo mais distante do trabalhador?

·7 Um lavador de janelas de 75 kg usa uma escada com 10 kg de massa e 5,0 m de comprimento. Ele apoia uma extremidade no piso a 2,5 m de uma parede, encosta a extremidade oposta em uma janela rachada e começa a subir. Depois de o lavador percorrer uma distância de 3,0 m ao longo da escada, a janela quebra. Despreze o atrito entre a escada e a janela e suponha que a base da escada não escorregue. Quando a janela está na iminência de quebrar, qual é (a) o módulo da força que a escada exerce sobre a janela, (b) qual é o módulo da força que o piso exerce sobre a escada e (c) qual é o ângulo (em relação à horizontal) da força que o piso exerce sobre a escada?

·8 Oito alunos de física, cujos pesos estão indicados em newtons na Fig. 12-

27, se equilibram em uma gangorra. Qual é o número do estudante que produz o maior torque em relação a um eixo de rotação que passa pelo fulcro f no sentido (a) para fora do papel e (b) para dentro do papel?

 

Figura 12-27  Problema 8.

 

·9 Uma régua de um metro está em equilíbrio horizontal na lâmina de uma faca, na marca de 50,0 cm. Com duas moedas de 5,00 g empilhadas na marca de 12,0 cm, a régua fica em equilíbrio na marca de 45,5 cm. Qual é a massa da régua?

·10 O sistema da Fig. 12-28 está em equilíbrio, com a corda do centro exatamente na horizontal. O bloco A pesa 40 N, o bloco B pesa 50 N e o ângulo ϕ é 35º. Determine (a) a tração T , (b) a tração T , (c) a tração T e (d) 1 2 3 o ângulo θ.

 

Figura 12-28  Problema 10.

 

·11 Um mergulhador com 580 N de peso está em pé na extremidade de um

trampolim, de comprimento L = 4,5 m e massa desprezível (Fig. 12-29). O trampolim está preso em dois suportes separados por uma distância d = 1,5 m. Das forças que agem sobre o trampolim, qual é (a) o módulo e (b) qual é o sentido (para cima ou para baixo) da força exercida pelo suporte de trás? (c) Qual é o módulo e (d) qual o sentido (para cima ou para baixo) da força exercida pelo suporte da frente? (e) Que pedestal (o de trás ou o da frente) está sendo tracionado e (f) que pedestal está sendo comprimido?

 

Figura 12-29  Problema 11.

 

·12 Na Fig. 12-30, um homem está tentando tirar o carro de um atoleiro no acostamento de uma estrada. Para isso, ele amarra uma das extremidades de uma corda no para-choque dianteiro e a outra extremidade em um poste, a 18 m de distância. Em seguida, o homem empurra a corda lateralmente, no ponto médio, com uma força de 550 N, deslocando o centro da corda de 0,30 m em relação à posição anterior, e o carro praticamente não se move. Qual é a força exercida pela corda sobre o carro? (A corda sofre um pequeno alongamento.)

 

Figura 12-30  Problema 12.

 

·13 A Fig. 12-31 mostra as estruturas anatômicas da parte inferior da perna e do pé que estão envolvidas quando ficamos na ponta do pé, com o calcanhar levemente levantado e o pé fazendo contato com o chão apenas no ponto P. Suponha que a = 5,0 cm, b = 15 cm e o peso da pessoa seja 900 N. Das forças que agem sobre o pé, qual é (a) o módulo e (b) qual é o sentido (para cima ou para baixo) da força que o músculo da panturrilha exerce sobre o ponto A? (c) Qual é o módulo e (d) qual é o sentido (para cima ou para baixo) da força que os ossos da perna exercem sobre o ponto B?

 

Figura 12-31  Problema 13.

 

·14 Na Fig. 12-32, um andaime horizontal, de 2,00 m de comprimento e massa homogênea de 50,0 kg, está suspenso em um edifício por dois cabos. O andaime tem várias latas de tinta empilhadas. A massa total das latas de tinta é 75,0 kg. A tração do cabo à direita é 722 N. A que distância desse cabo está o centro de massa do sistema de latas de tinta?

 

Figura 12-32  Problema 14.

 

·15 As forças , e agem sobre a estrutura cuja vista superior aparece na 1 2 3

Fig. 12-33. Deseja-se colocar a estrutura em equilíbrio aplicando uma quarta força em um ponto como P. A quarta força tem componentes vetoriais e h

v. Sabe-se que a = 2,0 m, b = 3,0 m, c = 1,0 m, F = 20 N, F = 10 N e F = 1 2 3 5,0 N. Determine (a) F , (b) F e (c) d. h v

Figura 12-33  Problema 15.

 

·16 Um caixote cúbico homogêneo com 0,750 m de lado e 500 N de peso repousa em um piso com um dos lados da base encostado em um obstáculo fixo de pequena altura. A que altura mínima acima do piso deve ser aplicada uma força horizontal de 350 N para virar o caixote?

·17 Na Fig. 12-34, uma viga homogênea de 3,0 m de comprimento e 500 N de peso está suspensa horizontalmente. No lado esquerdo, está presa a uma parede por uma dobradiça; no lado direito, é sustentada por um cabo pregado na parede a uma distância D acima da viga. A tração de ruptura do cabo é 1200 N. (a) Que valor de D corresponde a essa tração? (b) Para que o cabo não se rompa, D deve aumentar ou diminuir em relação a esse valor?

 

Figura 12-34  Problema 17.

 

·18 Na Fig. 12-35, o andaime horizontal 2, de massa homogênea m = 30,0 2 kg e comprimento L = 2,00 m, está pendurado no andaime horizontal 1, de 2

massa homogênea m = 50,0 kg. Uma caixa de pregos, de 20,0 kg, está no 1

andaime 2, com o centro a uma distância d = 0,500 m da extremidade esquerda. Qual é a tração T do cabo indicado na figura?

Figura 12-35  Problema 18.

 

 

·19 Para quebrar a casca de uma noz com um quebra-nozes, forças de pelo menos 40 N de módulo devem agir sobre a casca em ambos os lados. Para o

quebra-nozes da Fig. 12-36, com distâncias L = 12 cm e d = 2,6 cm, quais são as componentes em cada cabo das forças F (aplicadas perpendicularmente ⊥ aos cabos) que correspondem a esses 40 N?

 

Figura 12-36  Problema 19.

 

·20 Um jogador segura uma bola de boliche (M = 7,2 kg) na palma da mão

(veja a Fig. 12-35). O braço está na vertical e o antebraço (m = 1,8 kg) na horizontal. Qual é o módulo (a) da força que o bíceps exerce sobre o antebraço e (b) da força que os ossos exercem entre si na articulação do cotovelo?

 

Figura 12-37  Problema 20.

··21 O sistema na Fig. 12-38 está em equilíbrio. Um bloco de concreto com massa de 225 kg está pendurado na extremidade de uma longarina homogênea com massa de 45,0 kg. Para os ângulos ϕ = 30,0º e θ = 45,0º, determine (a) a tração T do cabo e as componentes (b) horizontal e (c) vertical da força que a dobradiça exerce sobre a longarina.

 

Figura 12-38  Problema 21.

 

··22 Na Fig. 12-39, um alpinista de 55 kg está subindo por uma chaminé na pedra, com as mãos puxando um lado da chaminé e os pés pressionando o lado oposto. A chaminé tem uma largura w = 0,20 m, e o centro de massa do alpinista está a uma distância horizontal d = 0,40 m da chaminé. O coeficiente de atrito estático entre as mãos e a rocha é μ = 0,40 e 1 entre as botas e a pedra é μ = 1,2. (a) Qual é a menor força horizontal das 2

mãos e dos pés que mantém o alpinista estável? (b) Para a força horizontal do item (a), qual deve ser a distância vertical h entre as mãos e os pés? Se o alpinista encontra uma pedra molhada, para a qual os valores de μ e μ são 1 2 menores, (c) o que acontece com a resposta do item (a) e (d) o que acontece com a resposta do item (b)?

 

Figura 12-39  Problema 22.

 

··23 Na Fig. 12-40, uma extremidade de uma viga homogênea, de 222 N de peso, está presa por uma dobradiça a uma parede; a outra extremidade é sustentada por um fio que faz o mesmo ângulo θ = 30,0º com a viga e com a parede. Determine (a) a tração do fio e as componentes (b) horizontal e (c) vertical da força que a dobradiça exerce sobre a viga.

 

Figura 12-40  Problema 23.

 

··24 Na Fig. 12-41, uma alpinista com 533,8 N de peso é sustentada por uma corda de segurança presa a um grampo em uma das extremidades e a um mosquetão na cintura da moça na outra extremidade. A linha de ação da força exercida pela corda passa pelo centro de massa da alpinista. Os ângulos indicados na figura são θ = 40,0o e ϕ = 30,0o. Se os pés da moça estão na iminência de escorregar na parede vertical, qual é o coeficiente de atrito estático entre os sapatos de alpinismo e a parede?

 

Figura 12-41  Problema 24.

··25 Na Fig. 12-42, qual é o menor valor do módulo da força horizontal (constante) , aplicada ao eixo da roda, que permite à roda ultrapassar um degrau de altura h = 3,00 cm? O raio da roda é r = 6,00 cm e a massa da roda é m = 0,800 kg.

 

Figura 12-42  Problema 25.

 

··26 Na Fig. 12-43, um alpinista se apoia com as mãos em uma encosta vertical coberta de gelo cujo atrito é desprezível. A distância a é 0,914 m e a distância L é 2,10 m. O centro de massa do alpinista está a uma distância d = 0,940 m do ponto de contato dos pés do alpinista com uma plataforma horizontal na pedra. Se o alpinista está na iminência de escorregar, qual é o coeficiente de atrito estático entre os pés e a pedra?

 

Figura 12-43  Problema 26.

 

··27 Na Fig. 12-44, um bloco de 15 kg é mantido em repouso por meio de um sistema de polias. O braço da pessoa está na vertical; o antebraço faz um ângulo θ = 30º com a horizontal. O antebraço e a mão têm uma massa conjunta de 2,0 kg, com o centro de massa a uma distância d = 15 cm à 1 frente do ponto de contato dos ossos do antebraço com o osso do braço (úmero). Um músculo (o tríceps) puxa o antebraço verticalmente para cima com uma força cujo ponto de aplicação está a uma distância d = 2,5 cm atrás 2 desse ponto de contato. A distância d é 35 cm. Determine (a) o módulo e (b) 3 o sentido (para cima ou para baixo) da força exercida pelo tríceps sobre o antebraço e (c) o módulo e (d) o sentido (para cima ou para baixo) da força exercida pelo úmero sobre o antebraço.

 

Figura 12-44  Problema 27.

 

··28 Na Fig. 12-45, suponha que o comprimento L da barra homogênea seja de 3,00 m e peso seja de 200 N. Suponha ainda que o bloco tenha um peso de 300 N e que θ = 30,0º. O fio pode suportar uma tração máxima de 500 N. (a) Qual é a maior distância x para a qual o fio não arrebenta? Com o bloco posicionado nesse valor máximo de x, qual é a componente (b) horizontal e (c) vertical da força que a dobradiça exerce sobre a barra no ponto A?

 

Figura 12-45  Problemas 28 e 34.

 

··29 Uma porta tem uma altura de 2,1 m, ao longo de um eixo y que se estende verticalmente para cima, e uma largura de 0,91 m, ao longo de um eixo x que se estende horizontalmente a partir do lado da porta que está preso com dobradiças. Uma das dobradiças está a 0,30 m da borda superior da porta, e outra a 0,30 m da borda inferior; cada uma sustenta metade do peso da porta, cuja massa é de 27 kg. Na notação dos vetores unitários, qual é a força exercida sobre a porta (a) pela dobradiça superior e (b) pela dobradiça inferior?

··30 Na Fig. 12-46, um cartaz quadrado homogêneo de 50,0 kg, de lado L = 2,00 m, está pendurado em uma barra horizontal de comprimento d = 3,00 m h e massa desprezível. Um cabo está preso em uma extremidade da barra e em um ponto de uma parede a uma distância d = 4,00 m acima do ponto onde a v outra extremidade da barra está presa na parede por uma dobradiça. (a) Qual é a tração do cabo? (b) Qual é o módulo e (c) qual o sentido (para a esquerda ou para a direita) da componente horizontal da força que a dobradiça exerce sobre a haste? (d) Qual é o módulo e (e) qual o sentido (para cima ou para baixo) da componente vertical dessa força?

 

Figura 12-46  Problema 30.

 

··31 Na Fig. 12-47, uma barra não homogênea está suspensa em repouso, na horizontal, por duas cordas de massa desprezível. Uma corda faz um ângulo θ = 36,9º com a vertical; a outra faz um ângulo ϕ = 53,1º com a vertical. Se o comprimento L da barra é 6,10 m, calcule a distância x entre a extremidade esquerda da barra e o centro de massa.

Figura 12-47  Problema 31.

 

··32 Na Fig. 12-48, a motorista de um carro que se move em uma estrada horizontal faz uma parada de emergência aplicando os freios de tal forma que as quatro rodas ficam bloqueadas e derrapam na pista. O coeficiente de atrito cinético entre os pneus e a pista é 0,40. A distância entre os eixos dianteiro e traseiro é L = 4,2 m, e o centro de massa do carro está a uma distância d = 1,8 m atrás do eixo dianteiro e a uma altura h = 0,75 m acima da pista. O carro pesa 11 kN. Determine o módulo (a) da aceleração do carro durante a frenagem, (b) da força normal a que uma das rodas traseiras é submetida, (c) da força normal a que uma das rodas dianteiras é submetida, (d) da força de frenagem a que uma das rodas traseiras é submetida, e (e) da força de frenagem a que uma das rodas dianteiras é submetida. (Sugestão: Embora o carro não esteja em equilíbrio para translações, está em equilíbrio para rotações.)

 

Figura 12-48  Problema 32.

 

··33 A Fig. 12-49a mostra uma viga vertical homogênea, de comprimento L, que está presa a uma dobradiça na extremidade inferior. Uma força horizontal

a é aplicada à viga a uma distância y da extremidade inferior. A viga

permanece na vertical porque há um cabo preso na extremidade superior,

fazendo um ângulo θ com a horizontal. A Fig. 12-49b mostra a tração T do cabo em função do ponto de aplicação da força, dada como uma fração y/L do comprimento da barra. A escala do eixo vertical é definida por T = 600 N. s

A Fig. 12-49c mostra o módulo F da componente horizontal da força que a h dobradiça exerce sobre a viga, também em função de y/L. Calcule (a) o ângulo θ e (b) o módulo de . a

 

Figura 12-49  Problema 33.

 

··34 Na Fig. 12-45, uma barra fina AB, de peso desprezível e comprimento L, está presa a uma parede vertical por uma dobradiça no ponto A e é sustentada no ponto B por um fio fino BC que faz um ângulo θ com a horizontal. Um bloco, de peso P, pode ser deslocado para qualquer posição ao longo da barra; sua posição é definida pela distância x da parede ao seu centro de massa. Determine, em função de x, (a) a tração do fio e as componentes (b) horizontal e (c) vertical da força que a dobradiça exerce sobre a barra no ponto A.

··35 Uma caixa cúbica está cheia de areia e pesa 890 N. Desejamos fazer a caixa “rolar” empurrando-a horizontalmente por uma das bordas superiores. (a) Qual é a menor força necessária? (b) Qual é o menor coeficiente de atrito estático necessário entre a caixa e o piso? (c) Se existe um modo mais eficiente de fazer a caixa rolar, determine a menor força possível que deve ser aplicada diretamente à caixa para que isso aconteça. (Sugestão: Qual é o ponto de aplicação da força normal quando a caixa está prestes a tombar?)

··36 A Fig. 12-50 mostra uma alpinista de 70 kg sustentada apenas por uma das mãos em uma saliência horizontal de uma encosta vertical, uma pegada conhecida como pinça. (A moça exerce uma força para baixo com os dedos para se segurar.) Os pés da alpinista tocam a pedra a uma distância H = 2,0 m verticalmente abaixo dos dedos, mas não oferecem nenhum apoio; o centro da massa da alpinista está a uma distância a = 0,20 m da encosta. Suponha que a força que a saliência exerça sobre a mão esteja distribuída igualmente por quatro dedos. Determine o valor (a) da componente horizontal F e (b) da componente vertical F da força exercida pela saliência h v sobre um dos dedos.

 

Figura 12-50  Problema 36.

 

··37 Na Fig. 12-51, uma prancha homogênea, com comprimento L de 6,10 m e peso de 445 N, repousa apoiada no chão e em um rolamento sem atrito no alto de uma parede de altura h = 3,05 m. A prancha permanece em equilíbrio para qualquer valor de θ ≥ 70º, mas escorrega se θ < 70º. Determine o coeficiente de atrito estático entre a prancha e o chão.

Figura 12-51  Problema 37.

 

 

··38 Na Fig. 12-52, vigas homogêneas A e B estão presas a uma parede por dobradiças e frouxamente rebitadas uma na outra (uma não exerce torque sobre a outra). A viga A tem comprimento L = 2,40 m e massa de 54,0 kg; a A viga B tem massa de 68,0 kg. As dobradiças estão separadas por uma distância d = 1,80 m. Na notação dos vetores unitários, qual é a força (a) sobre a viga A exercida por sua dobradiça, (b) sobre a viga A exercida pelo rebite, (c) sobre a viga B exercida por sua dobradiça e (d) sobre a viga B exercida pelo rebite?

 

Figura 12-52  Problema 38.

 

···39 Os lados AC e CE da escada da Fig. 12-53 têm 2,44 m de comprimento e estão unidos por uma dobradiça no ponto C. A barra horizontal BD tem 0,762 m de comprimento e está na metade da altura da escada. Um homem que pesa 854 N sobe 1,80 m ao longo da escada. Supondo que não há atrito com o piso e desprezando a massa da escada, determine (a) a tensão da barra e o módulo da força que o chão exerce sobre a escada (b) no ponto A e (c) no ponto E. (Sugestão: Isole partes da escada ao aplicar as condições de equilíbrio.)

Figura 12-53  Problema 39.

 

···40 A Fig. 12-54a mostra uma viga horizontal homogênea, de massa m e b comprimento L, que é sustentada à esquerda por uma dobradiça presa a uma parede e à direita por um cabo que faz um ângulo θ com a horizontal. Um pacote, de massa m , está posicionado na viga a uma distância x da p

extremidade esquerda. A massa total é m + m = 61,22 kg. A Fig. 12-54b b p mostra a tração T do cabo em função da posição do pacote, dada como uma fração x/L do comprimento da viga. A escala do eixo das tensões é definida por T = 500 N e T = 700 N. Calcule (a) o ângulo θ, (b) a massa m e (c) a a b b massa m . p

 

Figura 12-54  Problema 40.

 

···41 Um caixote, na forma de um cubo com 1,2 m de lado, contém uma peça de máquina; o centro de massa do caixote e do conteúdo está localizado 0,30 m acima do centro geométrico do caixote. O caixote repousa em uma rampa que faz um ângulo θ com a horizontal. Quando θ aumenta a partir de zero, um valor de ângulo é atingido para o qual o caixote tomba ou desliza pela rampa. Se o coeficiente de atrito estático μ entre a rampa e o caixote é 0,60, s (a) a rampa tomba ou desliza? (b) Para que ângulo θ isso acontece? Se μ = s 0,70, (c) o caixote tomba ou desliza? (d) Para que ângulo θ isso acontece? (Sugestão: Qual é o ponto de aplicação da força normal quando o caixote está prestes a tombar?)

 

···42 No Exemplo 12.03, suponha que o coeficiente de atrito estático μ entre s a escada e o piso seja 0,53. A que distância (como porcentagem do comprimento total da escada) o bombeiro deve subir para que a escada esteja na iminência de escorregar?

 

Módulo 12-3 Elasticidade

·43 Uma barra horizontal de alumínio com 4,8 cm de diâmetro se projeta 5,3 cm para fora de uma parede. Um objeto de 1200 kg está suspenso na extremidade da barra. O módulo de cisalhamento do alumínio é 3,0 × 1010 N/m2. Desprezando a massa da barra, determine (a) a tensão de cisalhamento que age sobre a barra e (b) a deflexão vertical da extremidade da barra.

·44 A Fig. 12-55 mostra a curva tensão-deformação de um material. A escala do eixo das tensões é definida por s = 300, em unidades de 106 N/m2. Determine (a) o módulo de Young e (b) o valor aproximado do limite elástico do material.

 

Figura 12-55  Problema 44.

 

··45 Na Fig. 12-56, um tijolo de chumbo repousa horizontalmente nos cilindros A e B. As áreas das faces superiores dos cilindros obedecem à relação A = 2A ; os módulos de Young dos cilindros obedecem à relação E A BA = 2E . Os cilindros tinham a mesma altura antes que o tijolo fosse colocado B

sobre eles. Que fração da massa do tijolo é sustentada (a) pelo cilindro A e (b) pelo cilindro B? As distâncias horizontais entre o centro de massa do tijolo e os eixos dos cilindros são d e d . (c) Qual é o valor da razão d /d ? A B A B

 

Figura 12-56  Problema 45.

 

··46 A Fig. 12-57 mostra o gráfico tensão-deformação aproximado de um fio de teia de aranha, até o ponto em que se rompe com uma deformação de 2,00. A escala do eixo das tensões é definida por a = 0,12 GN/m2, b = 0,30 GN/m2, e c = 0,80 GN/m2. Suponha que o fio tenha um comprimento inicial de 0,80 cm, uma área da seção reta inicial de 8,0 × 10–12 m2 e um volume constante durante o alongamento. Suponha também que, quando um inseto se choca com o fio, toda a energia cinética do inseto é usada para alongar o fio. (a) Qual é a energia cinética que coloca o fio na iminência de se romper? Qual é a energia cinética (b) de uma drosófila com uma massa de 6,00 mg voando a 1,70 m/s e (c) de uma abelha com massa de 0,388 g voando a 0,420 m/s? O fio seria rompido (d) pela drosófila e (e) pela abelha?

 

Figura 12-57  Problema 46.

 

··47 Um túnel de comprimento L = 150 m, altura H = 7,2 m, largura de 5,8 m e teto plano deve ser construído a uma distância d = 60 m da superfície. (Veja

a Fig. 12-58.) O teto do túnel deve ser sustentado inteiramente por colunas quadradas de aço com uma seção reta de 960 cm2. A massa de 1,0 cm3 de solo é 2,8 g. (a) Qual é o peso total que as colunas do túnel devem sustentar? (b) Quantas colunas são necessárias para manter a tensão compressiva em cada coluna na metade do limite de ruptura?

 

Figura 12-58  Problema 47.

 

··48 A Figura 12-59 mostra a curva tensão-deformação de um fio de alumínio ensaiado em uma máquina que puxa as extremidades do fio em sentidos opostos. A escala do eixo das tensões é definida por s = 7,0, em unidades de 107 N/m2. O fio tem um comprimento inicial de 0,800 m e a área da seção reta inicial é 2,00 × 10–6 m2. Qual é o trabalho realizado pela força que a máquina de ensaios exerce sobre o fio para produzir uma deformação de 1,00 × 10–3?

 

Figura 12-59  Problema 48.

 

··49 Na Fig. 12-60, um tronco homogêneo de 103 kg está pendurado por dois fios de aço, A e B, ambos com 1,20 mm de raio. Inicialmente, o fio A tinha 2,50 m de comprimento e era 2,00 mm mais curto do que o fio B. O tronco agora está na horizontal. Qual é o módulo da força exercida sobre o tronco (a) pelo fio A e (b) pelo fio B? (c) Qual é o valor da razão d /d ? A B

Figura 12-60  Problema 49.

 

 

···50 A Fig. 12-61 mostra um inseto capturado no ponto central do fio de uma teia de aranha. O fio se rompe ao ser submetido a uma tração de 8,20 × 108 N/m2 e a deformação correspondente é 2,00. Inicialmente, o fio estava na horizontal e tinha um comprimento de 2,00 cm e uma área da seção reta de 8,00 × 10–12 m2. Quando o fio cedeu ao peso do inseto, o volume permaneceu constante. Se o peso do inseto coloca o fio na iminência de se romper, qual é a massa do inseto? (Uma teia de aranha é construída para se romper se um inseto potencialmente perigoso, como uma abelha, fica preso da teia.)

 

Figura 12-61  Problema 50.

 

···51 A Fig. 12-62 é a vista superior de uma barra rígida que gira em torno de um eixo vertical até entrar em contato com dois batentes de borracha exatamente iguais, A e B, situados a r = 7,0 cm e r = 4,0 cm de distância do A B eixo. Inicialmente, os batentes estão encostados nas paredes sem sofrer compressão. Em seguida, uma força de módulo 220 N é aplicada perpendicularmente à barra a uma distância R = 5,0 cm do eixo. Determine o módulo da força que comprime (a) o batente A e (b) o batente B.

Figura 12-62  Problema 51.

 

Problemas Adicionais

52 Depois de uma queda, um alpinista de 95 kg está pendurado na extremidade de uma corda originalmente com 15 m de comprimento e 9,6 mm de diâmetro, que foi esticada de 2,8 cm. Determine (a) a tensão, (b) a deformação e (c) o módulo de Young da corda.

53 Na Fig. 12-63, uma placa retangular de ardósia repousa em uma superfície rochosa com uma inclinação θ = 26º. A placa tem comprimento L = 43 m, espessura T = 2,5 m, largura W = 12 m, e 1,0 cm3 da placa tem massa de 3,2 g. O coeficiente de atrito estático entre a placa e a rocha é 0,39. (a) Calcule a componente da força gravitacional que age sobre a placa paralelamente à superfície da rocha. (b) Calcule o módulo da força de atrito estático que a rocha exerce sobre a placa. Comparando (a) e (b), você pode ver que a placa corre o risco de escorregar, o que é evitado apenas pela presença de protuberâncias na rocha. (c) Para estabilizar a placa, pinos devem ser instalados perpendicularmente à superfície da rocha (dois desses pinos são mostrados na figura). Se cada pino tem uma seção reta de 6,4 cm2 e se rompe ao ser submetido a uma tensão de cisalhamento de 3,6 × 108 N/m2, qual é o número mínimo de pinos necessário? Suponha que os pinos não alterem a força normal.

Figura 12-63  Problema 53.

 

54 Uma escada homogênea com 5,0 m de comprimento e 400 N de peso está apoiada em uma parede vertical sem atrito. O coeficiente de atrito estático entre o chão e o pé da escada é 0,46. Qual é a maior distância a que o pé da escada pode estar da base da parede sem que a escada escorregue?

55 Na Fig. 12-64, o bloco A, com massa de 10 kg, está em repouso, mas escorregaria se o bloco B, que tem massa de 5,0 kg, fosse mais pesado. Se θ = 30o, qual é o coeficiente de atrito estático entre o bloco A e a superfície na qual está apoiado?

 

Figura 12-64  Problema 55.

 

56 A Fig. 12-65a mostra uma rampa homogênea, instalada entre dois edifícios, que leva em conta a possibilidade de que os edifícios oscilem ao serem submetidos a ventos fortes. Na extremidade esquerda, a rampa está presa por uma dobradiça à parede de um dos edifícios; na extremidade direita, tem um rolamento que permite o movimento ao longo da parede do outro edifício. A força que o edifício da direita exerce sobre o rolamento não possui componente vertical, mas apenas uma força horizontal de módulo F . h A distância horizontal entre os edifícios é D = 4,00 m. O desnível entre as extremidades da rampa é h = 0,490 m. Um homem caminha ao longo da

rampa a partir da extremidade esquerda. A Fig. 12-65b mostra F em função h da distância horizontal x entre o homem e o edifício da esquerda. A escala do eixo de F é definida por a = 20 kN e b = 25 kN. (a) Qual é a massa da h

rampa? (b) Qual é a massa do homem?

Figura 12-65  Problema 56.

 

57 Na Fig. 12-66, uma esfera de 10 kg está presa por um cabo em um plano inclinado sem atrito que faz um ângulo θ = 45º com a horizontal. O ângulo ϕ é 25º. Calcule a tração do cabo.

 

Figura 12-66  Problema 57.

 

58 Na Fig. 12-67a, uma viga homogênea de 40,0 kg repousa simetricamente em dois rolamentos. As distâncias entre as marcas verticais ao longo da viga são iguais. Duas das marcas coincidem com a posição dos rolamentos; um pacote de 10,0 kg é colocado na viga, na posição do rolamento B. Qual é o módulo da força exercida sobre a viga (a) pelo rolamento A e (b) pelo rolamento B? A viga é empurrada para a esquerda até que a extremidade

direita esteja acima do rolamento B (Fig. 12-67b). Qual é o novo módulo da força exercida sobre a viga (c) pelo rolamento A e (d) pelo rolamento B? Em seguida, a viga é empurrada para a direita. Suponha que a viga tenha um comprimento de 0,800 m. (e) Que distância horizontal entre o pacote e o rolamento B coloca a viga na iminência de perder contato com o rolamento A?

Figura 12-67  Problema 58.

 

59 Na Fig. 12-68, uma caçamba de 817 kg está suspensa por um cabo A que, por sua vez, está preso no ponto O a dois outros cabos, B e C, que fazem ângulos θ = 51,0º e θ = 66,0º com a horizontal. Determine a tração (a) do 1 2

cabo A, (b) do cabo B e (c) do cabo C. (Sugestão: Para não ter de resolver um sistema de duas equações com duas incógnitas, defina os eixos da forma mostrada na figura.)

 

Figura 12-68  Problema 59.

 

60 Na Fig. 12-69, um pacote de massa m está pendurado em uma corda que, por sua vez, está presa à parede pela corda 1 e ao teto pela corda 2. A corda 1 faz um ângulo ϕ = 40º com a horizontal; a corda 2 faz um ângulo θ. (a) Para que valor de θ a tração da corda 2 é mínima? (b) Qual é a tração mínima, em múltiplos de mg?

Figura 12-69  Problema 60.

 

61 A força da Fig. 12-70 mantém o bloco de 6,40 kg e as polias em equilíbrio. As polias têm massa e atrito desprezíveis. Calcule a tração T do cabo de cima. (Sugestão: Quando um cabo dá meia-volta em torno de uma polia, como neste problema, o módulo da força que exerce sobre a polia é o dobro da tração do cabo.)

 

Figura 12-70  Problema 61.

 

62 Um elevador de mina é sustentado por um único cabo de aço com 2,5 cm de diâmetro. A massa total do elevador e seus ocupantes é 670 kg. De quanto o cabo se alonga quando o elevador está pendurado por (a) 12 m e (b) 362 m de cabo? (Despreze a massa do cabo.)

63 Quatro tijolos de comprimento L, iguais e homogêneos, são

empilhados (Fig. 12-71) de tal forma que parte de cada um se estende além da superfície na qual está apoiado. Determine, em função de L, o valor máximo de (a) a , (b) a , (c) a , (d) a e (e) h para que a pilha fique em 1 2 3 4 equilíbrio.

Figura 12-71  Problema 63.

 

64 Na Fig. 12-72, duas esferas iguais, homogêneas e sem atrito, de massa m, repousam em um recipiente retangular rígido. A reta que liga os centros das esferas faz 45o com a horizontal. Determine o módulo da força exercida (a) pelo fundo do recipiente sobre a esfera de baixo, (b) pela parede lateral esquerda do recipiente sobre a esfera de baixo, (c) pela parede lateral direita do recipiente sobre a esfera de cima e (d) por uma das esferas sobre a outra. (Sugestão: A força de uma esfera sobre a outra tem a direção da reta que liga os centros das esferas.)

 

Figura 12-72  Problema 64.

 

65 Na Fig. 12-73, uma viga homogênea com 60 N de peso e 3,2 m de comprimento está presa a uma dobradiça na extremidade inferior, e uma força horizontal de módulo 50 N age sobre a extremidade superior. A viga é mantida na posição vertical por um cabo que faz um ângulo θ = 25º com o chão e está preso à viga a uma distância h = 2,0 m do chão. (a) Qual é a tração do cabo e (b) qual é a força exercida pela dobradiça sobre a viga, na notação dos vetores unitários?

Figura 12-73  Problema 65.

 

66 Uma viga homogênea tem 5,0 m de comprimento e massa de 53 kg. Na

Fig. 12-74, a viga está sustentada na posição horizontal por uma dobradiça e um cabo; θ = 60º. Na notação dos vetores unitários, qual é a força que a dobradiça exerce sobre a viga?

 

Figura 12-74  Problema 66.

 

67 Um cubo de cobre maciço tem 85,5 cm de lado. Qual é a tensão que deve ser aplicada ao cubo para reduzir o lado para 85,0 cm? O módulo de elasticidade volumétrico do cobre é 1,4 × 1011 N/m2.

68 Um operário tenta levantar uma viga homogênea do chão até a posição vertical. A viga tem 2,50 m de comprimento e pesa 500 N. Em um dado instante, o operário mantém a viga momentaneamente em repouso com a extremidade superior a uma distância d = 1,50 m do chão, como mostra a

Fig. 12-75, exercendo uma força perpendicular à viga. (a) Qual é o módulo P da força? (b) Qual é o módulo da força (resultante) que o piso exerce sobre a viga? (c) Qual é o valor mínimo do coeficiente de atrito estático entre a viga e o piso para que a viga não escorregue nesse instante?

Figura 12-75  Problema 68.

 

 

69 Na Fig. 12-76, uma viga homogênea de massa m está presa a uma parede por uma dobradiça na extremidade inferior, enquanto a extremidade superior é sustentada por uma corda presa na parede. Se θ = 60º, que valor deve ter o 1 ângulo θ para que a tração da corda seja mg/2? 2

 

Figura 12-76  Problema 69.

 

70 Um homem de 73 kg está em pé em uma ponte horizontal de comprimento L, a uma distância L/4 de uma das extremidades. A ponte é homogênea e pesa 2,7 kN. Qual é o módulo da força vertical exercida sobre a ponte pelos suportes (a) na extremidade mais afastada do homem e (b) na extremidade mais próxima do homem?

71 Um cubo homogêneo de 8,0 cm de lado repousa em um piso horizontal. O coeficiente de atrito estático entre o cubo e o piso é μ. Uma força horizontal

é aplicada perpendicularmente a uma das faces verticais do cubo, 7,0 cm

acima do piso, em um ponto da reta vertical que passa pelo centro da face do cubo. O módulo de é gradualmente aumentado. Para que valor de μ o cubo finalmente (a) começa a escorregar e (b) começa a tombar? (Sugestão: Qual é o ponto de aplicação da força normal quando o cubo está prestes a tombar?)

72 O sistema da Fig. 12-77 está em equilíbrio. Os ângulos são θ = 60º e θ = 1 2 20º e a bola tem uma massa M = 2,0 kg. Qual é a tração (a) qual a da corda ab e (b) qual a da corda bc?

 

Figura 12-77  Problema 72.

 

73 Uma escada homogênea tem 10 m de comprimento e pesa 200 N. Na Fig.

12-78, a escada está apoiada em uma parede vertical sem atrito a uma altura h = 8,0 m acima do piso. Uma força horizontal é aplicada à escada a uma distância d = 2,0 m da base (medida ao longo da escada). (a) Se F = 50 N, qual é a força que o piso exerce sobre a escada, na notação dos vetores unitários? (b) Se F = 150 N, qual é a força que o piso exerce sobre a escada, também na notação dos vetores unitários? (c) Suponha que o coeficiente de atrito estático entre a escada e o chão seja 0,38; para que valor de F a base da escada está na iminência de se mover em direção à parede?

 

Figura 12-78  Problema 73.

 

74 Uma balança de pratos consiste em uma barra rígida de massa desprezível e dois pratos pendurados nas extremidades da barra. A barra está apoiada em um ponto que não fica do centro da barra, em torno do qual pode girar livremente. Para que a balança fique em equilíbrio, massas diferentes devem ser colocadas nos dois pratos. Uma massa m desconhecida, colocada no prato da esquerda, é equilibrada por uma massa m no prato da direita; quando a 1 mesma massa m é colocada no prato da direita, é equilibrada por uma massa m no prato da esquerda. Mostre que . 2

75 A armação quadrada rígida da Fig. 12-79 é formada por quatro barras laterais AB, BC, CD e DA e duas barras diagonais AC e BD, que passam livremente uma pela outra no ponto E. A barra AB é submetida a uma tensão trativa pelo esticador G, como se as extremidades estivessem submetidas a forças horizontais , para fora do quadrado, de módulo 535 N. (a) Quais das outras barras também estão sob tração? Quais são os módulos (b) das forças que causam essas trações e (c) das forças que causam compressão nas outras barras? (Sugestão: Considerações de simetria podem simplificar bastante o problema.)

 

Figura 12-79  Problema 75.

 

76 Uma ginasta com 46,0 kg de massa está em pé na extremidade de uma

trave, como mostra a Fig. 12-80. A trave tem 5,00 m de comprimento e massa de 250 kg. Os suportes estão a 0,540 m das extremidades da trave. Na notação dos vetores unitários, qual é a força exercida sobre a trave (a) pelo suporte 1 e (b) pelo suporte 2?

 

Figura 12-80  Problema 76.

77 A Fig. 12-81 mostra um cilindro horizontal de 300 kg sustentado por três fios de aço presos em um teto. Os fios 1 e 3 estão nas extremidades do cilindro e o fio 2 está no centro. Os fios têm uma seção reta de 2,00 × 10–6 m2. Inicialmente (antes de o cilindro ser pendurado), os fios 1 e 3 tinham 2,0000 m de comprimento e o fio 2 era 6,00 mm mais comprido que os outros dois. Agora (com o cilindro no lugar), os três fios estão esticados. Qual é a tração (a) no fio 1 e (b) no fio 2?

 

Figura 12-81  Problema 77.

 

78 Na Fig. 12-82, uma viga homogênea de 12,0 m de comprimento é sustentada por um cabo horizontal e por uma dobradiça e faz um ângulo θ = 50,0º com a horizontal. A tração do cabo é 400 N. Na notação dos vetores unitários, qual é (a) a força gravitacional a que a viga está submetida e (b) qual é a força que a dobradiça exerce sobre a viga?

 

Figura 12-82  Problema 78.

 

79 Quatro tijolos iguais e homogêneos, de comprimento L, são

empilhados de duas formas diferentes em uma mesa, como mostra a Fig. 12-

83 (compare com o Problema 63). Estamos interessados em maximizar a distância h nas duas configurações. Determine as distâncias ótimas a , a , b e 1 2 1 b e calcule h para os dois arranjos. 2

Figura 12-83  Problema 79.

 

80 Uma barra cilíndrica homogênea de alumínio, com um comprimento inicial de 0,8000 m e um raio de 1000,0 μm, é fixada em uma extremidade e esticada por uma máquina que puxa a outra extremidade paralelamente à maior dimensão da barra. Supondo que a massa específica (massa por unidade de volume) da barra não varia, determine o módulo da força que a máquina deve aplicar à barra para que o raio da barra diminua para 999,9 μm. (O limite elástico não é ultrapassado.)

81 Uma viga de comprimento L é carregada por três homens, um em uma extremidade e os outros dois apoiando a viga entre eles em uma barra transversal posicionada de tal forma que o peso da viga seja dividido igualmente entre os três homens. A que distância da extremidade livre da viga está a barra de apoio? (Despreze a massa da barra de apoio.)

82 Se a viga (quadrada) do Exemplo 12.02 é feita de pinho, qual deve ser a espessura da viga para que a tensão compressiva a que está submetida seja 1/6 do limite de ruptura?

83 A Fig. 12-84 mostra um arranjo estacionário de duas caixas de lápis e três cordas. A caixa A tem massa de 11,0 kg e está em uma rampa de ângulo θ = 30,0º; a caixa B tem massa de 7,00 kg e está pendurada. A corda presa à caixa A está paralela à rampa, cujo atrito é desprezível. (a) Qual é a tração da corda de cima e (b) que ângulo essa corda faz com a horizontal?

 

Figura 12-84  Problema 83.

84 Um balanço improvisado foi construído fazendo uma alça em uma das pontas de uma corda e amarrando a outra ponta no galho de uma árvore. Uma criança está sentada na alça, com a corda na vertical, quando o pai da criança a empurra com uma força horizontal, deslocando-a para um lado. Imediatamente antes de a criança ser liberada a partir do repouso, a corda faz um ângulo de 15º com a vertical, e a tração da corda é de 280 N. (a) Quanto pesa a criança? (b) Qual é o módulo da força (horizontal) que o pai está exercendo sobre a criança, imediatamente antes de liberá-la? (c) Se a força máxima que o pai pode exercer sobre a criança é 93 N, qual é o maior ângulo com a vertical que a corda pode fazer enquanto o pai empurra horizontalmente a criança?

85 A Fig. 12-85a mostra detalhes de um dos dedos da alpinista da Fig.

12-50. Um tendão proveniente dos músculos do antebraço está preso na falange distal. No caminho, o tendão passa por várias estruturas fibrosas chamadas polias. A polia A2 está presa na falange proximal; a polia A4 está presa na falange medial. Para puxar o dedo na direção da palma da mão, os músculos do antebraço puxam o tendão, mais ou menos do mesmo modo como as cordas de uma marionete são usadas para movimentar os membros

do boneco. A Fig. 12-85b é um diagrama simplificado da falange medial, que tem um comprimento d. A força que o tendão exerce sobre o osso, , está t

aplicada no ponto em que o tendão entra na polia A4, a uma distância d/3 da extremidade da falange medial. Se as componentes das forças que agem

sobre cada um dos dedos em pinça da Fig. 12-50 são F = 13,4 N e F = h v 162,4 N, qual é o módulo de ? O resultado é provavelmente tolerável, mas t

se a alpinista ficar pendurada por apenas um ou dois dedos, as polias A2 e A4 poderão se romper, um problema que frequentemente aflige os alpinistas.

Figura 12-85  Problema 85.

 

86 Um alçapão quadrado em um teto tem 0,91 m de lado, uma massa de 11 kg e está preso por uma dobradiça de um lado e por um ferrolho do lado oposto. Se o centro de gravidade do alçapão está a 10 cm do centro em direção ao lado que está preso pela dobradiça, qual é o módulo da força exercida pelo alçapão (a) sobre o ferrolho e (b) sobre a dobradiça?

87 Uma partícula é submetida a forças dadas, em newtons, por

. (a) Qual é a componente x e (b) qual é a

componente y da força que equilibra a resultante das forças e ? (c) 3 1 2 Qual é o ângulo da força com o semieixo x positivo? 3

88 A Torre de Pisa tem 59,1 m de altura e 7,44 m de diâmetro. O alto da torre está deslocado 4,01 m em relação à vertical. Modele a torre como um cilindro circular homogêneo. (a) Que deslocamento adicional do alto da torre faria com que a torre ficasse no limiar de tombar? (b) Qual seria o ângulo correspondente da torre em relação à vertical?

 

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