Introdução à Dinâmica de Corpos Rígidos

Teoria Completa

Introdução

Até agora estudamos o movimento de corpos rígidos sem nos preocuparmos com o que causa esses movimentos.

Carros de corrida, por exemplo, são submetidos a forças muito intensas quando ele começa a acelerar:

Essas forças precisam ser calculadas e levadas em consideração quando se projeta a estrutura deste tipo de carro.

Porém, quando levamos em consideração o tamanho e a forma de um corpo, surgem forças que podem provocar translação e rotação.

Então, a partir de agora vamos estudar as consequências disso para o movimento do corpo. Mas será que o nosso corpo aceita de boa ser rotacionado por uma força?

Para responder esta pergunta vamos estudar o que chamamos de momento de inércia!!!

Momento de Inércia

O momento de inércia ( I ) é uma grandeza que mede a resistência de um corpo a sofrer uma rotação. Ou seja, quanto maior o momento de inércia mais difícil será girar o corpo. Para calcular, passamos um eixo z pelo centro de gravidade do um corpo e calculamos o momento que cada pedacinho de massa ( d m ) deste corpo faz com relação ao eixo:

O momento de inércia vai ser calculado pela seguinte integral:

I = ∫ r 2 d m

Repare que r é o braço de alavanca do momento. A unidade do momento de inércia é k g . m 2 .

Atenção: esta fórmula é válida para calcular o momento de inércia com relação a um eixo que passe pelo centro de gravidade.

Se derivarmos ambos os lados da equação do momento de inércia, temos:

d I = r 2 d m

Essa equação também nos será útil!!!

Se um corpo possuir densidade ( ρ ) variável, cada pedacinho de massa ( d m ) do corpo vai ter:

d m = ρ d V

Ou seja, cada pedacinho de massa do corpo vai poder ser representado em função da densidade ( ρ ) e do volume ( V ) do corpo. Assim, ficamos com a seguinte integral:

I = ∫ r 2 ρ d V

Quando a densidade for constante, podemos tirar da integral e teremos que o momento de inércia vai depender da geometria do corpo:

I = ρ ∫ r 2 d V

Como estamos tratando de corpos tridimensionais, o volume vai depender da dimensão x , y e z de cada um daqueles pedacinhos:

d V = d x d y d z

Opa, teríamos então uma integral tripla!!!

Calma! Vamos ver maneiras de usar integral simples para resolver problemas que tenham corpos simétricos.

  1. Casca Elementar: neste método você tem que criar uma casca de espessura infinitesimal d y , raio r = y e altura z :
  2. Então, vamos ter que o volume será:

    d V = 2 π y z d y

    Agora é só substituir isso na integral:

    I = ∫ r 2 ρ d V   →         I = ∫ y 0 y f r 2 ρ 2 π y z d y

  3. Disco Elementar: neste método vamos fazer um disco com raio y e espessura infinitesimal d x :

Observe que o raio e a espessura mudam conforme o eixo que a corpo está!!!

Neste método, o volume fica:

d V = π y 2 d x

Mas não podemos substituir isso direto na integral. Antes temos que calcular o momento de inércia somente do disco que criamos.

Repare que o disco que criamos é um cilindro com uma espessura beeem pequena, certo? Então, o momento de inércia do disco que criamos vai ser sempre igual ao momento de inércia de um cilindro ao longo de um eixo longitudinal (o eixo que percorre a maior dimensão do corpo):

I = m R 2 2

O momento de inércia de um cilindro ao longo do seu eixo longitudinal será sempre calculado por essa equação aí em cima, beleza?

Agora, como o nosso cilindro tem uma espessura bem pequenininha, temos que derivar essa equação aí:

d I = d m R 2 2

Repare que o raio é constante em um cilindro, por isso a única coisa que derivamos é a massa.

R pela variável do eixo onde está o raio. Veja nosso exemplo:

O raio do disco elementar está no eixo y e varia ao longo do comprimento do corpo. Neste caso, o momento de inércia do elemento infinitesimal d I será:

d I = d m R 2 2       →         d I = d m y 2 2

É só substituir o raio R pela variável que representa o raio na nossa figura, que neste caso foi a variável y !!!!

Agora é só lembrar que d m é:

d m = ρ d V

E quando estamos usando o método do disco elementar d V é:

d V = π y 2 d x

Então:

d I = d m y 2 2   →     d I = ρ π y 2 d x ( y 2 ) 2

Depois é só integrarmos de ambos os lados:

∫ d I = ∫ ρ π y 4 d x 2

Vamos ter que:

I = ∫ ρ π y 4 d x 2  

A questão vai te dar a equação que descreve o corpo e você vai conseguir escrever y em função de x para poder resolver a integral.

Teorema dos Eixos Paralelos

E se quisermos calcular o momento de inércia com relação a um eixo que não passa pelo centro de gravidade do corpo? Imagina uma placa circular que tem o seu centro de gravidade G no meio da peça:

Como fazemos para calcular o momento de inércia com relação a um eixo z perpendicular ao plano da figura e que passa pelo ponto O ?

Se sabemos o momento de inércia com relação ao eixo que passa pelo centro de gravidade ( I G ) do corpo, então podemos achar o momento de inércia com relação a qualquer eixo paralelo através do que chamamos teorema dos eixos paralelos:

I = I G + m d 2

Onde, m é a massa do corpo e d é a distância entre os eixos paralelos.

Raio de Giração

O raio de giração ( k ) é uma grandeza que permite calcularmos o momento de inércia com relação a um eixo. Se tivermos o raio de giração k de um eixo e a massa m de um corpo, então o momento de inércia I será:

I = m k 2

Se tivermos o momento de inércia I e a massa do corpo m , é podemos calcular o raio de giração:

k = I m

A unidade do raio de giração é a unidade de comprimento.

Corpos Compostos

Se um corpo for formado por várias formas diferentes (como barras, discos, etc), o momento de inércia do corpo todo com relação a um eixo pode ser determinado somando o momento de inércia com relação a este mesmo eixo de cada uma dessa partes que compõe o corpo.

Atenção: se o corpo tiver um furo, podemos calcular o momento de inércia do corpo inteiro e subtrair o momento de inércia só do furo.

Neste exemplo, podemos calcular o momento de inércia do quadrado de lado L e subtrair o momento de inércia do círculo de raio R , ambos os momento de inércia calculados com relação ao eixo z .

Quando temos corpos compostos por formas conhecidas, podemos usar o momento de inércia tabelado para facilitar a vida. Aqui tem uma tabela de momento de inércia para os corpos mais comum:

Beleza?

Vamos fazer uns exercícios para fixar essas coisas!!!

Expandir

Exercício Resolvido #1

R. C. Hibbeler, Dinâmica: Mecânica para Engenharia, 10º ed. SP: Prentice Hall, 2005, pp. 317-17.8

O cilindro sólido tem raio R e altura h. O material de que ele é feito tem uma densidade que varia com a distância r ao centro de acordo com a expressão ρ = k + a r 2 , onde k e a são constantes. Determine a )   a massa do cilindro e b ) seu momento de inércia em relação ao eixo z .

MOSTRAR SOLUÇÃO COMPLETA

Passo 1

Para resolver este problema vamos usar o método da casca elementar, ou seja, vamos criar uma casca dentro do nosso cilindro com altura z = h , raio y = r e uma espessura infinitesimal d y = d r :

Com isso, sabemos que o nosso volume será:

d V = 2 π r h d r

Vamos começar calculando a massa deste cilindro e para isso temos que saber que:

m = ∫ d m

Mas não esqueça que:

d m = ρ d V

Opa, vamos substituir o nosso d V neste equação:

d m = ρ d V   →         d m = ρ 2 π r h d r

Então, a nossa integral vai ficar:

m = ∫ d m     →         m = ∫ ρ 2 π r h d r

Mas foi dito no enunciado que ρ = k + a r 2 , então:

m = ∫ ρ 2 π r h d r     →           m = ∫ ( k + a r 2 ) 2 π r h d r

Vamos passar as nossas constantes para o lado de fora da equação:

m = 2 π h ∫ ( k + a r 2 ) r d r

E agora vamos integrar ao longo do raio do cilindro de modo que a nossa casca vá de 0 a R :

m = 2 π h ∫ 0 R k r d r + ∫ 0 R a r 3 d r