Sabe-se que é necessária uma força com um momento de 960 N·m em relação a D para se endireitar o mourão CD. Se a capacidade do guincho AB é 2 400 N, determine o valor mínimo da distância d para se criar o momento especificado em relação ao ponto D.

Questão

Sabe-se que é necessária uma força com um momento de 960 N·m em relação a D para se endireitar o mourão CD. Se a capacidade do guincho AB é 2 400 N, determine o valor mínimo da distância d para se criar o momento especificado em relação ao ponto D.

Imagem 1

Diagrama do mourão CD inclinado com o cabo ligado ao ponto B da alavanca AB; altura vertical do ponto C acima de D = 0,875 m; pequena distância horizontal à direita de D indicada como 0,2 m; distância d é a distância horizontal entre o ponto de ancoragem à esquerda e o ponto D.

Resposta

93%

A distância mínima é d2,05md \approx 2{,}05\,\text{m}.

Explicação

Queremos que a força no cabo (limitada pelo guincho) gere um momento de 960N\cdotpm960\,\text{N·m} em relação a DD.

1) Geometria Pelo desenho, tome o solo como eixo xx e DD como origem.

  • O ponto CC está a 0,875m0{,}875\,\text{m} acima do solo e a 0,2m0{,}2\,\text{m} à direita de DD. Assim, o vetor posição é rDC=0,2,  0,875m.\vec r_{DC} = \langle 0{,}2,\;0{,}875\rangle\,\text{m}.
  • O ponto de ancoragem no solo (à esquerda) está a uma distância dd de DD, logo sua coordenada é (d,0)(-d,0).
  • A direção do cabo em CC aponta de CC para a ancoragem: vetor diretor v=d0,2,  0,875.\vec v = \langle -d-0{,}2,\; -0{,}875\rangle. Seu módulo é v=(d+0,2)2+(0,875)2.|\vec v|=\sqrt{(d+0{,}2)^2+(0{,}875)^2}.

2) Momento da força do cabo em relação a DD A força no cabo tem módulo máximo T=2400NT=2400\,\text{N} e direção de v\vec v: F=Tvv.\vec F = T\,\frac{\vec v}{|\vec v|}. O momento (módulo) em 2D é MD=rDC×F=xCFyyCFx.M_D = |\,\vec r_{DC}\times \vec F\,| = |x_C F_y - y_C F_x|. Com xC=0,2x_C=0{,}2 e yC=0,875y_C=0{,}875:

  • Fx=2400(d+0,2)vF_x = 2400\,\frac{-(d+0{,}2)}{|\vec v|}
  • Fy=24000,875vF_y = 2400\,\frac{-0{,}875}{|\vec v|}

Então o módulo do momento fica \begin{align*} M_D &= \left|0{,}2\left(2400\frac{-0{,}875}{|\vec v|}\right) - 0{,}875\left(2400\frac{-(d+0{,}2)}{|\vec v|}\right)\right|\ &= 2400,\frac{\left|-0{,}175 + 0{,}875(d+0{,}2)\right|}{|\vec v|}\ &= 2400,\frac{0{,}875d}{\sqrt{(d+0{,}2)^2+0{,}875^2}}. \end{align*} (Os termos constantes se cancelam.)

Impondo MD=960M_D=960: 24000,875d(d+0,2)2+0,8752=960.2400\,\frac{0{,}875d}{\sqrt{(d+0{,}2)^2+0{,}875^2}}=960. Dividindo por 2400: 0,875d(d+0,2)2+0,8752=0,4.\frac{0{,}875d}{\sqrt{(d+0{,}2)^2+0{,}875^2}}=0{,}4. Elevando ao quadrado: 0,8752d2=0,16((d+0,2)2+0,8752).0{,}875^2 d^2 = 0{,}16\left((d+0{,}2)^2+0{,}875^2\right). Como 0,8752=0,7656250{,}875^2=0{,}765625: 0,765625d2=0,16(d+0,2)2+0,160,765625.0{,}765625 d^2 = 0{,}16(d+0{,}2)^2 + 0{,}16\cdot 0{,}765625. 0,765625d2=0,16(d2+0,4d+0,04)+0,1225.0{,}765625 d^2 = 0{,}16(d^2+0{,}4d+0{,}04) + 0{,}1225. 0,765625d2=0,16d2+0,064d+0,0064+0,1225.0{,}765625 d^2 = 0{,}16d^2 + 0{,}064d + 0{,}0064 + 0{,}1225. 0,765625d2=0,16d2+0,064d+0,1289.0{,}765625 d^2 = 0{,}16d^2 + 0{,}064d + 0{,}1289. 0,605625d20,064d0,1289=0.0{,}605625 d^2 - 0{,}064d - 0{,}1289 = 0. Resolvendo a quadrática: d=0,064+0,0642+4(0,605625)(0,1289)2(0,605625)0,064+0,31631,211252,05m.d = \frac{0{,}064 + \sqrt{0{,}064^2 + 4(0{,}605625)(0{,}1289)}}{2(0{,}605625)} \approx 0{,}064 + \sqrt{0{,}3163}\over 1{,}21125 \approx 2{,}05\,\text{m}. (A outra raiz é negativa e não tem sentido físico.)

3) Interpretação (por que é “mínimo”?) Para uma força máxima fixa (2400N2400\,\text{N}), aumentar dd aumenta o braço de alavanca efetivo do cabo em relação a DD. Assim, o menor dd que ainda permite 960N\cdotpm960\,\text{N·m} é o valor encontrado.

Resposta: dmin2,05md_{\min} \approx 2{,}05\,\text{m}.

Alternativa correta: (sem alternativas).

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