Livro Mecânica para Engenharia - Merian 6a Ed

J. L. Meriam L. G. Kraige MECÂNICA PARA ENGENHARIA DINÂMICA SEXTA EDIÇÃO LTC MECÂNICA PARA ENGENHARIA DINÂMICA abdr Respeite o direito autoral MECÂNICA PARA ENGENHARIA VOLUME 2 DINÂMICA SEXTA EDIÇÃO J. L. MERIAM L. G. KRAIGE Virginia Polytechnic Institute and State University Tradução e Revisão Técnica José Luís Lopes da Silveira, D.Sc. Professor da Universidade Federal do Rio de Janeiro - UFRJ Engenharia Mecânica, Escola Politécnica e COPPE LTC Os autores e editores empenharam-se para citar adequadamente e dar o devido crédito a todos os detentores dos direitos autorais de qualquer material utilizado neste livro, dispondo-se a possíveis acertos caso, inadvertidamente, a identificação de algum deles tenha sido omitida. Não é responsabilidade da editora nem dos autores eventuais danos ou perdas associadas ou bens que tenham origem no uso desta publicação. ENGINEERING MECHANICS Volume 2 DYNAMICS, Sixth Edition, SI Version Copyright © 2003 John Wiley & Sons, Inc. All Rights Reserved. This translation published under license. Direitos exclusivos para a língua portuguesa Copyright © 2009 by LTC—Livros Técnicos e Científicos Editora S.A. Uma editora integrante do GEN l Grupo Editorial Nacional Reservados todos os direitos. É proibida a duplicação ou reprodução deste volume, no todo ou em partes, sob qualquer forma ou por quaisquer meios (eletrônico, mecânico, gravação, fotocópia, distribuição na internet ou outros), sem permissão expressa da Editora. Travessa do Ouvidor, 11 Rio de Janeiro, RJ—CEP 20040-000 Tel.: 21-3543-0700/11-0800-070770 Fax: 21-3543-0900 E-mail: Iivros@gen.com.br www.grupogen.com.br Foto: © Courtesy of NASA/JPL-Caltech Fotógrafo: David Levy Digitalizado Eletrônico: Performa CIP-BRASIL. CATALOGAÇÃO-NA-FONTE SINDICATO NACIONAL DOS EDITORES DE LIVROS. RJ. M527m v.2 Meriam, J. L. (James L.), 1917-2000 Mecânica para engenharia volume 2 : dinâmica / J. L. Meriam, L. G. Kraige ; tradução e revisão técnica José Luís Lopes da Silveira - Rio de Janeiro : LTC, 2009. Tradução de: Engineering mechanics, volume 2 : dynamics (6. ed.) ISBN 978-85-216-1717-4 1. Dinâmica. 2. Mecânica aplicada. 1. Kraige, L. G. (L. Glenn), II. Título. CDD: 620.1 CDU: 62-7 09-3916. PREFÁCIO A mecânica é tanto um fundamento quanto uma estrutura para a maior parte das ramas da engenharia. Muitos dos temas em áreas como engenharia civil, mecânica, aeroespacial e agronômica, e química, a medicina em si se baseiam em tópicos de estática e dinâmica. Mesmo em uma área tal como engenharia elétrica, os profissionais, em uma situação prática, ao considerar os componentes elétricos de um dispositivo robótico ou um processo de fabricação, podem ter que lidar primeiramente com a mecânica envolvida. Assim, a seqüência de mecânica é crucial no currículo de engenharia. Essa seqüência não é apenas necessário por si só, mas os cursos de mecânica para engenharia também servem para solidificar a compreensão do estudante em outros temas importantes, incluindo matemática aplicada, física e representação gráfica. Além disso, esses cursos servem como ambientes excelentes para reforçar a habilidade de solucionar problemas. FILOSOFIA O objetivo fundamental do estudo da mecânica na engenharia é desenvolver a capacidade de pensar na concepção de projeto de engenharia. Esta capacidade requer mais do que o simples conhecimento dos princípios físicos e matemáticos da mecânica; também é requerida a habilidade de visualizar as configurações físicas em termos de materiais reais, restringidas pelas tolerâncias e limitações práticas que toleram o comportamento de máquinas e estruturas. Um dos principais objetivos em um curso de mecânica é ajudar o estudante a desenvolver esta habilidade para visualizar, o que é necessário para a formulação dos problemas. De fato, a construção de um modelo matemático significativo é freqüentemente uma experiência mais importante do que sua solução. O progresso máximo é alcançado quando os princípios e suas limitações são aprendidos em conjunto, dentro do contexto da aplicação em engenharia. Na apresentação da mecânica existe uma tendência freqüente de usar principalmente problemas com um vínculo para ilustrar a teoria, em vez de desenvolver a teoria com o objetivo de resolver problemas. Quando a primeira visão é predominante, os problemas tendem a ficar engarrafamentos intelectuais e sem relação com a engenharia, fazendo com que os exercícios se tornem monótonos, acadêmicos e desinteressantes. Esse enfoque priva o estudante para desenvolver a necessidade e o significado da teoria. O segundo tipo de visão necessita, às vezes, de, motivo realçante para o aprendizado da teoria, levando a um melhor equilíbrio entre a explicação. Não é pode enfatizar em excesso o papel crucial representado pelo interesse e objetivo como a motivação mais forte possível para o aprendizado. Além disso, como educadores de mecânica, deveríamos reforçar a compreensão de que, na melhor das hipóteses, a teoria só pode se aproximar do mundo real da mecânica ao invés da visão de que o mundo real se aproxima da teoria. Esta diferença em filosofia é, na verdade, básica e distingue a engenharia da mecânica da ciência da mecânica. Ao longo das últimas décadas ocorreram diversas tendências inadequadas no ensino de engenharia. Primeiramente, a ênfase nos significados geométrico e físico dos pré-requisitos matemáticos pareceram haver diminuído. Em segundo, houve uma redução significativa no exame e eliminação do ensino de gráficos viu, no passado, revelar a visualização e a representação de problemas em mecânica. Em terceiro lugar, com a evolução do nível matemático de nosso tratamento da mecânica, ocorreram casos onde professor a prática a atribuição dos operadores vetoriais afastam o significado de baseição no conceito quete; como em conceitos de equilíbrio dinâmico. A mecânica é, certamente, um assunto que alguma pessoa deva especular como ensinar concepções de construir bons processos para habilidades. Outra área onde não se pode assinalar se faz necessário é a dos problemas de livre resolução geral. As equações representadas fornecem os meios necessários para conseguir o exercício a qualquer lugar do estado e precisir, é muitíssimo mais importante para o estudante de mecânica, onde o raciocínio e o julgamento são desenvolvidos, é muitíssimo mais importante para o estudante de mecânica do que complete qualquer parte chegar a solução. Por este fato, o ensino computador deve ser cuidadosamente controlado. Atualmente, é melhor usar lapis e papel e requer significativo o conceito e se enfatiza o entendimento em casos que recordem um aqui junto. Por outro lado, existem situações nas quais a ati propos regras sempre e problemas com razão bem áudio pode ou computadores são um uso causa elas resposta obtida para solução como alta qualidade do ensino de computador devem ser permit os no sentido de que este em um computador de próxima vez de acompanhamento abordar sobre outros, em vez de problemas “braçais” pois caso algum paralelo entre é variado sem outra razão aparentemente do que fora no sentido da construtção. Esses permanecem fonte para mantidos em frente durante o desenvolvimento dos problemas a serem resolvido com o auxílio do computador na Resolução Aplicar. Para reservar tempo adequadamente na formação de problemas, exercímos-se pesar ao estudante apenas mesmo número limitado de problemas para resolução em outra solução de computador. Com os debates anteriores, esta sexta edição de Mecânica para Engenharias está escrita com a filosofia anteriormente nesta. Ele é diretamente referente com mais perfeição ao primeiro curso em engenharia mecânica, normalmente ensinada no segundo ano de estudo. Mecânica para Engenharia está escrito um em modo de entendimento maior. Al financeiro principal é em princípios de métodos bons algo levar a um sem número de casos específicos. Um grande esforço foi viii Prefácio feito para mostrar tanto o coesão das relativamente poucas ideias fundamentais como a grande variedade de problemas que estas poucas ideias irão resolver. CARACTERÍSTICAS PEDAGÓGICAS A estrutura básica deste livro-texto consiste em uma sequência que trata rigorosamente do assunto específico em questão, com um ou mais exemplos, que são seguidos por um grupo de Problemas. Há uma Revisão do Capítulo, ao final dele, que resume os principais pontos, seguida de um conjunto de Problemas de Revisão. Problemas Os 121 Exemplos aparecem sobre um fundo sombreado. As soluções de problemas típicos de dinâmica são apresentadas em detalhe. Além disso, notas explicativas e de alerta (sugestões úteis) são enumeradas e relacionadas à apresentação principal. Existem 1.569 exercícios, dos quais aproximadamente 50% são novos nesta Edição. Os conjuntos de problemas são divididos em Problemas Introdutórios e Problemas Representativos. A primeira seção contém problemas de simples a média dificuldade, destinados à ajuda estrutural para compreensão do novo assunto, enquanto a matéria dos problemas da segunda seção, que estão em negrito na lista de respostas, envolve um ou mais passos comparativos e exige extensão do conhecimento adquirido no capítulo. Notas Características desta Edição Embora mantidas as características especiais de todas as edições anteriores, foram feitas algumas melhorias: • A nova ênfase foi colocada nos diagramas de impulso-quantidade de movimento em três partes, tanto para partículas quanto para corpos rígidos. Estes diagramas estão bem integrados com a teoria do menor tempo nas equações de impulso-quantidade de movimento. • Todas as seções teóricas foram reexaminadas para maximizar o rigor, a clareza, a legibilidade e o nível de simplicidade. • Áreas com Conhecimento-chave foram especialmente marcadas e destacadas na apresentação da teoria. • As Revisões dos Capítulos foram destacadas e contêm resumos sintéticos em itens. • Aproximadamente 40% dos problemas são novos nesta Sexta Edição. Todos os problemas novos foram resolvidos independentemente para assegurar um alto grau de precisão. • Novos problemas foram adicionados, incluindo aqueles em cálculoSexos e erros obituação umo aprofundamento na importância dos acidentes ao serem resolvidos com um fundo sombreado para rapidez adicional. • Fotografias foram adicionadas aos capítulos com o objetivo de fornecer aos alunos uma compreensão do assunto mais real ORGANIZAÇÃO A divisão lógica entre dinâmica de partícula (Parte I) e dinâmica de corpo rígido (Parte II) foi preservada, com cada parte tratando a cinemática antes da cinética. Este arranjo providencia um progresso rápido de conhecimento com base em conceitos gerais de sistemas. O Capítulo 2 trata da cinemática do movimento da partícula em diferentes sistemas de coordenadas, começando com os tópicos de movimento relativo e restrição, e culminando na Capítulo 3, sobre dinâmica de partícula, se concentra nos três métodos básicos: força-energia (Seção A) e impulso-momentum (Seção B) e impulso-quantidade de movimento e energia (Seção C). Os tópicos específicos sobre impulso, movimento de força central e movimento relativo são textuais quando essa sequência de aplicações (Seção D) se servem como material opcional a ser abordado de acordo com a preferência do professor e do tempo disponível. Com esta organização, a abordagem do estudante é mais fortemente focalizada sobre as três estratégias básicas para cinética. O Capítulo 4, sobre cinemática de corpos rígidos, trata do movimento composto rigor e do uso dos princípios do movimento para uma única partícula e desenvolvimento de relações gerais que são fundamentais para comensivos método de massa dinâmica. Este capítulo também inclui os tópicos de foco de massa constante e o transNa vela conta que podem ser considerados como material opcional. No Capítulo 5 sobre a cinemática de corpos rígidos em movimento plano, com suas equações de velocidade relativa e aceleração absoluta pela operação vetorial e na solução pela Álgebra vetorial...