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Física — Mecânica Dissertativa

Uma barra prismática de aço, com comprimento L=2m, área de seção transversal A= 400mm² e módulo de elasticidade E=200GPa, é submetida a uma força de tração axial P=50kN. Calcule a energia de deformação acumulada na barra.

Uma barra prismática de aço, com comprimento L=2m, área de seção transversal A= 400mm² e módulo de elasticidade E=200GPa, é submetida a uma força de tração axial P=50kN. Calcule a energia de deformação acumulada na barra.

Resolução completa

Explicação passo a passo

Resumo da resposta

Energia de Deformação em Barra Axial - Passo a Passo

Introdução

Este exercício trata do cálculo da energia de deformação (ou energia elástica armazenada) em uma barra prismática submetida à tração axial. Vamos aplicar os conceitos de resistência dos materiais para determinar quanto trabalho foi convertido em energia potencial elástica na estrutura.

Dados do Problema

VariávelSímboloValorConversão para SI
ComprimentoL2 m2 m
Área da seção transversalA400 mm²$4 \times 10^{-4}$ m²
Módulo de elasticidadeE200 GPa$200 \times 10^9$ Pa
Força axial aplicadaP50 kN$50 \times 10^3$ N

Passo a Passo de Resolução

Passo 1: Converter todas as unidades para o Sistema Internacional (SI)

É fundamental que todas as grandezas estejam em unidades coerentes antes de aplicar fórmulas:

  • Área: $400 \text{ mm}^2 = 400 \times 10^{-6} \text{ m}^2 = 4 \times 10^{-4} \text{ m}^2$
  • Módulo de Elasticidade: $200 \text{ GPa} = 200 \times 10^9 \text{ Pa} = 200 \times 10^9 \text{ N/m}^2$
  • Força: $50 \text{ kN} = 50 \times 10^3 \text{ N} = 50,000 \text{ N}$

Passo 2: Identificar a fórmula correta

Para uma barra prismática submetida a carga axial constante, a energia de deformação é dada por:

$$U = \frac{P^2 L}{2AE}$$

Onde:

  • $U$ = energia de deformação (Joules)
  • $P$ = força axial (Newtons)
  • $L$ = comprimento original (metros)
  • $A$ = área da seção transversal (m²)
  • $E$ = módulo de elasticidade (Pa)

Passo 3: Substituir os valores na fórmula

$$U = \frac{(50 \times 10^3)^2 \times 2}{2 \times (4 \times 10^{-4}) \times (200 \times 10^9)}$$

Passo 4: Calcular passo a passo

Numerador:
$$P^2 \times L = (2500 \times 10^6) \times 2 = 5000 \times 10^6 = 5 \times 10^9$$

Denominador:
$$2 \times A \times E = 2 \times (4 \times 10^{-4}) \times (200 \times 10^9)$$
$$= 8 \times 10^{-4} \times 200 \times 10^9$$
$$= 1600 \times 10^5 = 1.6 \times 10^8$$

Divisão final:
$$U = \frac{5 \times 10^9}{1.6 \times 10^8} = 31.25 \text{ J}$$

## Análise

  • Conceito chave: A energia de deformação representa o trabalho realizado pela força externa que se transforma em energia potencial elástica no material
  • Dependência quadrática: Note que a energia depende do quadrado da força ($P^2$), então dobrar a força quadruplica a energia armazenada
  • Unidades verificadas: O resultado está em Joules (J), que é a unidade correta para energia
  • Validação física: Valores entre 10-100 J são típicos para barras de aço com estas dimensões sob cargas moderadas

Conclusao

A energia de deformação acumulada na barra é 31.25 Joules. Este valor representa a capacidade da barra de armazenar energia elástica enquanto está submetida à carga de tração, que será liberada quando a força for removida (desde que não ultrapasse o limite elástico do material).

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