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Como calcular o torque de um rolo giratório

Escrito por gary damico | Traduzido por júlia polachini
Como calcular o torque de um rolo giratório

A parte superior do brinquedo apresenta velocidade angular em torno de um eixo através de seu centro

spin image by Vladislav Gajic from Fotolia.com

O torque é um conceito frequentemente usado em mecânica. Ele está associado a objetos que giram em torno de um eixo fixo -- seja uma bola de gude rolando por um morro ou a Lua ao redor da Terra. Para calculá-lo, você precisa encontrar o produto do momento da inércia do objeto em torno desse eixo e a variação da velocidade angular, também conhecida como aceleração angular. O momento de inércia não depende somente da localização do eixo, mas também do formato do objeto. Para um "rolo giratório", assumiremos que se trata de um cilindro perfeito e que seu centro de massa está em seu centro geométrico. Além disso, desprezaremos a resistência do ar -- como em muitos problemas de física, essas premissas negligenciam muitas complicações do mundo real, mas são necessárias à criação de problemas solúveis.

Nível de dificuldade:
Moderado

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O que você precisa?

  • Raio do rolo
  • Massa do rolo
  • Taxa de variação da velocidade angular
  • Cronômetro

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Instruções

    O momento de inércia

  1. 1

    Reveja as definições iniciais. O momento da inércia é dado pela fórmula I = I(0) + mx², onde I(0) é o momento da inércia em torno de um eixo que passa pelo centro de um objeto e x é a distância do eixo de rotação ao centro de massa. Note que, se o eixo que estamos analisando passa através da massa, então o segundo termo da equação desaparece. Para o cilindro, I(0) = (mr²)/2, onde o r é o raio do cilindro e m, sua massa. Logo, para o exemplo, se o eixo de rotação passa pelo centro da massa, temos: I = I(0) = (mr²)/2 Se o eixo de rotação está a meio caminho da extremidade, então: I = I(0) + mx² = (mr²)/2 + m(r/2)² = (3mr²)/4.

  2. 2

    Encontre a velocidade angular. A velocidade angular ω (ômega, letra grega, em caixa-baixa) é a medida da velocidade de rotação em radianos por segundo. Você pode calculá-la diretamente determinando o número de rotações que o cilindro faz em um tempo dado; ou pode encontrar a velocidade V (distância/tempo) em qualquer ponto do cilindro e dividindo-a pela distância do ponto ao centro de massa; na última abordagem, ω = v/r.

  3. 3

    Encontre a aceleração angular. O torque depende da aceleração angular α (alfa, letra grega, em caixa-baixa), que é a variação da mudança da velocidade angular ω; deste modo, precisamos encontrar a alteração em ω para o período de tempo que estamos considerando. Então, α = Δω/Δt. Por exemplo, se o rolo vai de ω = 6 rad/s para ω = 0 rad/s em três segundos, então: α = Δω/Δt = 6/3 = 2 rad/s².

  4. 4

    Calcule o torque. Torque τ = Iα. Para o exemplo, se nosso cilindro possui uma massa de 20 g (0,02 kg) e um raio de 5 cm (0,05 m), e está girando ao redor de um raio que atravessa seu centro, então: I = mr² = (0,02) x (0,05)² = 0,00005 = 5x10^-5 kgm². E se usarmos a aceleração angular do Passo 3, então o torque é: τ = Iα = 5x10^-5 x 2 = 0,001 = 1x10^-4 newton-metro.

Dicas & Advertências

  • O momento de inércia está em seu mínimo quando o eixo de rotação passa através do centro do rolo, e em seu máximo quando o eixo é tangente à sua circunferência. Portanto, I estará sempre entre I(0) = (mr²)/2 e (mr²)/2 + mr² = (3mr²)/2.
  • Ao efetuarmos esse cálculo, o principal erro que podemos cometer é usarmos as unidades de medidas erradas. Ao utilizar o sistema métrico, as distâncias devem estar em metros, o tempo em segundos; massa em quilogramas e o ω em radianos/segundo (lembre-se que 2π radianos = 360 graus).
  • O torque depende da mudança da velocidade angular, portanto, um rolo com ω constante terá seu torque igual a zero.
  • Às vezes é necessário fazer algumas aproximações, como as descritas acima. O efeito dessas aproximações no resultado final é insignificante na maioria dos casos, mas pode ser significante se o rolo não possuir densidade uniforme ou estiver sob forte atrito ao longo de seu eixo de rotação.

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