FORÇA DE CISALHAMENTO: FORÇAS DE SUPERFÍCIE E MASSA - FISICA - 2024

A força de cisalhamento é uma força composta que se caracteriza por ser paralela à superfície sobre a qual é exercida e tende a dividir o corpo, deslocando as seções resultantes do corte.

Está esquematicamente representado na figura 1, na qual é mostrada uma força de corte aplicada a duas pontas diferentes de um lápis de madeira. A força de cisalhamento, por sua vez, requer duas forças paralelas e opostas, que dependendo de sua intensidade, são capazes de deformar o lápis ou fraturá-lo definitivamente.

Figura 1. a força de cisalhamento aplicada com as mãos causa a quebra do lápis. Fonte: Pixabay.

Portanto, mesmo que falemos em força de cisalhamento no singular, na realidade duas forças são aplicadas, já que a força de cisalhamento é uma força composta. Essas forças consistem em duas forças (ou mais, em casos complexos) aplicadas em diferentes pontos de um objeto.

Duas forças de mesma magnitude e direção oposta, mas com linhas de ação paralelas, constituem um par de forças. Os pares não fornecem translação aos objetos, uma vez que sua resultante é zero, mas fornecem um torque líquido.

Com um par, objetos como o volante de um veículo são girados, ou podem ser deformados e quebrados, como no caso do lápis e da tábua de madeira mostrados na Figura 2.

Figura 2. Força de cisalhamento divide uma barra de madeira em duas seções. Observe que as forças são tangenciais à seção transversal do tronco. Fonte: F. Zapata.

Forças de superfície e forças de massa

As forças compostas fazem parte das chamadas forças de superfície, precisamente porque são aplicadas na superfície dos corpos e não estão relacionadas de forma alguma com sua massa. Para esclarecer o ponto, vamos comparar essas duas forças que freqüentemente atuam sobre os objetos: peso e força de atrito.

A magnitude do peso é P = mg e, uma vez que depende da massa do corpo, não é uma força superficial. É uma força de massa e o peso é o exemplo mais característico.

Ora, o atrito depende da natureza das superfícies de contato e não da massa do corpo sobre o qual atua, portanto é um bom exemplo de forças superficiais que freqüentemente aparecem.

Forças simples e forças compostas

As forças de superfície podem ser simples ou compostas. Já vimos um exemplo de força composta na força de cisalhamento e, por sua vez, o atrito é representado como uma força simples, pois uma única seta é suficiente para representá-la no diagrama corporal isolado do objeto.

Forças simples são responsáveis ​​por imprimir mudanças no movimento de um corpo, por exemplo, sabemos que a força cinética de atrito entre um objeto em movimento e a superfície sobre a qual ele se move, resulta em uma redução na velocidade.

Pelo contrário, as forças compostas tendem a deformar os corpos e, no caso de tesouras ou tesouras, o resultado final pode ser um corte. Outras forças superficiais, como tensão ou compressão, alongam ou comprimem o corpo sobre o qual atuam.

Cada vez que o tomate é cortado para preparar o molho ou uma tesoura é usada para cortar uma folha de papel, aplicam-se os princípios descritos. As ferramentas de corte geralmente têm duas lâminas de metal afiadas para aplicar força de cisalhamento na seção transversal do objeto a ser picado.

Figura 3. Força de cisalhamento em ação: uma das forças é aplicada pela lâmina da faca, a outra é a normal exercida pela tábua de corte. Fonte: Foto de comida criada por katemangostar - freepik.es

Tensão de cisalhamento

Os efeitos da força de cisalhamento dependem da magnitude da força e da área sobre a qual ela atua, portanto, na engenharia o conceito de tensão de cisalhamento é amplamente utilizado, que leva em consideração tanto a força quanto a área.

Essa tensão tem outros significados como tensão de cisalhamento ou tensão de cisalhamento e na construção civil é extremamente importante considerá-la, uma vez que muitas falhas em estruturas são decorrentes da ação de forças de cisalhamento.

Sua utilidade é imediatamente compreendida quando se considera a seguinte situação: suponha que você tenha duas barras do mesmo material, mas com espessuras diferentes, que estão sujeitas a forças crescentes até que se rompam.

É evidente que para quebrar a barra mais espessa deve-se aplicar maior força, porém o esforço é o mesmo para qualquer barra que tenha a mesma composição. Testes como esse são frequentes na engenharia, dada a importância de selecionar o material certo para que a estrutura projetada funcione de maneira ideal.

Tensão e deformação

Matematicamente, se a tensão de cisalhamento é denotada como τ, a magnitude da força aplicada como F e a área sobre a qual ela atua como A, temos a tensão de cisalhamento média:

Sendo a razão entre força e área, a unidade de esforço no Sistema Internacional é o newton / m ², denominado Pascal e abreviado como Pa. No sistema inglês, libra-força / pé ² e libra-força / polegada ².

Agora, em muitos casos, o objeto submetido à tensão de cisalhamento é deformado e, em seguida, recupera sua forma original sem realmente quebrar, uma vez que a tensão deixou de agir. Suponha que a deformação consista em uma mudança no comprimento.

Neste caso, a tensão e a deformação são proporcionais, portanto, o seguinte pode ser considerado:

O símbolo ∝ significa "proporcional a" e quanto à deformação unitária, é definido como o quociente entre a variação do comprimento, que será denominado ΔL e o comprimento original, denominado L _o. Desta maneira:

Módulo de cisalhamento

Sendo um quociente entre dois comprimentos, a deformação não possui unidades, mas ao colocar o símbolo de igualdade, a constante de proporcionalidade deve fornecê-las. Chamando G para a referida constante:

G é denominado módulo de cisalhamento ou módulo de cisalhamento. Possui unidades Pascal no Sistema Internacional e seu valor depende da natureza do material. Esses valores podem ser determinados em laboratório, testando a ação de diferentes forças em amostras de composição variada.

Quando for necessário determinar a magnitude da força de cisalhamento da equação anterior, basta substituir a definição de tensão:

As forças de cisalhamento são muito frequentes e seus efeitos devem ser levados em consideração em muitos aspectos da ciência e da tecnologia. Nas construções aparecem nos pontos de apoio das vigas, podem surgir durante um acidente e quebrar um osso e sua presença é capaz de alterar o funcionamento da máquina.

Eles atuam em grande escala na crosta terrestre causando fraturas de rochas e acidentes geológicos, graças à atividade tectônica. Portanto, eles também são responsáveis ​​por moldar continuamente o planeta.

Referências

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