Desde 1814, quando então se deram seus primeiros estudos, a mecânica de sistemas de massa variável tem se constituído como um ramo particular dentro da mecânica clássica. Suas aplicações encontram-se espalhadas por diversas áreas do conhecimento e vão desde a engenharia até a medicina, por exemplo. No entanto, apesar dessas aplicações de sucesso, ainda hoje são encontradas na literatura discussões acerca dos fundamentos da mecânica de sistemas de massa variável. Nesse cenário, figuram os chamados aparentes paradoxos que envolvem diferentes equações de movimento para um mesmo sistema de massa variável. É o que pode ser encontrado, por exemplo, com relação ao problema de Wagner, no âmbito do estudo do impacto de corpos sólidos contra superfícies de líquidos, e ao problema da corrente em queda. Nessa tese, questões como essas serão abordadas. Mas o cerne do escopo do presente trabalho é a apresentação de uma discussão de caráter mais geral e interpretativa sobre a teoria e aplicação da mecânica de sistemas de massa variável, mantendo-se como foco principal a contribuição para um melhor entendimento desse importante ramo da mecânica. Para tal, resultados teóricos originais serão apresentados, e discussões e aplicações sobre os mesmos serão feitas. Inicialmente, uma discussão sobre os primeiros trabalhos que fundamentam a dinâmica de uma partícula de massa variável é feita. Nesse contexto, interpretações originais do autor dessa tese são apontadas. Em seguida, a aplicação da equação de Lagrange a sistemas de massa variável é abordada. Nesse cenário, esse autor apresenta a chamada equação de Lagrange para um volume de controle onde a massa varia com as coordenadas e velocidades generalizadas. Esse também é um dos resultados originais dessa tese. Por fim, é apresentada a extensão do princípio variacional para um líquido para um volume de controle, que também é um resultado original desse trabalho. Dois problemas clássicos dentro da teoria de sistemas de massa variável são então tratados, i.e. o problema da corrente em queda e o problema de Wagner. Trata-se de dois problemas aparentemente paradoxais. A resolução desses aparentes paradoxos é abordada, o que também se constitui em um dos resultados originais dessa tese. Uma breve discussão sobre o problema do colapso das torres gêmeas do World Trade Center à luz da mecânica de sistemas de massa variável é também feita. / Since 1814, when the first researches on the topic were carried out, variable mass system mechanics has become a particular branch within classical mechanics. Applied problems involving variable mass systems are sparsely distributed over a wide range of different areas of knowledge, and go from engineering to medicine, for example. However, despite these successful applications, even today one can find in the specialized literature discussions on the fundamentals of the variable mass system mechanics. In this scenario, apparent paradoxes, which are based on different equations of motion for a same variable mass system, figure out. In this sense, the Wagners problem, in the context of the study of the impact of solid bodies into liquid surfaces, and the falling chain problem can be cited as didactic examples. In this thesis, topics like this one will be treated. However, the main scope of this work is to present a more general and interpretative discussion on both the theory and application of the mechanics of variable mass systems, but keeping the focus on contributions that enable a better understanding of such an important branch of mechanics. For that, original theoretical results will be presented, as also discussions and applications of them. In the beginning, a discussion on the first fundamental works about the dynamics of a variable mass particle is done. In such a context, original interpretations of this author are pointed out. Then, the application of Lagrange equations on variable mass systems is discussed. In this scenario, this author shows the so-called Lagrange equation for a control volume where mass varies with generalized coordinates and velocities. This is also an original result of this thesis. By the end, an extension of a variational principle to a control volume is shown, also an original result of this work. Two classical problems within the theory of variable mass systems are then treated, i.e. the falling chain problem and the Wagners problems. Both are apparently paradoxical problems. The resolution of such apparent paradoxes is addressed, what is also an original result. Within the present context of the mechanics of variable mass systems, a brief discussion on the problem of the collapse of the World Trade Center twin towers is also done.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:usp.br/oai:teses.usp.br:tde-05082009-100852 |
| Date | 17 December 2008 |
| Creators | Casetta, Leonardo |
| Contributors | Pesce, Celso Pupo |
| Publisher | Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP |
| Source Sets | Universidade de São Paulo |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | Portuguese |
| Type | Tese de Doutorado |
| Format | application/pdf |
| Rights | Liberar o conteúdo para acesso público. |
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