robson souza cavalcante desenvolvimento de...

UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA E DE PRODUÇÃO

CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA

ROBSON SOUZA CAVALCANTE

DESENVOLVIMENTO DE SISTEMA PARA MENSURAR A INCLINAÇÃO DE EMBARCAÇÃO

FORTALEZA 2008



Monografia submetida à Coordenação do Curso de Graduação em Engenharia Mecânica, da Universidade Federal do Ceará, como requisito parcial para obtenção do grau de Graduado em Engenharia Mecânica. Área de concentração: Universidade Federal do Ceará Orientador: Prof. Dr. Roberto de Araújo Bezerra.

FORTALEZA

2008



Dissertação submetida à Coordenação do Curso de Graduação em Engenharia Mecânica, da Universidade Federal do Ceará, como requisito parcial para obtenção do grau de Graduado em Engenharia Mecânica. Área de concentração Universidade Federal do Ceará Aprovada em ___/___/______.

BANCA EXAMINADORA

__________________________________________________ Prof. Dr. Roberto de Araújo Bezerra (Orientador)

Universidade Federal do Ceará – UFC

_________________________________________________ Prof. Dr. Paulo Alexandre Costa Rocha

_________________________________________________ Prof. Dr. Ricardo Emílio F. Quevedo Nogueira

À mulher que eu amo

AGRADECIMENTOS

A Deus, por sempre estar ao meu lado me protegendo e guiando meu caminho.

A Luciana Limoeiro Ricarte, mulher que amo. “Por traz de um grande homem há

sempre uma grande mulher”.

A minha mãe, Eliane Maria Souza Cavalcante. Mulher de fibra e guerreira, no

qual eu sempre tive amor, apoio e sábios conselhos.

À família, pelo carinho, apoio moral e ajuda em momentos difíceis, em especial a

Rosane Souza Cavalcante, minha irmã, Francisco Hélio Pereira de Souza, Raimundo Holanda

Bezerra e Luiza de Marilaque Souza Holanda, tios amados e queridos.

Ao meu falecido avô, Francisco Chagas Cavalcante, por ter me ensinado valores

tão preciosos e ser ainda hoje uma de minhas maiores fontes de inspiração.

Aos meus colegas de trabalho, em especial ao Eng. Márcio Ferreira Igreja, chefe,

professor e amigo.

Ao Dr. Gil Bezerra, por acreditar no meu potencial como profissional.

Aos meus amigos.

Ao Prof. Dr. Roberto de Araújo Bezerra, por ter acreditado neste trabalho.

“Para quem não sabe aonde quer chegar, qualquer caminho é caminho.”

(Autor desconhecido)

RESUMO

O trabalho tem como objetivo projetar e construir um equipamento para mensurar a inclinação e a flutuação da embarcação em teste de estabilidade sem uso de água para o ajuste do equipamento. Um dos problemas enfrentados atualmente pela indústria naval na mensuração da inclinação e a flutuação de uma embarcação em teste de estabilidade e flutuação, esta diretamente relacionada ao equipamento utilizado para tal fim. O equipamento que vem sendo usado, atualmente, apresenta certas dificuldades no que se refere aos ajustes iniciais para os testes. Os testes de flutuação são, em geral, realizados em embarcações que estão em fase de acabamento e o equipamento atualmente utilizado consiste de um sistema pendular cuja estabilidade do equipamento é feita por intermédio de um suporte especial cheio de água. O suporte pode apresentar vazamento, que por sua vez, pode danificar o acabamento interno da embarcação. Uma alternativa para minimização deste problema seria a confecção de um instrumento que não utilizasse água em seu sistema de ajuste, um equipamento que utiliza o efeito da conservação do momento angular como sistema de ajuste.

Palavras - chave: Pêndulo Laser. Prova de Inclinação. Conservação do Momento Angular.

SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO ........................................................................................................ 09

1.1 O Problema ............................................................................................................... 09

1.2 O Pêndulo Laser ....................................................................................................... 09

1.3 Pêndulo Laser com Estabilização Giroscópica ....................................................... 10

2 PÊNDULO LASER CONVENCIONAL ................................................................. 11

3 ESTABILIZAÇÃO PELA CONSERVAÇÃO DO MOMENTO ANGULAR..... 15

4 PROTÓTIPO ............................................................................................................. 17

4.1 Motor .......................................................................................................................... 17

4.2 Disco e Eixo ................................................................................................................ 18

4.3 Módulo Laser ............................................................................................................. 19

4.3.1 Modelo ........................................................................................................................ 19

4.3.2 Características ............................................................................................................. 19

4.3.3 Especificações Mecânicas ........................................................................................... 19

4.3.4 Especificações Ópticas ................................................................................................ 19

4.3.5 Especificações Elétricas .............................................................................................. 20

4.3.6 Suporte do Módulo Laser ............................................................................................ 21

4.4 Base Principal ............................................................................................................ 21

4.5 Modelo 3D .................................................................................................................. 22

5. PROBLEMAS DECORRIDOS E SOLUÇÕES ALTERNATIVAS .................... 26

5.1 Problemas com o Primeiro Modelo ......................................................................... 26

5.2 Soluções Alternativas ................................................................................................ 27

5.2.1 Solução Para o Problema de Vibração ........................................................................ 27

5.2.2 Solução Para o Pedestal ............................................................................................... 29

6. TESTES ...................................................................................................................... 29

7. CONCLUSÃO ........................................................................................................... 30

REFERÊNCIAS .................................................................................................................... 31

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1. INTRODUÇÃO.

1.1 O Problema.

Comumente são utilizados instrumentos arcaicos para mensurar a inclinação de

embarcação em prova. O mais usado é o pêndulo com cuba de óleo, conjunto de difícil

montagem e instalação, com alto risco de dano ao acabamento de cascos muito refinados,

como um iate. Um problema que acontece sempre no uso deste tipo de equipamento é o

vazamento de óleo proveniente da cuba de amortecimento do pêndulo e como conseqüência,

dano à madeira de revestimento do convés.

Devido aos problemas gerados no uso deste equipamento, um grupo de

engenheiros da INACE, Indústria Naval do Ceará, foi motivado a desenvolver um

equipamento que atendesse perfeitamente as necessidades da prova de inclinação.

1.2 O Pêndulo Laser.

O equipamento projetado foi um sistema de pêndulo laser, com dois subconjuntos

básicos: o pêndulo propriamente dito e uma mini-cuba a ele integrada, montado sobre um

tripé, e um segundo tripé, com um anteparo dotado de régua graduada.

O subconjunto que contém o pêndulo é constituído de uma haste principal no qual

é montado um cabeçote, onde está localizado o módulo LASER e o sistema de alimentação,

pilhas. No prolongamento inferior da haste é soldada uma barra no sentido transversal, que

fica mergulhada na mini-cuba contendo água, oferecendo resistência ao movimento, e

conseqüentemente, amortecendo a oscilação do pêndulo.

A teoria básica sobre a prova de inclinação demonstra que, quanto menor o ângulo

de banda máximo, mais coerentes serão os resultados. Por outro lado, quanto maior o porte da

embarcação, maiores serão os pesos inclinantes necessários e maiores também, as

dificuldades inerentes ao posicionamento e movimentação dos mesmos. Portanto, o problema

se resume na capacidade de medir pequenos ângulos com precisão.

Uma das características do pêndulo laser está no fato de que, apesar do mesmo

continuar a ser um pêndulo, seu comprimento físico é desvinculado do seu comprimento

virtual. O primeiro é a distância entre o pivô e o centro de gravidade do pêndulo físico,

composto pelo conjunto cabeça-haste-barra. Este comprimento é de cerca de 10 cm, enquanto

o do pêndulo convencional é medido em metros. Esta diferença tem impacto decisivo na

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capacidade de amortecimento. Enquanto o presente instrumento pode ser freado por um

pequeno recipiente cheio de água o pêndulo convencional requer um volume de líquido muito

maior, e de viscosidade elevada, sendo comumente utilizado “óleo queimado”.

O comprimento virtual é a distância entre o pivô e o anteparo. Independente do

comprimento físico, existe a possibilidade de ser aumentado significativamente, sem os

reveses associados ao comprimento do pêndulo convencional. Basta afastar o anteparo do

suporte do pêndulo, ao longo da boca do navio.

Como exemplo comparativo, pode ser citado uma experiência passada por um dos

engenheiros da INACE, quando por ocasião da prova de inclinação de um supply , cuja boca

era igual a 11m, os cálculos preliminares da prova determinaram o uso, no pêndulo de ré, de

uma torre de andaimes modulares com 5 m de altura. As poitas de concreto utilizadas como

pesos inclinantes eram suficientes para produzir um ângulo máximo de apenas 0,5 graus. Se

houvesse, na época, sido utilizado um pêndulo laser, a boca da embarcação seria mais do que

suficiente para conter o comprimento virtual do pêndulo. Portanto é lícito supor que a boca de

uma dada embarcação será suficiente para, com reserva, sempre permitir o adequado

posicionamento do pêndulo laser.

1.3 Pêndulo Laser com Estabilização Giroscópica.

Supondo-se que a embarcação a ser estudada seja um iate, ocorrendo vazamento

da água contida na cuba de amortecimento do movimento pendular não danifica o

revestimento de madeira do convés, logo o pêndulo laser com estabilização a água é altamente

usual neste tipo de situação.

Iates são embarcações cujo convés principal é quase todo ocupado pela

superestrutura. O espaço interno da superestrutura tem um acabamento muito refinado, com o

piso todo recoberto por um carpete de alto acabamento. Muitas vezes acontece de o melhor

lugar a se instalar o pêndulo laser é dentro da superestrutura onde não é permitido nem

mesmo o vazamento de água para evitar danos ao acabamento da embarcação. Surge agora a

necessidade de uma forma alternativa de estabilizar o movimento pendular do pêndulo laser

sem fazer uso de amortecimento por fluido, onde este trabalho propõe uma alternativa

bastante simples.

O ótimo é que a embarcação da qual será sujeita a uma prova de inclinação, esteja

na fase mais avançada de construção, isto é, em uma fase de finalização do acabamento

interno.

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Nesta fase da construção, a embarcação já possui o sistema de geração e

distribuição elétrico interno concluído. Podemos fazer uso da vantagem de haver energia

elétrica na embarcação para propor o desenvolvimento de um equipamento elétrico para

estabilização do movimento pendular, e a proposta é a integração de um giroscópio para

estabilizar o pêndulo laser.

2. PÊNDULO LASER CONVENSIONAL.

O pêndulo laser convencional é montado de acordo com a configuração como

mostrada na imagem. O pêndulo propriamente dito, montado em um bordo, equilibrado e

amortecido pela mini-cuba sobre um tripé. No outro bordo, um anteparo graduado com

figurado de maneira tal para que visualmente seja fácil visualizar o ponto de emissão do

módulo laser.

FIGURA 2.1 – Arranjo do sistema pêndulo laser no convés.

12

Em paralelo ao desenvolvimento do instrumento, adota-se um método no qual

considera as leituras absolutas obtidas diretamente na régua graduada, ao invés das deflexões

com relação ao navio sem banda.

O procedimento usual determina a impressão do gráfico Momento Inclinante

versus Tangente do Ângulo de Banda. As tangentes são obtidas a partir das deflexões, obtidas

pela subtração de uma dada leitura da leitura na posição não adernada. O formulário padrão,

previsto pela DPC, indica a necessidade da leitura desta posição em 3 movimentos.

Normalmente adota-se a média aritmética de 3 leituras como o "zero" de referência das

deflexões.

Contudo, normalmente este zero não é inpresso no gráfico, e nem os desvios da

média dos movimentos Inicial, 4 e 8. Usualmente restringimo-nos a avaliar visualmente a

proximidade da reta, interpolada através das demais leituras, com relação à origem do gráfico.

FIGURA 2.2 – Anteparo Graduado.

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O pêndulo convencional é montado em um corpo de bronze usinado, como

apresentado na figura abaixo. Todo o corpo do pêndulo é apoiado pelos braços, em forma de

cunha, que tem por objetivo reduzir a área de contato de apoio. Os furos transversais são para

fixação da palheta onde é instalado o sistema de alimentação de energia do laser (pilhas,

conectores e chaveamento), além de um peso para regulagem vertical do laser. No furo

longitudinal é acoplado por encaixe o módulo laser.

FIGURA 2.3 – Pêndulo Laser.

FIGURA 2.4 – Detalhe da Cabeça do Pêndulo.

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Abaixo é apresentada a mini-cuba de amortecimento. A mini-cuba tem um

volume aproximado de 10 litros. Estruturas transversais são instaladas, chicanas, para reduzir

o efeito de superfície livre do líquido (água) devido o caturro da embarcação. No topo da

mini-cuba está montado braços, feitos de aço inox, no qual serão apoiados os braços da

cabeça do pêndulo. As chicanas do centro são cortadas para não interferir no movimento do

pêndulo. No fundo da mini-cuba está soldado um dreno com uma válvula esfera para

esvaziamento da água ao término de uso do equipamento.

FIGURA 2.5 – Mini-cuba.

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3. ESTABILIZAÇÃO PELA CONSERVAÇÃO DO MOMENTO ANGULAR.

A proposta de desenvolvimento de um protótipo que substitua o pêndulo laser

convencional, está em mudar o sistema de estabilização do pêndulo de amortecimento fluido

para estabilização pela conservação do momento angular, assim como o utilizado em

equipamentos giroscópios.

FIGURA 3.1 – Pião.

Como mostrado na figura, pela conservação do momento angular, o objeto

mantém sua posição vertical, com pondo de apoio na madeira. Basta imaginar agora, se esse

efeito for reproduzido com o objeto verticalmente invertido. Ele manterá seu eixo vertical,

perpendicular ao plano de rotação do disco.

O sistema tenta sempre estabilizar, alinhando seu eixo vertical com a direção da

força gravitacional, independente se há mudança ou não da inclinação do plano de apoio.

FIGURA 3.2 – Forças agindo sobre o pião.

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Quando o pião recebe alguma influência externa, mudando a posição do seu eixo

principal, surge um binário tentando desequilibrar-lo, formado pela força gravitacional e a

força de reação no ponto de apoio. Se o corpo estiver girando com uma velocidade angular

suficiente para gerar um τ suficientemente maior para vencer o binário gerado, o corpo

retornará à posição de equilíbrio inicial.

Da mesma forma ocorre com o pêndulo laser. Pela alta rotação do disco, o

pêndulo tende a se estabilizar voltando para a posição de equilíbrio por meio de um momento

restaurador gerado, de acordo com o princípio da conservação do momento angular.

FIGURA 3.3 – Momento Restaurador.

Temos que o torque gerado pelo momento angular pode ser calculado por:

Onde I é o momento de inércia do objeto e ω é a velocidade angular. Em um

sistema fechado, o movimento angular é constante.

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4. PROTÓTIPO.

4.1 Motor.

O motor escolhido é um FOX, sewing machine motor MG-100, com as seguintes

características:

• 100 W;

• 0,5 A;

• 220V;

• 50 / 60 Hz;

• 6000 rpm;

FIGURA 4.1.1 – Motor utilizado no protótipo.

Para instalar o eixo para transferir movimento ao disco, foi usinada a ponta do

eixo do motor para poder passar um parafuso, com a função de pino de travamento. A chave

de energia foi montada de forma invertida para reduzir a probabilidade de acidentes como o

enroscamento do fio no eixo do motor. O acelerador de pé foi montado solto, externo ao

protótipo, com passagem dos fios de maneira tal que não interfira no movimento do pêndulo.

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4.2 Disco e Eixo.

O disco utilizado é uma liga naval, alumínio 5083-O, cortado de sobra de material

e usinado posteriormente com diâmetro de 290 mm, espessura de 5 mm, e massa igual a

879,49g.

O eixo foi confeccionado de alumínio, liga 6061 H116, usinado com sobra de

material, com diâmetro de 15 mm e 700 mm de comprimento, usinado em uma extremidade

com rosca e outra extremidade com um furo na peça para encaixe do eixo do motor e furo

transversal para fixação.

FIGURA 4.2.1 – Conjunto Disco – Eixo.

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4.3 Módulo Laser.

4.3.1 Modelo:

• Fabricante: LASERLINE;

• Modelo: LRM40.

4.3.2 Características:

• Emissão em 650nm com alta visibilidade;

• Potência mínima de 40mW com tamanho reduzido;

• Foco colimado e ajustável;

• Circuito protetor contra excesso de temperatura;

• Construção robusta, resistente a choques e a vibração.

4.3.3 Especificações Mecânicas:

• Peso: 7 gramas;

• Material do invólucro: Alumínio;

• Tratamento da Superfície: Anodizado (preto);

• Dimensões do Módulo: Ver figura abaixo.

4.3.4 Especificações Ópticas:

• Comprimento de Onda: 650nm;

• Potência de Saída: 40mW;

• Estabilidade de potência: +/- 1 %;

• Desvio de frequência: 0,2nm / °C;

• Ruído (B.P. de 20MHz): < 0,7% RMS;

• Modo de Operação: Contínua;

• Divergência: < 1.8mrad;

• Tamanho do Ponto: Ajustável;

• Formato do Ponto: Elíptico.

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• Estabilidade do Ponto: < 50mrad;

• Classe: IIIb.

4.3.5 Especificações Elétricas:

• Tensão de Alimentação: 4 a 5 Volts;

• Consumo de Corrente: < 120mA;

• Temperatura de Operação: -10 a 36°C;

• Modulação Externa: 0 a 2,5KHz. * Chaveamento ON/OFF;

• Circuito de Controle: Controle automático de corrente;

• Conexão Elétrica: Fios vermelho e preto com 12cm.;

• Conector padrão: Conector tipo MOLEX®.

FIGURA 4.3.5.1 – Módulo Laser.

FIGURA 4.3.5.2 – Dimensional do Módulo Laser.

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4.3.6 Suporte do módulo laser.

O suporte do módulo laser foi confeccionado em alumínio 5083-O, usinado com

sobra de material, com dimensões de acordo com desenho abaixo.

FIGURA 4.3.6.1 – Suporte do Módulo Laser.

4.4 Base Principal.

A base principal foi modelada de tal forma que haja fixação do motor, passagem

do eixo do disco, fixação do suporte de pilhas, chaveamento do laser, caixa de acomodação do

módulo laser, controle de inclinação e alimentação elétrica do motor.

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Pode-se ver na figura abaixo, entre os componentes explodidos, ao centro, a base

modelada.

FIGURA 4.4.1 – Conjunto Explodido.

4.5 Modelo 3D.

Um modelo 3D foi feito inicialmente como ponto de partida para fabricação e

montagem das peças a serem confeccionadas de acordo com os equipamentos escolhidos e

adquiridos, levando em consideração também as limitações da oficina de usinagem do

estaleiro, local no qual foram fabricadas, soldadas e usinadas, quando necessário, as peças do

conjunto.

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FIGURA 4.5.1 – Modelo 3D.


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FIGURA 4.5.4 - Modelo 3D.

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5. PROBLEMAS DECORRIDOS E SOLUÇÕES ALTERNATIVAS.

5.1 Problemas com o primeiro modelo.

Quando o primeiro modelo ficou pronto, um problema de vibração muito forte foi

detectado. Quando o motor entrava era ligado e acelerado, o conjunto passava pelo ponto de

freqüência natural do eixo, o modelo vibrava muito a ponto de quase desmontar nesse

instante. Pouco tempo depois, o motor entrava em regime permanente, mas mesmo assim o

modelo continuava vibrando muito e não estava estabilizando o pêndulo.

Foram detectados os seguintes problemas:

• Eixo muito curto, não gerando efeito de estabilização;

• Eixo do disco sem apoio e folga na montagem com o motor;

• Conjunto da base principal montado sobre rolamentos não tinha boa fixação, na

forma no qual o modelo foi pensado.

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5.2 Soluções Alternativas.

5.2.1 Solução para o problema da vibração.

Para solucionar o problema da vibração do eixo, foi soldada à base principal um

tubo, trabalhando assim como uma espécie de tubo telescópico como os usados nas linhas de

eixo das embarcações.

Na extremidade inferior do tubo, foi usinado um pequeno bloco de TECNIL,

lubrificado com vaselina para reduzir o atrito com o eixo do disco.

Na extremidade superior, próximo à base principal, foram soldados dois blocos de

alumínio para poder dar altura para soldagem do tubo, visto que, se o tubo fosse soldado

diretamente à base principal, não haveria espaço suficiente para o parafuso de fixação do eixo

do disco ao motor, além de também de não dar espaço para fixação do motor à base principal.

FIGURA 5.2.1.1 – Bucha de Tecnil.

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FIGURA 5.2.1.2 – Base Soldada.

FIGURA 5.2.1.3 – Tubo Estabilizador do Eixo do Disco.

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5.2.2 Solução para o Pedestal.

O pedestal era muito curto para poder aumentar o eixo do disco. A intenção era

que na base do pedestal fosse soldada borboletas e aparafusadas pedras, integrando um tripé

ao suporte. A solução encontrada foi remodelar o suporte para uma estrutura tubular.

Um outro problema também resolvido pela solução de construir a estrutura

tubular foi a fixação dos rolamentos. Dois pedaços de tubos cortados, usinados as

extremidades de forma a servir como mancais.

FIGURA 5.2.2.1 – Estrutura Tubular.

6. TESTES.

O sistema foi simulado em uma espécie de gangorra com caturro manual para

simular o caturro de uma embarcação real. Posicionou-se o anteparo a uma distancia

conhecida.

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O sistema foi testado, mas os resultados não foram satisfatórios, comparados

pelos operadores, usando da experiência de uso dos pêndulos lasers convencionais.

O ponto de projeção do laser do sistema no anteparo graduado oscilava entre o

máximo e o mínimo, mas em um range muito pequeno no qual dificultava a leitura dos

máximos e mínimos pelo operador.

7. CONCLUSÃO.

Embora o sistema não tenha atingido uma estabilização tão satisfatória, podemos

avaliar o experimento de forma positiva, com a possibilidade de melhoras futuras do modelo,

visto que haverá a disponibilidade e necessidade da empresa para o desenvolvimento real

deste equipamento.

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REFERÊNCIAS

LEWIS, Edward V. Principles of Naval Architecture. 2.ed. Jersey City: New Jersey, 1988. ISBN No. 0-939773-00-7.

FONSECA, Maurício M. Arte Naval. 6.ed. Rio de Janeiro: Rio de Janeiro, 2002. ISBN No. 85-7047-051-7.

IGREJA, Márcio Ferreira. Anexo III - Descrição do Pêndulo Laser, e dos Artifícios de Cálculo Relacionados a Sua Utilização. Relatório da Prova de Inclinação – Navio Patrulha 500t. Fortaleza: Ceará. Julho. 2008.

HALLIDAY; RESNICK; WALKER. Fundamentos de Física: Mecânica – Volume 1. 7.ed. 2006. ISBN No. 8521614845.

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