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UNIVERSIDAD NACIONAL PEDRO RUIZ GALLO ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL NEWTON PATÍCULA CURSO: DINÁMICA PROFESOR: ING. IRMA RODRIGUEZ LLONTOP ALUMNOS: RODRIGUEZ SANCHEZ, CESAR ISAAC REQUE ESQUECHE, ANGELO RAMOS VASQUEZ, JUAN CARLOS

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UNIVERSIDAD NACIONAL PEDRO RUIZ GALLOESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVILNEWTON PATCULACURSO: DINMICA

PROFESOR: ING. IRMA RODRIGUEZ LLONTOP

ALUMNOS: RODRIGUEZ SANCHEZ, CESAR ISAAC REQUE ESQUECHE, ANGELO RAMOS VASQUEZ, JUAN CARLOS ROJAS PAISIG ROBERT HENDERSON

CONCEPTOS BASICOS

FUERZA

La fuerza es una magnitud fsica que mide la intensidad del intercambio de momento lineal entre dos partculas o sistemas de partculas (en lenguaje de la fsica de partculas se habla de interaccin).

Segn una definicin clsica Se entiende como fuerza a cualquier accin o influencia que es capaz de modificar el estado de movimiento de un cuerpo, es decir, de imprimirle una aceleracin a ese cuerpo, la fuerza viene descrita por la Segunda Ley de Newton.

Fuerzas de Rozamiento

Las fuerzas de rozamiento aparecen cuando dos materiales se ponen en contacto y son las responsables de las fricciones y las resistencias a que dichas superficies se muevan mientras se estn tocando. La experiencia nos dice que estas fuerzas de rozamiento son proporcionales a la fuerza normal multiplicada por un coeficiente de rozamiento.

Hay dos clases de coeficientes de rozamiento, el esttico (a aplicar cuando una superficie est sobre la otra y queremos empezar a moverla) y el cintico (presente cuando un material se mueve sobre otro), que es menor que el primero. Estas fuerzas de rozamiento son disipativas, la energa la convierte en calor, haciendo que los objetos pierdan su energa cintica y, por tanto, se terminen deteniendo.

MASA

Es la cantidad de materia de un cuerpo. Es una propiedad intrnseca de los cuerpos que determina la medida de la masa inercial y de la masa gravitacional. La unidad utilizada para medir la masa en el Sistema Internacional de Unidades es el kilogramo (kg). Es una cantidad escalar.

No se debe confundir la masa con el peso, mientras la primera mide la cantidad de materia el segundo es una fuerza. Este es un error muy comn que hay que evitar a toda costa.

En teora hay dos tipos diferentes de masas: una es la masa inercial, que es la que se opone a que un cuerpo se acelere cuando se aplica una fuerza sobre l (segn la Segunda Ley de Newton la aceleracin inducida sobre un objeto cuando se aplica una fuerza es inversamente proporcional a la masa, con lo que cuanta ms masa tengamos ms fuerza necesitaremos para dar la misma aceleracin; la otra es la masa gravitatoria, que es la responsable de la interaccin gravitatoria mediante la fuerza de la gravedad.

Aunque an no se ha podido demostrar de modo matemtico, estos dos tipos de masa son iguales en una parte entre varios millones segn los experimentos.

PESO

El peso es la fuerza que la gravedad ejerce sobre las partculas con masa en las cercanas de la Tierra, con lo que su valor ser igual a la masa de dichas partculas por el valor de la aceleracin de la gravedad.

La masa es una cantidad absoluta ya que su medicin puede efectuarse en cualquier sitio. Sin embargo, el peso de un cuerpo no es absoluto ya que es medido en campo gravitatorio, y por consiguiente su magnitud depende de donde se efecte la medicin.

SEGUNDA LEY DE NEWTON EN DIFERENTES SISTEMAS DE REFERENCIA

GENERALIDADESEn el ao 1687 sorprendi al mundo con la publicacin de su libro Principios matemticos de filosofa natural. En Este libro adems de describir la teora de la gravitacin universal, se formulan las tres leyes del movimiento.

*Primera ley de Newton o ley de la inercia*Segunda ley de Newton o ley de aceleracin o ley de fuerza*Tercera Ley de Newton o Ley de accin y reaccinLas Leyes de Newton permiten explicar tanto el movimiento de los astros como los movimientos de los proyectiles artificiales creados por el ser humano, as como toda la mecnica de funcionamiento de las mquinas.Newton plante que todos los movimientos se atienen a estas tres leyes principales formuladas en trminos matemticos. Un concepto es la fuerza, causa del movimiento; otro es la masa, la medicin de la cantidad de materia puesta en movimiento; los dos son denominados habitualmente por las letras F y m.Primera ley de Newton o ley de la inerciaEn esta primera ley, Newton expone que Todo cuerpo tiende a mantener su estado de reposo o movimiento uniforme y rectilneo a no ser que sea obligado a cambiar su estado por fuerzas ejercidas sobre l.

Segunda ley de Newton o ley de aceleracin o ley de fuerzaLa segunda ley del movimiento de Newton dice que Cuando se aplica una fuerza a un objeto, ste se acelera. Dicha a aceleracin es en direccin a la fuerza y es proporcional a su intensidad y es inversamente proporcional a la masa que se mueve.

Tercera Ley de Newton o Ley de accin y reaccinEnunciada algunas veces como que "para cada accin existe una reaccin igual y opuesta".En trminos ms explcitos: La tercera ley expone que por cada fuerza que acta sobre un cuerpo, ste realiza una fuerza de igual intensidad y direccin pero de sentido contrario sobre el cuerpo que la produjo.

SEGUNDA LEY DE NEWTONLa aceleracin que un cuerpo adquiere es directamente proporcional a la resultante de las fuerzas que actan en l, y tiene la misma direccin y el mismo sentido que dicha resultante.R = m a , o bien F = m a.Consideremos un cuerpo sometido a la accin de varias fuerzas (F1, F2, F3, etc.). Sabemos que al suceder esto, es posible sustituir el sistema de fuerzas por una fuerza nica, la resultante R del sistema.

La aceleracin que el cuerpo vaya a adquirir por la accin del sistema de fuerza, se obtendr como si el cuerpo estuviese sometido a la accin de una fuerza nica, igual a R. La ecuacin F = ma ser en este caso, sustituida por R = ma, y el vector a tendr la misma direccin y el mismo sentido que el vector R. La ecuacin R = ma es la expresin matemtica de la Segunda Ley de Newton en su forma ms general.La Segunda Ley de Newton es una de las leyes bsicas de la mecnica, se utiliza en el anlisis de los movimientos prximos a la superficie de la tierra y tambin en el estudio de los cuerpos celestes.

El mismo Newton la aplic al estudiar los movimientos de los planetas, y el gran xito logrado constituy una de las primeras confirmaciones de esta ley.La masa de un cuerpo es el cociente entre la fuerza que acta en el mismo, y la aceleracin que produce en l, o sea: m = F / a Cuanto mayor sea la masa de un cuerpo, tanto mayor ser su inercia; es decir, la masa de un cuerpo es una medida de la inercia del mismo.

NEWTON Y EINSTEIN: LA MASA VARA?

Un principio de la fsica clsica es la ley de la conservacin de la masa, que afirma que la materia no puede crearse ni destruirse. Esta ley se cumple en las reacciones qumicas, pero no ocurre as cuando los tomos se desintegran y se convierte materia en energa o energa en materia.La teora de la relatividad formulada inicialmente en 1905 por Albert Einstein, Cambi en gran medida el concepto tradicional de masa. La relatividad demuestra que la masa de un objeto cara cuando su velocidad se aproxima a la de la luz, es decir, cuando se acerca a los 300 000 km/s; la masa de un objeto que se desplaza a 260 000 km/s, por ejemplo, es el doble de su llamada masa en reposo. Cuando los cuerpos tienen estas velocidades como ocurren con las partculas producidas en la reacciones nucleares, la masa puede convertirse en energa y viceversa, como sugera la famosa ecuacin de Einstein E=mc2 (la energa es igual a la masa por el cuadrado de la velocidad del a luz)

SISTEMAS DE REFERENCIA

MOVIMIENTO CURVILNEO - SISTEMA DE COORDENADAS RECTANGULARESEl movimiento curvilneo a lo largo de una trayectoria puede descomponerse en movimiento rectilneo a lo largo de los ejes X, Y y Z. Se utiliza la ecuacin de la trayectoria para relacionar el movimiento a lo largo de cada eje.

MOVIMIENTO CURVILNEO SISTEMAS DE COORDENADA TANGENCIAL Y NORMALSi se utilizan ejes normal y tangencial para el anlisis, entonces V siempre est en direccin t positiva.La aceleracin tiene dos componentes tangencial, at, es responsable del cambio en La direccin de la velocidad; una reduccin de la velocidad ocurre en la direccin t negativa, y un incremento de la velocidad ocurre en la direccin t positiva. El componente normal an responde por el cambio en la direccin de la velocidad. Esta componente siempre acta en la direccin n positiva.

MOVIMIENTO CURVILNEO SISTEMAS DE COORDENADA RADIAL Y TRANSVERSAL (CILNDRICAS O POLARES)Si la trayectoria del movimiento se expresa en coordenadas polares, entonces la componentes de velocidad y aceleracin pueden relacionarse con las derivadas con respecto al tiempo al tiempo de r y .Para aplicar las derivadas con respecto al tiempo, es necesario determinar r,,,, en el instante considerado. Si se da la trayectoria r=f(), entonces se debe utilizar la regla de la cadena del clculo para obtener las derivadas con respecto al tiempo. (Vea el apndice C).Una vez que se sustituyen los datos en las ecuaciones, el algebraico de los resultados indicar las direcciones de los componentes de v o a a los largo de cada eje.

SEGUNDA LEY DE NEWTON EN DIFERENTES SISTEMAS DE REFERENCIA

Cuando ms de una fuerza acta en una partcula, la fuerza resultante se determina por medio de una suma vectorial de todas las fuerzas; es decir, FR=F. en general, la ecuacin de movimiento se escribe como: F=maEn algunos casos para resolver ejercicios sobre la segunda ecuacin del movimiento a veces es necesario por conveniencia desarrollar dicho ejercicio por un mtodo que nos facilite el desarrollo, y es aqu donde podemos usar los sistemas de referencia, que convenientemente usaremos el que ms nos pueda convenir, y estos son:

SISTEMA DE COORDENADAS RECTANGULARES

cuando un sistema inercial x, y, z, las fuerzas que actan en la partcula, lo mismo que su aceleracin, pueden expresarse en funcin de sus componentes i, j, k.

Al aplicar las ecuaciones del movimiento, tenemos F=ma Fxi + fyj + Fzk = m(axi + ayj + azk)Para que esta ecuacin se satisfaga, los componentes i, j, k respectivos del lado izquierdo deben ser iguales a los componentes correspondientes del lado derecho. Por consiguiente, podemos escribir las tres ecuaciones escalares siguientes: F=max F=may F=mazEn particular, si la particular est limitada a moverse slo en el plano x, y, entonces se utilizarn las primeras dos ecuaciones para especificar el movimiento.

SISTEMA DE COORDENADAS TANGENCIAL Y NORMAL

Cuando una partcula se desplaza a lo largo de una trayectoria curva conocida, su ecuacin de movimiento puede escribirse en las direcciones tangencial, normal y binormal. Observe que la partcula no se mueve en la direccin binormal puesto que est limitada a moverse a lo largo de la trayectoria. Tenemos: F = ma Ft+ Fn + Fb =mat + man

Esta ecuacin se satisface siempre que Ft=max Fn=may Fb=0Si sustituimos at y an en las ecuaciones anteriores tendremos:

Si la trayectoria se define como y=f(x), el radio de la curvatura en el punto donde la partcula est localizada se obtiene con:

= [1 + (dy/dx)2]3/2/|d2y/dx2|

SISTEMA DE COORDENADAS RADIAL Y TRANSVERSAL

Cuando todas las fuerzas que actan en una partcula se descomponen es componentes cilndricos, es decir a lo largo de las direcciones de los vectores unitarios , las ecuaciones del movimiento se pueden expresar como: F = ma Fr+ F + Fz =mar + ma + mazPara que esta ecuacion se satisfaga requerimos Ft=mar Fn=ma Fb=mazDonde:

Si la particular solo puede moverse en el plano r-, entonces slo se utilizan las primeras dos ecuaciones para especificar el movimientoEJERCICIOS

PROBLEMA N1El perno P situado al extremo de una barra telescpica en la figura (a) se desplaza a lo largo de la trayectoria parablica fija y2=40x, donde x y y se miden en milmetros. La coordenada y de P vara con el tiempo t (medido en segundos) segn y=4t2+6t mm. Cuando y=30 mm. Calcule 1) el vector velocidad de P, y 2) el vector aceleracin de P.

SOLUCIN PARTE 1Al sustituir y=4t2+6t mm (a)En la ecuacin de la trayectoria y despejar x, obtenemos x= = =0.40t4 + 1.20t3 + 0.90t2 mm (b)las componentes rectangulares del vector velocidad son entonces vx=x =1.60t3 + 3.60t2 + 1.80t mm/s (c) vy=y=8t + 6 mm/s (d)Al hacer y=30 mm en la ecuacin (a) y despejar t=2.090 s. al sustituir este valor de tiempo en la ecuaciones (c) y (d) obtenemosvx = 34.1 mm/s y vy= 22.7 mm/sConsecuentemente, el vector de velocidad en y = 30 mm/s es v=34.1i + 22.7j mm/s respuestaLa representacin grfica de este resultado se muestra abajo y tambin en la figura (b).

V=41.0 mm/s=tan-1==33.7 Al evaluar la pendiente de la trayectoria, dy/dx, en y=30mm, es fcil verificar que el vector velocidad determinado antes es de hecho tangente a la trayectoria

PARTE 2De las ecuaciones (c) y (d) podemos determinar las componentes del vector de aceleracin por diferenciacin: ax= vx=4.80t2 + 7.20t + 1.80 mm/s2 ay= vy=8 mm/s2

Sustituyendo t = 2.090 s. obtenemos ax= 37.8 mm/s2Por tanto, el vector de aceleracin en y= 30 mm es a=37.8i + 8j mm/s2 respuestaLa representacin grfica de a es a= 38.6 mm/s =tan-1=11.95Del dibujo del vector de aceleracin de la figura (b) vemos que la direccin de a no es tangente a la trayectoria.

PROBLEMA N2Una partcula se desplaza a lo largo de la rama de la hiprbola (x/a)2 (y/b)2 = 1 que se muestra en la figura (a). Si la velocidad constante de la partcula es vo, determine la aceleracin de la partcula cuando se encuentre en A.

SOLUCINDebido a que la velocidad de la partcula es constante, la componente tangencial de la aceleracin es cero en todos los puntos a lo largo de la trayectoria; esto es, la aceleracin tiene slo una componente normal, dad por la ecuacin: |a| = an = (a)Donde es el radio de curvatura de la trayectoria en el punto de inters. El radio de curvatura en el punto A se puede calcular a partir de (b)Al diferenciar la ecuacin de la hiprbola con respecto a y resulta De la que encontramos que (c)En el punto A, donde x=a y y=0, tenemos (d) Al tomar la derivada de la ecuacin (c) con respecto a y resulta (e)Al sustituir x=a, y=0, y dx/dy=0, encontramos que (f)Si se sustituyen las ecuaciones (d) y (f) en la (b), el radio de curvatura de la trayectoria en A es (g)La ecuacin (a) produce ahora una magnitud de la aceleracin en A: respuestaComo la aceleracin se debe slo a an, el vector de aceleracin en A est dirigido hacia el centro de la hiprbola en A, como se muestra en la figura (b)

PROBLEMA N3La barra OA en la figura (a) gira en el plano horizontal de modo que = (t3) rad. Al mismo tiempo, el collar B se desliza hacia fuera a lo largo de OA de modo que r = (100r2) mm. Si en ambos casos t est en segundos, determine la velocidad y aceleracin del collar cuando t= 1s

SOLUCION Como se dan las ecuaciones paramtrica es necesario relacionar r con .Si determinamos las derivadas con respecto al tiempo y la evaluamos cuando t=1s, tenemosr=100t2|r=1s =100mm =t3|t=1s = 1rad = 57.3=200t|r=1s =200mm/s =3t2|t=1s = 3rad/s =200|r=1s =200mm/s2 =6t|t=1s = 6rad/s2 Como se muestra en la figura (b)

v=ur + ru v=200ur + 100(3)u={200ur + 300u}mm/sLa magnitud de v es V==361 mm/s =tan-1()= 56.3 + 57.3= 144Como se muestra en la figura (c)

La magnitud de a es a== 1930 mm/s2 =tan-1() =68.7 (180 - ) + 57.3= 169NOTA: la velocidad es tangente a la trayectoria; sin embargo, la aceleracin est dirigida hacia dentro de la curvatura de la trayectoria, como se esperaba.

SISTEMAS DE UNIDADESLas Unidades son los medios para expresar dimensin, por ejemplo, horas o segundos para el caso del tiempo, libras o gramos para la masa. La regla ms simple para manejar las unidades es considerarlas como smbolos algebraicos sobre los cuales se pueden efectuar sumas, restas, multiplicaciones o divisiones, siempre y cuando representen las mismas magnitudes fsicas. Al elaborar un sistema de unidades, deben elegirse varias Unidades Fundamentales que permitan expresar todas las otras dems unidades (Unidades Derivadas o Secundarias) a travs de las relaciones fsicas fundamentales. Los sistemas de unidades pueden ser absolutos o gravitacionales. En los sistemas absolutos, las Unidades Fundamentales o Primarias son: masa [M], longitud [L], tiempo [t] y temperatura [T]. En los sistemas gravitacionales se utiliza la unidad de fuerza [F] en vez de la masa [M], como unidad fundamental. Los sistemas de unidades absolutos son el CGS, el Sistema Ingles Absoluto (PLS) y el Sistema Internacional de Unidades (SI). Los sistemas gravitacionales son el MKS y el Americano de Ingeniera.Los sistemas de unidades se dividen en: Sistema Absoluto y Sistema Gravitacional.

SISTEMAS ABSOLUTOS

Toman como unidades fundamentales la longitud, la masa y el tiempo. Se llaman absolutos porque sus unidades, tomadas del sistema mtrico decimal, son independientes de cualquier otra magnitud fsica. Estos sistemas reciben el nombre de absolutos porque las unidades bsicas que las definen son independientes del lugar de donde se utilicen las medidas. El metro, el kilogramo, y el segundo pueden usarse en cualquier lugar de la tierra; incluso pueden emplearse en otro planeta y siempre tendrn el mismo valor.

SistemaMagnitudSISTEMAS ABSOLUTOS

CGSM.K.S o GiorgiFPS o INGLES

LONGITUD

TIEMPO

MASA

FUERZA

TRABAJO

Sistema M.K.S. Absoluto (Metro, Kilogramo, Segundo)

El nombre del sistema est tomado de las inciales de sus unidades fundamentales.

La unidad de longitud del sistema M.K.S. es el Metro. La unidad de masa del sistema M.K.S. es el Kilogramo. La unidad de tiempo de todos los sistemas de unidades es el "Segundo".

Sistema C. G. S. Absoluto (Centmetro, Gramo, segundo)

El sistema C.G.S. llamado tambin sistema Cegesimal, es usado particularmente en trabajos cientficos. Sus unidades son submltiplos del sistema M.K.S. absoluto.

La Unidad de longitud: Es el Centmetro, o centsima parte del Metro. La Unidad de masa: Es el Gramo, o milsima parte del Kilogramo. La Unidad de tiempo: Es el Segundo.

Sistema Internacional (S.I):

En elao de 1960, durante ladcimo primera conferencia general de pesas y medidas, se cre el sistema internacional de Unidades (S.I.) , el cualdefine 7 magnitudes bsicas fundamentales, que son : La Longitud, la masa, el tiempo, la corriente elctrica, la temperatura, la cantidad de sustancia y la intensidad luminosa;y dos unidades suplementarias ( el radin y el esterradin ) . Las restantes magnitudes derivadas se pueden definir y medir en funcin de estas magnitudes fundamentales.As por ejemplo, la rapidez es una magnitud derivada, ya que puede definirse en funcin de la longitud y el tiempo

MAGNITUDES Y UNIDADES FUNDAMENTALES DE ( SI )

MAGNITUD UNIDAD SIMBOLO DE LA UNIDAD

Longitud METRO m

Masa KILOGRAMO kg

Tiempo SEGUNDO s

Temperatura KELVIN K

Intensidad de Corriente elctrica AMPERIO A

Cantidad de Sustancia MOL mol

Intensidad Luminosa CANDELA Cd

MAGNITUDES Y UNIDADES SUPLEMENTARIAS DEL ( SI )

ngulo plano RADIN Rad

ngulo slidoESTERRADIN sr

MAGNITUDES Y UNIDADES DERIVADAS CON NOMBRE ESPECIALES DEL ( SI )

frecuencia HERTZ Hz

energa JOULE J

fuerza NEWTON N

potencia WATT W

presin PASCAL Pa

carga elctrica COULOMB C

diferencia de potencial elctrico VOLTIO V

resistencia elctrica OHM

conductancia elctrica SIEMENS S

capacitancia elctrica FARAD F

flujo magntico WEBER Wb

inductancia HENRY H

densidad de flujo magntico TESLA T

flujo luminoso LUMEN Lm

iluminancia( iluminacin ) LUX Lx

dosis absorbida GRAY Gy

En el sistema internacional, los mltiplos y sub-mltiplos de las diferentes unidades, se nombran usando un prefijo indicativo de su valor multiplicador, tal y como se aprecia en el siguiente cuadro.

Mltiplos y sub mltiplos del sistema internacional ( SI )

Prefijo Smbolo Factor

Hexa E 10^18

Peta P 10^15

Tera T 10^12

Giga G 10^9

Mega M 10^6

Kilo K 10^3

Hecto H 10^2

Deca Da 10^1

Unidad 10^0

Deci d 10 ^ 1

Centi c 10 ^ 2

Mili m 10 ^ 3

Micro 10 ^ 6

Nano n 10 ^ 9

Pico p 10 ^ 12

Femto f 10 ^ 15

Atto a 10^ 18

Sistema Ingls:

Se usa en el Reino Unido y en las antiguas colonias britnicas; aqu se usan las unidades bsicas:pie, libra y segundopara la longitud, masa y tiempo respectivamente.

SISTEMAS GRAVITACIONALES

Se llaman gravitacionales porque utilizan para la determinacin de una de sus unidades fundamentales una magnitud que depende de la gravedad terrestre. En lugar de la masa de una muestra patrn que en cualquier parte del universo tiene el mismo valor, adoptan como unidad su peso o fuerza con que es atrada sta por la gravedad, en un punto determinado de la Tierra.

Sistema M. Kp. S. Gravitacional (Metro, Kilopond, Segundo)

Llamado sistema tcnico por ser utilizado principalmente en clculos industriales o de ingeniera. Las unidades de longitud y tiempo son las mismas que en el sistema M. K. S. absoluto, pero la unidad de fuerza sustituye a la de masa. Se caracterizan porque utilizan la fuerza como magnitud fundamental y a la masa la consideran magnitud derivada.

Sistema

MagnitudSISTEMAS GRAVITATORIOS

CGSTcnicoM.K.S tcnico o mtrico tcnico o gravitatorio o de ingenieraFPS o INGLES Tcnico

LONGITUD

TIEMPO

FUERZA

MASA

TRABAJO

APLICACIONES DE LOS SISTEMAS DE UNIDADES

1.) Por definicin el sistema gravitacional define el SLUG para la unidad de masa como.Slug = (libra-fuerza) (segundo)2/ pie =lbf x s2 / ftTambin por definicin 1 lbf = 1 Lbm x 32,258 ft/s21 lbf x s2/ ft= 32.258 x 1 lbmPor lo tanto:1 Slug = 32.258 lbm

2.) Por definicin la masa en el sistema gravitacional se llama Unidad Tcnica de Masa(UTM):1 UTM = Kgf x s2/ mTambin por definicin1 Kgf= 1 Kgm x 9.8 m/s2 =9.8 N1 Kgf x s2/ m= 9.8 x 1KgmPor lo tanto:1 UTM = 9.8 KgmAl kilogramo fuerza de le llama tambinKilopondio (kp)y es la unidad de fuerza del Sistema Tcnico de unidades.

3. Expresar un flujo de lquido (Q) de 60m3/hr en pie3/segPlanteamiento: Se desea determinar el flujo de lquido Q en las nuevas unidades.Procedimiento:Se aplica la expresin VB = VD x FC y se utilizan los siguientes factores de conversin.1 m3 = 1000 lts1 lt = 61, 03 pie31 hr = 3600 segClculos: