Laboratório de Física Experimental I

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1 Laboratório de Física Experimental I Universidade Vila Velha Manual de Medidas Mecânicas Laboratório de Física Prof. Rudson R. Alves Prof. Tiago P. Bertelli 2013

2 2/15 Sumário Introdução Medidas Mecânicas Calibração Comprimento, espessura e profundidade Réguas e Escalímetros Cuidados no Manuseio Medindo Comprimento Paralaxe Paquímetro Micrômetro Calibração Medindo com o micrômetro Medida de Massa Apresentação Calibração Operação Força e Tração Apresentação dos Dinamômetros Cuidados na operação Calibração Vertical Calibração Horizontal Cronômetro Digital EQ228A Teste do Cronômetro...15

3 3/15 Introdução Este manual se destina a instruir os usuários do Laboratório de Física sobre o uso, procedimentos de calibração e cuidados devidos com os instrumentos de medidas mecânicas. O Laboratório possui diversos instrumentos para medidas mecânicas que, embora sejam relativamente simples e resistentes, requerem alguns cuidados especiais para que a sua operação resulte em medidas confiáveis e não comprometam a integridade destes instrumentos. Neste texto é apresentado estes procedimentos e cuidados de forma simples e direta, sendo sua leitura essencial para um bom desempenho nas atividades realizadas no Laboratório. Por este motivo, este texto deve permanecer sempre à mão dos alunos das disciplinas experimentais. Em caso se dúvida, consulte o professor ou estagiário para mais esclarecimentos. 1. Medidas Mecânicas Uma medida deve ser realizada tomando-se um conjunto de cuidados para se obter uma leitura adequada e confiável da grandeza mensurada. Cuidados específicos são tratados nas seções seguintes, no entanto, alguns cuidados gerais serão passados aqui Calibração Sempre que o equipamento permitir, deve-se avaliar a sua calibração. Alguns instrumentos de medida, como micrômetro, dinamômetro e balança, possuem procedimentos de calibração que devem ser observados antes de iniciar a sua operação. Observe que nem todos os instrumentos de medida podem ser calibrados, sendo a calibração de suas escalas realizada no processo de manufatura???? 2. Comprimento, espessura e profundidade O laboratório dispõe de vários instrumentos para medida de comprimento, como: réguas; paquímetro; e micrômetro. Estes instrumentos requerem procedimentos específicos se obter uma boa medida e, alguns deles, requerem cuidados especiais para não comprometer sua vida útil. Equipamentos como escalas (réguas) são bastante robustas e dificilmente terão problemas com o seu uso. No entanto, instrumentos como paquímetro e micrômetros, não são tão resistentes a quedas ou uso indevido, podendo serem danificados permanentemente, quando manuseados inadequadamente Réguas e Escalímetros O Laboratório possui diversas réguas com diferentes graduações e comprimentos: réguas de 1000mm (resolução de 1mm); réguas de 100cm (resolução de 1cm); escalímetros de 50,0cm/60in (resolução 0,1cm + 1/2 ); réguas de madeira de 50,0cm (resolução 0,1cm); réguas de madeira de 100,0cm (resolução de 0,1cm). Algumas destas réguas são meramente instrumentos educacionais, não sendo convenientes para medidas precisas, enquanto que outras (como os escalímetros de aço) são bem profissionais e,

4 4/15 geralmente, suficientes para as medidas a serem realizadas no Laboratório Cuidados no Manuseio A operação de uma régua requer um único cuidado especifico: jamais faça qualquer tipo de marcação em suas escalas. Algumas réguas utilizadas no laboratório possuem as escalas pitadas com uma tinta muito frágil que pode não resistir a fricção. As réguas de madeira, por sua vez, são impossíveis de serem limpadas quando riscadas, uma vez que a tinta e o grafite pode difundir nas fibras da madeira, dificultando sua leitura Medindo Comprimento Para realizar medidas uma boa medida com uma régua é importante observar alguns procedimentos fundamentais para se ter uma boa medida: 1. Escolha da graduação da régua - escolha uma régua cujo a sua graduação (menor divisão da escala) seja bem maior que o comprimento a ser medido; 2. Posicionamento da régua - observe o posicionamento da régua antes de iniciar a leitura de sua escala. Sempre que possível mantenha a régua bem firme e com a escala o mais próximo possível do objeto a ser medido; 3. Posicione-se de frente para a escala - tente se posicionar sempre de frente para a escala e do objeto a ser medido, para evitar erros de paralaxe1. 4. Leitura da escala - Leia a escala até a última graduação e, sempre que possível, avalie mais um algarismo além da menor graduação da escala. Como exemplo considere a medida do comprimento de uma caixa de madeira. Na primeira medida, será usado uma régua de 100cm com resolução de 1cm, como mostra a Figura 1. A leitura da escalar fornece a medida de 15cm, para este comprimento. Numa avaliação, do quanto o comprimento da caixa excedeu aos 15cm, é observado que esta ultrapassou de aproximadamente 0,8cm. Desta forma a medida deste comprimento será 15,8cm, ou seja, 15cm de leitura direta na escala, mais 0,8cm de avaliação, além da escala. Figura 1: Medida do comprimento de uma caixa com uma régua centimetrada. 1 Paralaxe é um erro ocasionado pela aparente mudança da posição de um objeto quando observado de diferentes posições.

5 5/15 Na medida seguinte, a régua é centimetrada é substituída por um escalímetro de aço, com resolução de 1mm. Nesta escala é medido: 15,7cm (leitura)+ 0,05cm (avaliação). Figura 2: Medida do comprimento de uma caixa com uma régua milimetrada. Toda medida deve ser sempre acompanhada de um único algarismos de avaliação. Não faz sentido usar mais que um algarismo na avaliação. Desta forma pode-se dizer que uma medida é composta de: algarismos de leitura na escala + um (único) algarismo de avaliação. As condições de medida interferem fortemente no algarismo de avaliação, fazendo-o varia de 10% da menos divisão até algumas menores divisões. Considera-se condições de medida: Movimento (ou vibração) entre a escala e o objeto; Resolução da escala em comparação à rugosidade das bordas do objeto; Proximidade da escala com respeito ao objeto a ser medido (induz erro de paralaxe); Obstáculos entre a escala, o objeto e o operador (visibilidade);... Dependendo de condições, como as citadas acima, a resolução do algarismo de avaliação pode variar de 10% da menor divisão de uma escala até algumas menores divisões da escala. Por exemplo, em uma escala centimetrada, cujo a menor divisão é de 1cm, em condições ótimas é fácil trabalhar com avaliações entre 0,5cm a 0,1cm, sem comprometer a qualidade da medida. No entanto, com condições adversas, esta resolução pode ser de 2cm, 5cm ou mais. Na Figura 2, a medida do comprimento é refeita, usando com uma régua milimetrada, onde a menor graduação agora é de 1mm ou 0,1cm. Nesta escala se lê 15,7cm enquanto que uma avaliação de 0,05cm, veja detalhe na Figura 2, pode ser feito com segurança. Sua medida final portanto será 15,75cm Paralaxe O erro de paralaxe ocorre quando a escala se encontra distante do objeto de medida. Nestas ocasiões, o posicionamento do observador com respeito à escala e o objeto a ser medido, alteram significativamente na leitura da medida. Na Figura 3 é apresentado um exemplo do erro de paralaxe induzido na medição da posição da borda direita de uma peça de aço. Em Figura 3-a é possível verificar que a escala foi posicionada,

6 6/15 intencionalmente, a aproximadamente 5mm à frente da peça de aço. Na parte superior, Figura 3-b, é apresentado uma foto frontal, onde é possível ler com melhor precisão a posição da borda da peça de aço, em 16,35cm. No detalhe inferior esquerdo, Figura 3-c, a posição do observador é movida para esquerda, induzindo a uma leitura da posição da borda em 15,95cm. Já na Figura 3-d o observador se move para direita, o que induz a uma medida da posição de 16,80mm. Figura 3: Erro de paralaxe induzido na medida da posição da borda direita de uma peça de aço. Como observado, a movimentação do observador faz com que a leitura na posição da borda da peça de aço varie de 15,95cm a 16,80cm, uma variação de 0,84cm. Nem sempre é possível colocar a escala junto ao objeto de medida, restando ao operador da escala, tentar se posicionar o melhor possível à frente da escala e do objeto a ser medido Paquímetro O paquímetro disponível no laboratório, permite medir diâmetros pela ponta (A), fendas (B) e profundidades (C) de até 150,00mm (15,000cm) com uma resolução de 0,02mm. Este instrumento de medida é composto por duas escalas, uma fixa e outra móvel, conforme indicado na Figura 4. Para realizar uma medida, siga as instruções abaixo: 1. Antes de iniciar a medida, verifique se o parafuso de trava esta liberado; 2. Posicione a peça a ser medida no paquímetro, conforme a medida desejada (A, B ou C); 3. Leitura da Escala Fixa: Meça o comprimento na Escala Fixa, até o traço do zero da Escala Móvel, sem fazer avaliação; 4. Leitura da Escala Móvel: Verifique qual dos traços da Escala Móvel coincide com um traço da Escala Fixa. Uma vez determinado o traço na Escala Móvel, realize a medida de mais dois algarismos nesta escala, que corresponde ao décimo e centésimo de milímetro.

7 7/15 Obs: Sempre é possível ler dois algarismos na Escala Móvel. Caso o traço da Escala Fixa coincida com o traço relativo ao 0 da Escala Móvel, a leitura na Escala Móvel deverá ser 0,00mm. Se o traço coincidente da Escala Móvel for um inteiro, como 1, 2, 3,..., a leitura da Escala Móvel deverá ser 0,10mm; 0,20mm; 0,30mm;... respectivamente. B escala fixa parafuso de trava C escala móvel A Figura 4 Paquímetro 0,02mm. Observe que a avaliação também é realizada na medida com o paquímetro, embora de uma forma mais sutil. A avaliação é feita na determinação de qual traço da escala móvel, que coincide com um traço da escala fixa. Isto significa que a avaliação possui uma resolução de 0,02mm em toda medida com este paquímetro. 23mm ,24mm Figura 5 Exemplo de leitura do paquímetro. Representado acima apenas os detalhes das escalas: móvel e fixa. Na media da Figura 5, o zero da Escala Móvel está à frente do terceiro traço da Escala Fixa (terceiro traço à frente da marca de 2cm ou 20mm). Portanto, a leitura na Escala Fixa deverá ser 23mm, conforme a seta superior na Figura 5. Na Escala Móvel, observa-se que o segundo traço após o 2 (0,20mm), coincide com o traço 3,5cm da Escala Fixa, portanto a leitura na Escala Móvel será 0,24mm, já que cada traço da Escala Móvel corresponde a 0,02mm. A medida total deste comprimento será 23,24mm Micrômetro O micrômetro é um instrumento de precisão, que utiliza um parafuso micrométrico, capaz de se

8 8/15 mover ao longo do próprio eixo. Ele é empregado para medir espessuras de lâminas e diâmetros de fios ou tubos. O micrômetro disponível no laboratório, Figura 6, possibilita a medida de objetos com espessuras menores que 25,000mm, e com uma resolução de até 0,01mm (10µm). Ele é composto das seguintes partes: Base de apoio ou estribo (Figura 6-1). Por ser um equipamento de precisão, no manuseio do micrômetro deve-se sempre segurá-lo pelo estribo, jamais pela Escala Móvel; Trava (Figura 6-2). Esta trava permite fixar a Escala Móvel, para que a leitura possa ser feita com maior comodidade; Tambor (Figura 6-3), para uso exclusivo na abertura do micrômetro. Evite fechar o micrômetro girando o tambor, para não forçar a rosca do parafuso micrométrico; Escala Fixa (Figura 6-4) de 25mm. Esta escala é impressa no corpo do micrômetro, veja detalhes a, b e c na Figura 7; Escala Móvel (Figura 6-5) de 0,500mm, impressa no tambor, detalhe d na Figura 7; Catraca (Figura 6-6), para fechar o micrômetro sobre o objeto de medida; Esperas (Figura 6-7), para fixação do objeto de medida. Figura 6: Micrômetro de 25,000mm. Por se tratar de um equipamento de precisão, sua operação exige alguns cuidados para garantir uma boa medida e longevidade do equipamento. São eles: Sempre abra o micrômetro rosqueando o tambor no sentido anti-horário (olhando o micrômetro por trás); Sempre feche as esperas do micrômetro sobre o objeto de medida, rosqueando a catraca lentamente. Jamais feche o micrômetro rosqueando o tambor, pois este procedimento pode danificar o parafuso micrométrico (além de reduzir dramaticamente a sua nota!). As instruções a seguir, mostram como calibrar e manusear o micrômetro de forma adequada, para realizar uma medida com precisão, sem danificar o equipamento.

9 9/15 Figura 7: Detalhes das escalas do micrômetro: (a) Escala Fixa superior; (b) Escala Fixa inferior; (c) linha horizontal; e (d) Escala Móvel Calibração 1. Segure o micrômetro pelo estribo (1), durante todo a sua operação; 2. Abra o micrômetro rosqueando o tambor (3), no sentido anti-horário; 3. Feche lentamente o micrômetro, rosqueando a catraca (6) no sentido horário, até que seja ouvido dois ou três estalos; 4. Verifique se a linha horizontal da Escala Fixa (Figura 7-c), coincidente com o zero da Escala Móvel (Figura 7-d). Se for o caso, o equipamento se encontra calibrado e pronto para operação; 5. Se for necessário a calibração, encaixe a chave de calibração no furo da Escala Fixa, Figura 8, e faça uma torção lenta e firme, de forma a deslizar a linha horizontal da Escala Fixa na direção do zero da Escala Móvel; 6. Ao terminar este ajuste, abra o micrômetro novamente e repita o processo de calibração para uma verificação final. Figura 8: Posicionando chave de calibração no micrômetro Medindo com o micrômetro 1. Segure o micrômetro pelo estribo (1), durante todo o processo; 2. Abra o micrômetro rosqueando o tambor (3) no sentido anti-horário, até a abertura desejada; 3. Ponha o objeto a ser medido entre as esperas (7);

10 10/15 4. Feche o micrômetro rosqueando lentamente a catraca (6), no sentido horário, até esta estalar uma ou duas vezes; 5. Realize a medida na Escala Fixa, sem avaliação, apenas leitura da escala; 6. Em seguida, leia mais dois algarismos na Escala Móvel (Figura 7-d); 7. Por fim, avalie um último algarismo. A referência para a leitura da Escala Móvel e a linha horizontal da Escala Fixa (Figura 7-c); 8. Acrescentar 0,500mm à medida de Escala Móvel, caso o traço inferior da Escala Fixa (Figura 7-b), estiver mais próximo ao tambor, que o traço superior da Escala Fixa (Figura 7-a); Esta última correção é necessária pois o tambor do micrômetro necessita realizar duas voltas completas para cada milímetro de abertura entre as esperas. Quando se abre o micrômetro, observe que após a primeira volta do tambor (igual a 0,500mm), um traço na parte inferior da Escala Fixa ficará visível (Figura 7-b). Isto significa que as esperas estão com uma abertura de 0,500mm. Na volta seguinte, ficará visível o próximo traço da parte superior da Escala Fixa (Figura 7-a), significando que as esperas estão abertas de 1,000mm. Por isto, deve-se acrescentar 0,500mm à medida, sempre que um traço inferior da Escala Fixa, estiver mais próximo do tambor. Veja como exemplo a leitura no micrômetro para a abertura da Figura 7. Leitura na Escala Fixa: 6,000mm; Leitura na Escala Móvel: 0,090mm; Observe que o traço inferior da Escala Fixa, está bem mais próximo ao tambor que o traço superior da Escala Fixa. Isto significa que o tambor está na segunda volta para completar 7,000mm de abertura nas esperas. Por isto se deve acrescentar 0,500mm à medida. Resultando = 6,000 (Escala Fixa) + 0,090 (Escala Móvel) + 0,500 (traço inferior) = 6,590mm. 3. Medida de Massa A balança mecânica do Laboratório possui uma precisão de 0,1g, com uma questionável resolução inferior a isto. Esta é uma balança de alavanca, onde três massas são deslocadas ao longo do braço da alavanca, para equilibra com a massa colocada no prato Apresentação Ela é composta dos seguintes elementos: 1. Nível da base; 2. Parafuso de nivelamento da base; 3. Escala vertical, agulha e trava; 4. Contrapeso de calibração (rosta grande abaixo do prato); 5. Prato para amostra;

11 11/15 6. Escala com peso para centena de grama; 7. Escala com peso para dezena de grama; Figura 9: Balança mecânica. 8. Escala com peso para décimo de grama; 3.2. Calibração 1. Antes de operar a balança, verifique se a bolha do nível, Figura 9-1, está no centro da escala; 2. Caso a base da balança esteja desnivelada, nivele-a com o parafuso de nivelamento, Figura 9-2; 3. Sem massa no prato (Figura 9-5), coloque os pesos das escalas (Figura 9-6, 7 e 8), em suas respectivas posições 0; 4. Libere a trava, Figura 9-3, e verifique se a agulha se encontra na posição 0, na escala vertical, Figura 9-3; 5. Em caso contrário, altere a posição do contrapeso de calibração (Figura 9-4), até que a agulha alcance a posição 0. Este contrapeso se encontra abaixo do prato da balança Operação 1. Verifique o nivelamento da base e a calibração, conforme as instruções na seção acima; 2. Coloque o corpo a ser medido sobre o prato da balança (de preferência em seu centro); 3. Libere a trava da balança segurando o braço com a mão, Figura 10, para evitar que o braço da balança bata;

12 12/15 Figura 10: Evitando pancadas na balança. 4. Mova sempre um peso de cada vez, começando pelo peso maior (Figura 9 peso 6), até que a força no braço se alivie ao máximo, mas ainda mantendo a agulha acima do zero; 5. Repita o processo anterior para o segundo peso (Figura 9 peso 7). Observe que os pesos maiores, Figura 9 pesos 6 e 7, somente podem ser estacionados nas ranhuras de suas escalas. Após esta etapa, pode-se remover a mão da escala vertical (Figura 10); 6. Em seguida, mover o peso menor, vermelho, levemente até que a agulha móvel se posicione sobre o zero da escala vertical; 7. Execute a medida da massa, somando as leituras das escalas de centena, dezena e unidade de gramas. Figura 11: Leitura da balança. Para a massa da Figura 11, a leitura é: 100g + 40g + 0,2g = 140,2g 4. Força e Tração 4.1. Apresentação dos Dinamômetros O Laboratório de Física possui diversos dinamômetros tubulares com capacidades máximas de 1,00N; 2,00N; 5,00N; 10,0N e 20,0N. As suas escalas possuem graduações de 100 unidades de medida, permitindo diferentes resoluções, conforme a tabela abaixo:

13 Capacidade Máxima do dinamômetro (N) Resolução (N/divisão) 1,00 0,01 2,00 0,02 5,00 0,05 10,0 0,1 20,0 0,2 13/15 Tabela 1: Dinamômetros do Laboratório 4.2. Cuidados na operação Embora não pareça, os dinamômetros tubular são equipamentos muito frágeis, podendo ser danificados permanentemente caso alguns cuidados não forem tomados durante a sua operação. São eles: Não utilize o dinamômetro com carga além de sua capacidade máxima; Nunca solte bruscamente o embolo do dinamômetro quanto este estiver estendido; Não deixe o dinamômetro com carga após o termino das atividades; 4.3. Calibração Vertical Antes de iniciar qualquer medida com o dinamômetro é necessário verificar a sua calibração para a posição de operação necessária (vertical/horizontal). Para realizar a calibração, proceda conforme o descrito abaixo: 1. Coloque o dinamômetro na posição vertical, sem carga; 2. Verifique se a extremidade da capa tubular, coincide com o zero da escala. Caso coincida, o dinamômetro está calibrado e pronto para operar. Caso contrário prossiga a calibração com descrito a seguir; 3. Solte o parafuso de fixação e mova a capa tubular, até que sua extremidade coincida com o zero da escala; 4. Ao posicionar, enrosque levemente o parafuso de fixação (não faça pressão excessiva na rosca do parafuso de fixação, para não danificá-la) e retorne ao item 2. Figura 12: Dinamômetro tubular 4.4. Calibração Horizontal Os dinamômetros utilizados no Laboratório foram projetados para operarem na posição vertical, no entanto existirá situações em que será necessário operá-lo na posição horizontal. Para isto proceda conforme descrito abaixo: 1. Coloque o dinamômetro na posição horizontal. Como o peso do embolo do dinamômetro (onde está gravado a escala) está repousado dentro da capa tubular, é bem provável que o zero se desloque para dentro da capa tubular. O atrito entre o embolo e a capa tubular deve ancorar o embolo. Para minimizar seu efeito faça pequenas pertubações, batendo levemente

14 14/15 com as pontas dos dedos na capa tubular, permitindo assim que o embolo se desloque para mais próximo de uma posição de equilíbrio; 2. Verifique se a extremidade da capa tubular, coincide com o zero da escala. Caso coincida, o dinamômetro está calibrado e pronto para operar. Caso contrário prossiga a calibração com descrito a seguir; 3. Solte o parafuso de fixação e mova a capa tubular, até que sua extremidade coincida com o zero da escala, repetindo as pertubações para que o embolo se desloque para a posição de equilíbrio da mola; 4. Ao posicionar, enrosque levemente o parafuso de fixação (não faça pressão excessiva na rosca do parafuso de fixação, para não danificá-la) e retorne ao item Cronômetro Digital EQ228A O cronômetro EQ228A possui várias formas de operação, intituladas funções. Nos experimentos desenvolvidos no Laboratório de Física apenas a Função 1 (F1) será empregada. Este modo de operação faz com que o cromômetro registrer o tempo decorrido entre a passagem por dois sensores consecutivos. Os procedimentos a seguir preparam o cronômetro para o registro destes tempos no modo F1: Figura 13: Cronômetro EQ228A Ligue o cronômetro EQ228A na chave localizada na parte de trás do equipamento; Em seguida selecione o idioma de operação: botão 1 para português, Figura 13; Depois escolha o botão 1 para selecionar uma função de operação (Função 1); Deve aparecer o texto F1 2 ou 5 sens. Pressione o botão 2 (OK) para prosseguir; O próximo menu permite selecionar o número de sensores, entre 2 ou 5 sensores. Tecle 3, para selecionar 5 sensores; Não é necessário inserir as distâncias entre os sensores, pressione o botão 1 para prosseguir, não. O cronômetro será disparado assim que algum objeto passe pelo primeiro sensor. Caso inicie acidentalmente o cronômetro pressione o botão 3, cancelar, para reiniciar (ou repetir, botão 2, para reiniciar o cronômetro caso o lançamento já tenha terminado). É aconselhável fazer um teste inicial de disparo dos sensores, para verificar seu funcionamento e

15 15/15 conferir a tomada de dados Teste do Cronômetro Com o cronômetro preparado (Figura 14-a), passe um dedo à frente do orifício do primeiro sensor e observe que isto deve disparar o cronômetro (Figura 14-b); Continue o movimento passando o dedo à frente dos orifícios dos demais sensores, na ordem 2, 3, 4 e 5. Isto acionará os sensores e terminará o teste deixando o display do cronômetro na forma apresentada na Figura 14-c, ao passar a mão pelo último sensor; Se tudo correr bem, os tempos ficarão registrados no cronômetro. Para verificá-los execute os procedimentos a seguir: Pressione o botão 1 (Ver), para iniciar o modo apresentação (Figura 14-c); Pressione o botão 1 (t), novamente, para visualizar os tempos (Figura 14-d); Pressione o botão 1 (<) ou 3 (>) para visualizar o intervalo anterior ou posterior, medido (Figura 14-e). Os intervalos são apresentados na forma: t01 intervalo entre o acionamento dos sensores 0 e 1; t02 intervalo entre o acionamento dos sensores 0 e 2; t03 intervalo entre o acionamento dos sensores 0 e 3; t04 intervalo entre o acionamento dos sensores 0 e 4; t12 intervalo entre o acionamento dos sensores 1 e 2; t23 intervalo entre o acionamento dos sensores 2 e 3; t34 intervalo entre o acionamento dos sensores 3 e 4; Estes tempos são apresentados ciclicamente, se continuar a pressionar o botão de avançar (>). Ao terminar pressione o botão 2 (Ok) e o botão 3 (sair), Figura 14-d. Isto deve retornar a uma tela como a apresentada na Figura 14-c. Pressione o botão 2 (repetir) para deixar o cronômetro preparado para os lançamentos (Figura 14-a). Figura 14: Teste do Cronômetro