Roteiro: Experimento 4: Forças de Atrito

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1 Universidade Federal de Santa Catarina - Câmpus Blumenau Física Experimental 1 Roteiro: Experimento 4: Forças de Atrito Prof. Rafael L. Novak 1 Introdução As forças de atrito são forças que aparecem quando há contato entre corpos, e sempre se opõem a movimentos relativos entre os corpos quando alguma outra força externa tenda a provocá-los. Forças de atrito influenciam praticamente todos os movimentos com os quais lidamos em nosso dia-a-dia, sendo em muitos casos um problema a ser minimizado (mas nunca totalmente eliminado), enquanto que em poucos casos elas são fundamentais: pense se seria possível caminhar ou dirigir um carro sobre uma superfície sem atrito. A origem física das forças de atrito é um problema de enorme complexidade e tema de pesquisa atual (o atrito é um dos focos da Tribologia). No entanto, em situações simples encontradas em nosso dia-a-dia, podemos tratá-las através de duas leis empíricas muito simples. Quando um corpo está em repouso sobre uma superfície, e aplicamos sobre ele uma força, sabemos que ele nem sempre entra imediatamente em movimento. É necessário aumentar o módulo da força até que o corpo comece a se deslocar. Isto ocorre porque há uma força de atrito estático entre o corpo e a superfície. Então, quando o corpo, sob a ação da força aplicada e da força de atrito estático, está na iminência de se mover, podemos dizer que o módulo da força de atrito estático máxima é dado por: F s,max = µ s N (1) onde N é a força normal, de módulo igual ao da força peso do corpo, e µ s é o coeficiente de atrito estático máximo, uma grandeza adimensional. Quando o corpo entra em movimento, a força de atrito entre ele e a superfície sobre a qual está apoiado é conhecida como força de atrito cinético, cujo módulo é dado pela seguinte expressão: F k = µ k N (2) onde µ k é o coeficiente de atrito cinético, geralmente menor que o coeficiente de atrito estático. Nos experimentos de hoje, estas grandezas serão determinadas em vários casos onde um bloco com base recoberta por diferentes materiais se movimenta em contato com uma superfície plana. 2 Objetivos Obter experimentalmente os valores do coeficiente de atrito estático e cinético de vários materiais em contato com a superfície do trilho de plástico; Compreender a diferença entre atrito estático e cinético. Verificar que µ s > µ k ; 1

2 Figura 1: Esquema do experimento a ser realizado no procedimento 1. 3 Procedimento experimental Durante essa prática, haverá dois procedimentos: um para determinar o coeficiente de atrito cinético, e um para determinar o coeficiente de atrito estático. 3.1 Procedimento 1: Atrito cinético Neste procedimento, serão determinados os coeficientes de atrito cinético o material da base do bloco a partir do estudo de seu movimento sob a ação de uma força de tensão transmitida por um fio ideal e de uma força de atrito cinético. As acelerações do bloco serão determinadas para vários valores de massa, e a força de atrito cinético poderá ser determinada a partir da aplicação da Segunda Lei de Newton ao sistema bloco - suporte, da mesma forma que foi feito no Experimento 3. Atenção: O objetivo é determinar a força de atrito cinético para pelo menos cinco massas do bloco. Pode ser que vocês tenham que variar a massa do bloco de maneira um pouco diferente do que está sugerido abaixo. 1. Escolha um dos blocos (plástico, feltro ou cortiça). Meça com a balança a sua massa, e a massa do suporte. As massas dos discos que serão distribuídos no sistema bloco/suporte poderão ser lidas nos próprios discos, com incerteza igual a ±0, 05 g (incerteza da balança). Anote tudo em uma tabela; 2. Posicione o bloco escolhido sobre o suporte linear, mantendo-o próximo à marca de 50 cm; 3. Coloque 40 g no suporte suspenso. Este valor pode ter que ser maior dependendo do material do fundo do bloco (para cortiça poderá ser necessário utilizar valores superiores a 100 g); 2

3 4. Clique em GRAVAR e solte o bloco inicialmente vazio. A evolução temporal de sua posição será registrada pelo programa da PASCO, que realizará o ajuste quadrático automaticamente. A partir desse ajuste, obtenha a aceleração do bloco (lembre-se que a sua posição evolui com o tempo de acordo com x(t) = x 0 + v 0 t at2 ); 5. Repita o procedimento acrescentando massas de 10, 00 ou 20, 00 gramas ao bloco. O valor exato dessas massas não é fixo e será definido pelo movimento do bloco, que deve continuar deslizando mesmo quando todas as massas escolhidas estiverem dentro dele. Lembre-se que você deve adquirir pelo menos 5 acelerações diferentes!; 6. Salve todos os gráficos de x(t) com os ajustes feitos pelo programa PASCO Capstone para eventual uso futuro. Lembre-se, é fundamental anotar os seus resultados e guardar os dados para futuras análises, conferência e confecção de relaórios! OBS: Reparem que, ao contrário do experimento 3, neste experimento a massa do suporte é mantida constante, enquanto que a massa do bloco é variada. Explique porque, através dos diagramas de corpo livre e da aplicação das Leis de Newton. 3.2 Procedimento 2: Atrito estático Neste procedimento, serão determinados os coeficientes de atrito estático máximo para o material da base do mesmo bloco utilizado acima. O procedimento envolverá um plano inclinado e a determinação do ângulo θ para o qual o bloco entra em movimento. A partir do diagrama de corpo livre do bloco sobre o plano inclinado, pode-se estabelecer uma conexão direta entre a tangente do ângulo do plano e o coeficiente de atrito estático máximo, µ s. Logo, a determinação de θ nos dá imediatamente acesso ao valor de µ s. Figura 2: Esquema do experimento a ser realizado no procedimento Posicione o bloco sobre o segundo suporte linear inclinado; 3

4 2. Levante manualmente o suporte linear. Faça isso de modo lento e cuidadoso; 3. Identifique o ângulo crítico para o qual o bloco está na iminência de deslizar, anotando-o em uma tabela; 4. Repita o procedimento pelo menos 5 vezes, anotando os ângulos numa tabela; 5. acrescente ao blocos uma massa de pelo menos 40, 00 g. Não esqueça de anotar essa massa! Repita o procedimento dos ítens 3, 4 e 5, anotando os ângulos na tabela; 4 Material utilizado 2 suportes lineares ( trilhos ); 3 blocos plásticos com bases de materiais diferentes; Sensor de movimento; Suportes para massas; Diversas massas (discos de alumínio e de latão); Balança analógica; Polias; Fios finos de massa desprezível; Haste metálica; Transferidor para medidas de ângulos; Notebook ou desktop com programa de aquisição de dados. 5 Tratamento de dados e discussão Responda ao questionário na folha anexa, que será entregue ao final da aula e avaliado pelo professor. Para construção dos gráficos e a análise dos dados, o Scidavis deverá ser utilizado. Vejam os vídeos tutoriais no Moodle do curso. Para analizar os dados do Procedimento 2 (atrito estático), vocês terão que calcular média e desvio padrão de amostra. Verifiquem como realizar estes cálculos com as suas calculadoras científicas, ou com uma planilha. Referências [1] Freedman, R. A., Young, H. D. Sears & Zemansky Física 1 Mecânica, 12a Ed., Ed. Pearson. [2] Halliday, D., Resnick, R. e Walker, J. Fundamentos de Física Vol. 1 Mecânica, 9a Ed., Ed. LTC. 4

5 [3] Nussenzveig, H. M. Curso de Física Básica Vol. 1 Mecânica, 5a Ed., Ed. Edgard Blucher. [4] Piacentini, J. J., Grandi, B. C. S., Hofmann, M. P., de Lima, F. R. R., e Zimmermann, E. Introdução ao Laboratório De Física, 4a Ed., Ed. Série Didática. 5