A.L.1.4. SATÉLITE GEOESTACIONÁRIO

Transcrição

1 A.L.1.4. SATÉLITE GEOESTACIONÁRIO FÍSICA 11.ºANO QUESTÃO-PROBLEMA Um satélite geoestacionário descreve uma órbita aproximadamente circular à altitude de km e com período de 24 horas, independentemente da sua massa. Confrontar esta situação com a de um corpo preso a uma mola elástica sobre uma plataforma rotativa de velocidade angular constante. Nesta actividade, pretende-se que o aluno: identifique as características da força que actua sobre um satélite geoestacionário, considerando que descreve uma trajectória circular com velocidade angular constante; relacione o módulo da aceleração no movimento circular de velocidade angular constante com esta e com o raio da trajectória; Estabeleça a diferença entre as características da força exercida sobre o satélite e por uma mola elástica. O aluno deverá: fazer uma montagem experimental com um carrinho assente sobre uma placa giratória que se move com velocidade angular constante, ligado a uma extremidade de uma mola elástica centrada na placa. medir o período do movimento da placa rotativa medir a intensidade da força exercida pela mola sobre o carrinho a partir da medição do alongamento da mola utilizando um dinamómetro; variar a massa do carro, mantendo a velocidade da placa rotativa medir a massa do carro e o raio da trajectória em cada um dos ensaios 1

2 PREPARAÇÃO PRÉVIA É necessário rever os conceitos inerentes ao estudo do movimento circular com módulo de velocidade constante, nomeadamente, período, velocidade angular, velocidade linear e aceleração e força exercida sobre o corpo em movimento. TRABALHO LABORATORIAL MATERIAL (POR TURNO) Material e equipamento Quantidades Carrinho 4 Mola elástica 4 Massas marcadas 4 Gira-discos ou placa rotativa 4 Dinamómetro 4 Cronómetro 4 PROCEDIMENTOS 1 1. Colocar a plataforma a girar e medir o tempo de 10 voltas completas. Determinar o período e registar. 2. Para melhor colocar o raio da trajectória, colocar debaixo do carrinho uma folha de papel e colar um marcador ao carrinho que assinale um dado traço no papel. Registar o valor marcado no dinamómetro. 3. Mantendo a velocidade angular da plataforma, adicionar massas marcadas no carrinho. O raio aumenta, como se verifica pelo traço do marcador. Para que fique igual ao anterior, ajustar a posição do dinamómetro puxando-o para cima. Por o sistema a girar e registar o valor marcado no dinamómetro. 4. Repetir os procedimentos mais 5 vezes, fazendo variar a massa do carrinho. 1 Adaptado de Ventura, G., Fiolhais, M., Fiolhais, C., Paiva, J., & Ferreira, A. J. (2009). 11 F - Física e Química A - Física - Bloco 2-11.º/12.º ano. Lisboa: Texto Editores, Lda. 2

3 TRABALHO LABORATORIAL PROTOCOLO ALTERNATIVO Na impossibilidade de realizar o protocolo proposto pelo Ministério da Educação (proposto no manual de onde foi feita a adaptação anterior) por falta da placa giratória, usou-se um protocolo alternativo para ilustrar alguns dos objectivos e completou-se a actividade com recurso a um software computacional, o Modellus. MATERIAL (POR TURNO) Material e equipamento Quantidades Rolha de borracha 4 Cronómetro 4 Fita métrica 4 Massa marcada (100 g) 4 Fita cola 4 Tubo de plástico 4 Fio de nylon Balança 1 PROCEDIMENTOS 1. Pesar a rolha de borracha. 2. Fazer passar o fio de nylon através do tubo de plástico (pode ser o corpo de uma caneta Bic). 3. Numa das extremidades do fio de nylon prender a rolha de borracha A, e na outra extremidade um corpo metálico B, com a massa de 100 g. 4. Marcar no fio, com fita cola o ponto do fio que está junto ao tubo de forma a que possa definir o raio de rotação de 1,0 m. 3

4 5. Fazer rodar o corpo num plano horizontal, situado por cima da cabeça do operador, de forma que o movimento seja uniforme. 6. Um colega de grupo deve accionar o cronómetro e medir o tempo que o corpo demora a descrever 10 voltas completas. 7. Determinar o período e a velocidade linear da rolha. 8. Repetir a experiência fazendo variar o raio da trajectória. Faz com que o raio da trajectória seja, por exemplo, 0,80 m, 0,90 m, 1,10 m. Determinar para cada um dos casos o período e a velocidade. REGISTO E TRATAMENTO DE DADOS r (m) Tempo de 10 voltas (s) Tempo médio (s) T (s) v (m/s) Fc (N)

5 !! = 4,02g!! = 50,10g A velocidade linear foi calculada recorrendo à expressão! = 2!"! e a força centrípeta!! =!!!!! A força centrípeta é exercida no fio por intermédio da massa marcada que foi suspensa no fio vertical. Para verificar se o valor da força centrípeta calculada para cada um dos raios é igual ao peso da massa marcada, utilizou-se a expressão seguinte:!! =!!!!! = 50,0 10!! 9,8 = 0,490N DISCUSSÃO DOS RESULTADOS A realização desta actividade não correr bem como esperado, devido ao equipamento arcaico e a um manuseamento não muito cuidadoso. Na verdade, por vezes o fio deslocava-se e valor de raio alterou-se por isso durante o manuseamento. Além disso, alguns alunos não conseguiam manter a rolha em movimento com uma velocidade constante. Uma vez que este protocolo pretendia apenas demonstrar se a velocidade de um satélite dependia da sua massa, teria sido conveniente realizar a experiência com rolhas de massas diferentes. Tal não foi realizado por se ter verificado que os resultados não são fidedignos. 5

6 Após a realização da actividade usou-se o software de simulação computacional Modellus, que permitir que os alunos cumprir alguns objectivos da actividade: identificar as características da resultante das forças responsável pelo movimento circular com velocidade de módulo constante determinar o módulo da velocidade angular a partir do período relacionar a aceleração do movimento com a velocidade angular e o raio da trajectória explicar a razão pela qual um satélite em órbita circular em torno da Terra tem uma velocidade orbital independente da sua massa CONSIDERAÇÕES 1. Manusear o equipamento com cuidado para o fio não se deslocar. 2. Escolher um operador firme que consiga manter uma velocidade constante. 3. Fazer pelo menos 5 medições de tempo coerentes. 4. Repetir as medições para vários valores da massa A. BIBLIOGRAFIA Ventura, G., Fiolhais, M., Fiolhais, C., Paiva, J., & Ferreira, A. J. (2009). 11 F - Física e Química A - Física - Bloco 2-11.º/12.º ano. Lisboa: Texto Editores, Lda. Martins, I. P., & al., e. (2003). Programa de Física e Química A, 11º ou 12º anos. Ministério da Educação. 6