EXPERIMENTO IV COLISÕES

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1 EXPERIMENTO IV COLISÕES Introdução Nesta experiência estudaremos colisões unidimensionais entre dois carrinhos sobre o trilho de ar. Com este arranjo experimental, um colchão de ar gerado entre a superfície inferior do carrinho e o trilho, eliminando quase que totalmente a força de atrito. Uma grandeza muito importante para o estudo de colisões é o momento linear ou quantidade de movimento, definido por: = (1) onde m é a massa e é a velocidade do objeto em questão. De acordo com a Segunda Lei de Newton: = () = onde é a resultante das forças que atuam sobre o corpo. Então, quando esta resultante for nula o momento do corpo deve se conservar. como: Num sistema com vários corpos, podemos definir o momento total do sistema (2) = = (3) Para um sistema de corpos, continua valendo a equação (2), e, portanto se a resultante de todas as forças externas sobre o sistema for nula, o momento total do corpo deve se conservar. Mas, de acordo com a Terceira Lei de Newton, as forças de interação entre 2 corpos quaisquer são sempre iguais em módulo e de sentido contrário (vide figura 1)., =, =, Portanto, a resultante de todas as forças internas ao sistema é sempre nula!

2 Assim, podemos enunciar o Princípio da Conservação do Momento como: num sistema isolado onde a resultante de todas as forças externas é nula, o momento total do sistema se conserva. Se é o momento total antes é o momento total depois, para uma colisão de dois corpos podemos escrever: As colisões classificam-se em: = (4) + = + (5) + = + (6) Perfeitamente elásticas: conservam-se a quantidade de movimento e a energia cinética. Perfeitamente inelásticas: conserva-se apenas a quantidade de movimento. Parcialmente elásticas: conserva-se apenas a quantidade de movimento. Outro parâmetro a se considerar é o coeficiente de restituição (), que vem a ser a razão entre as velocidades relativas antes e depois do choque, e assume valores diferentes para cada tipo de colisões. = Choque perfeitamente elástico: =1 Choque parcialmente elástico: 0<<1 Choque perfeitamente inelástico: =0. Objetivos O experimento tem como objetivos: Estudar colisões unidimensionais entre dois carrinhos na ausência de atrito. Verificar a validade do princípio da conservação do momento linear e da energia cinética. Pré-relatório experimento IV colisões Escreva a expressão para a velocidade final da partícula 1 e para a velocidade final da partícula 2 no caso de uma colisão elástica unidimensional. Represente

3 graficamente os resultados obtidos por você (desenhe a situação antes e depois da colisão) em cada um dos casos abaixo: a) as duas massas são iguais; b) a massa da primeira partícula é muito grande comparada com a da segunda, e a segunda está inicialmente em repouso; c) a massa da segunda partícula é muito grande comparada à da primeira, e a segunda partícula está inicialmente em repouso; d) as duas massas são iguais, e no início a segunda partícula está parada. Roteiro para a realização do experimento Choque elástico Material necessário 01 trilho 120 cm; 01 cronômetro digital multifunções com fonte DC 12 V; 02 sensores fotoelétricos com suporte fixador (S 1 e S 2 ); 01 Y de final de curso com roldana raiada; 01 unidade de fluxo de ar; 01 cabo de força tripolar 1,5 m; 01 mangueira aspirador 1,5 ; 01 pino para carrinho para fixá-lo no eletroímã; 01 carrinho para trilho cor preta; 01 carrinho para trilho cor azul; 03 porcas borboletas; 04 manípulos de latão 13 mm; 01 pino para carrinho com gancho; 02 barreiras para choque; 01 fixador em U para choque; 01 Y de final de curso com fixador U para elástico; Procedimentos 1. Montar o equipamento conforme a foto.

4 2. Para completar a montagem do equipamento devemos dar ao trilho uma inclinação tal que o atrito seja compensado. 3. Fixar nos carrinhos a barreira de 4. Fixar no primeiro carrinho o fixador em U para 5. Colocar o segundo carrinho entre os sensores. Fixar os sensores no trilho de tal modo que fiquem no centro do trilho e pelo menos 0,400 m um do outro. 6. Selecionar a forma de medida F3 do cronômetro. 7. Dar ao primeiro carrinho um impulso, movimentando-o para se chocar com o segundo carrinho. 8. Quando o primeiro carrinho passar pelo S 1 o cronômetro é acionado e vai medir um intervalo de tempo correspondente ao deslocamento de 0,100 m. 9. O primeiro carrinho deve se chocar com o segundo carrinho que está em repouso (V=0). 10. Quando o segundo carrinho passar pelo S 2 o cronômetro é acionado e vai medir um intervalo de tempo correspondente ao deslocamento de 0,100 m. 11. O cronômetro vai indicar os dois intervalos de tempos. 12. Calcular a velocidade desenvolvida pelo primeiro carrinho antes do = m t 1 = s V 1 = m/s 13. Encontrar a velocidade desenvolvida pelo primeiro carrinho depois do V 1 = m/s 14. Encontrar a velocidade desenvolvida pelo segundo carrinho antes do V 2 = m/s

5 15. Calcular a velocidade desenvolvida pelo segundo carrinho depois do = m t 1 = s V 2 = m/s 16. Medir a massa dos carrinhos. M 1 = kg M 2 = kg 17. Calcular a quantidade de movimento antes do Q a = M 1.V = kg.m/s 18. Calcular a quantidade de movimento depois do Q d = M 2.V 1 = kg.m/s 19. Considerando a tolerância de erro de 5%, pode-se afirmar que a quantidade de movimento foi conservada? 20. Calcular a energia cinética antes do =. = J 21. Calcular a energia cinética depois do =. = J 22. Considerando a tolerância de erro de 5%, pode-se afirmar que a energia cinética foi conservada? 23. Conclusão Choque inelástico Material necessário 01 trilho 120 cm; 01 cronômetro digital multifunções com fonte DC 12 V; 02 sensores fotoelétricos com suporte fixador (S 1 e S 2 ); 01 Y de final de curso com roldana raiada; 01 unidade de fluxo de ar;

6 01 cabo de força tripolar 1,5 m; 01 mangueira aspirador 1,5 ; 01 pino para carrinho para fixá-lo no eletroímã; 01 carrinho para trilho cor preta; 01 carrinho para trilho cor azul; 03 porcas borboletas; 07 arruelas lisas; 04 manípulos de latão 13 mm; 01 pino para carrinho com gancho; 02 barreiras para choque; 01 fixador em U para choque; 01 Y de final de curso com fixador U para elástico; 01 pino para carrinho com agulha; 01 pino para carrinho com massa aderente; Procedimentos 1. Montar o equipamento conforme a foto. 2. Para completar a montagem do equipamento devemos dar ao trilho uma inclinação tal que o atrito seja compensado; 3. Fixar nos carrinhos a barreira de choque; 4. Fixar nos carrinhos os acessórios para o choque inelástico. No choque inelástico, após o choque, os dois carrinhos se deslocam juntos, ou seja, com a mesma velocidade. 5. Colocar o carrinho entre os sensores, fixar os sensores no trilho de tal modo que fiquem no centro do trilho e pelo menos 0,400 m um do outro; 6. Selecionar a forma de medida F3 do cronômetro;

7 7. Dar ao primeiro carrinho um impulso, movimentando-o para se chocar com o segundo carrinho. 8. Quando o primeiro carrinho passar pelo S 1 o cronômetro é acionado e vai medir um intervalo de tempo correspondente ao deslocamento de 0,100 m. 9. O primeiro carrinho deve se chocar com o segundo carrinho que está em repouso (V=0). 10. Quando o segundo carrinho passar pelo S 2 o cronômetro é acionado e vai medir um intervalo de tempo correspondente ao deslocamento de 0,100 m. 11. O cronômetro vai indicar os dois intervalos de tempos. 12. Calcular a velocidade desenvolvida pelo primeiro carrinho antes do = m t 1 = s V 1 = m/s 13. Calcular a velocidade desenvolvida pelo segundo carrinho depois do = m t 2 = s V 2 = m/s 14. Calcular a velocidade desenvolvida pelo primeiro carrinho depois do V 1 = m/s 15. Medir a massa dos carrinhos. M 1 = kg M 2 = kg 16. Calcular a quantidade de movimento antes do Q a = kg.m/s 17. Calcular a quantidade de movimento depois do Q d = kg.m/s 18. Considerando a tolerância de erro de 5%, pode-se afirmar que a quantidade de movimento foi conservada? 19. Calcular a energia cinética antes do =. = J

8 20. Calcular a energia cinética depois do = ( ). = J 21. Considerando a tolerância de erro de 5%, pode-se afirmar que a energia cinética foi conservada? 22. Conclusão