APOSTILA DO LABORATÓRIO

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1 APOSTILA DO LABORATÓRIO DE FÍSICA I Veteranos - 06* Curso Superior de Tecnologia dos Materiais Curso Superior de Tecnologia da Construção Civil *Edição alternativa exclusiva para as aulas do prof. Renato Pugliese

2 Sumário I. Introdução...3 II. Instruções sobre relatórios...3 ª Experiência: Medidas Físicas...7 ª Experiência: Lançamento de projéteis... 3ª Experiência: Pêndulo Simples...6 4ª Experiência: Força de Atrito Seco...9 5ª Experiência: Equilíbrio Estático do Corpo Rígido - Barra... 6ª Experiência: Colisão Bidimensional...7 Corpo Docente (Física Cezar Soares Martins (Coordenador do Laboratório de Física Douglas Casagrande Eduardo Acedo Barbosa Edson Moriyoshi Ozono Eraldo Cordeiro Barros Filho João Carlos Botelho Carrero João Mongelli Netto Luciana Kazumi Hanamoto Luciana Reyes Pires Kassab (Diretora Norberto Helil Pasqua Osvaldo Dias Venezuela Regina Maria Ricotta Renato Marcon Pugliese (Responsável pela disciplina de Física Roberto Verzini Valdemar Bellintani Jr. Auxiliar Docente Domenico Paulo Bruno Cainelli

3 I. Introdução Esta apostila contém os roteiros das experiências que serão desenvolvidas no decorrer do semestre. Cada roteiro é formado por uma parte introdutória, que aborda de maneira sucinta as leis físicas e os conceitos que serão usados no experimento, procedimento experimental e folhas de respostas. Os cálculos e resultados obtidos referentes às experiências restantes, serão elaborados em grupo e apresentados na forma de relatórios. Recomenda-se que o aluno leia cada roteiro antes das aulas de laboratório e que não se esqueça de trazer a apostila, sem a qual não conseguirá realizar a experiência. No final do semestre, haverá uma prova sobre os experimentos realizados durante as aulas de laboratório (para turmas exclusivas de laboratório. II. Instruções sobre relatórios. Quando devo fazer um relatório de experimento? Após a realização de cada experimento, fora do horário de aula. Para algumas turmas haverá uma quantidade de aulas destinada para confecção de parte dos relatórios, mas para a maioria das turmas o relatório deve ser confeccionado fora do período de aulas.. Quem deve fazer o relatório? Cada relatório deverá ser feito exatamente pelo grupo (bancada que participou do experimento. Os relatórios não são individuais, são coletivos, feitos por cada grupo. 3. Qual o prazo para construção do relatório e quando entregar? Os relatórios devem ser entregues na data do experimento seguinte, com exceção do último relatório que terá uma data específica. Em geral os grupos terão um prazo de semanas para entregar os relatórios prontos, com exceção de quando houver algum feriado ou algum evento e, nestes casos, os prazos poderão ser estendidos por mais uma semana. 4. Para quem eu devo entregar o relatório pronto? 3

4 Para o seu professor, exclusivamente. 5. Quais itens o relatório deve conter? 5. Relatórios SIMPLES (R, R e R3 Os três primeiros relatórios devem ser feitos de modo simples, ou seja, apenas com os itens abaixo mencionados: I. Capa Título do experimento, nomes dos integrantes, nome do curso, local e data de realização do experimento; II. Memorial de cálculos Resumo de todos os cálculos feitos para se chegar aos resultados apresentados posteriormente. Cálculos de médias, equações utilizadas, incertezas, desvios-padrão, áreas, volumes, etc. III. Resultados Dados coletados, resultados, incertezas e desvios. Apresentar os resultados sempre seguidos suas incertezas, respeitando os algarismos significativos e a estética como nos modelos de da Apostila do Laboratório Didático de Física da FATEC-SP. IV. Conclusão Breve interpretação dos resultados 5. Relatórios COMPLETOS (R4, R5 e RP Os últimos três relatórios devem ser feitos de modo completo, ou seja, com todos os itens abaixo mencionados: I. Capa Título do experimento, nomes dos integrantes, nome do curso, local e data de realização do experimento; II. Introdução Motivações, objetivos, para que e por que fizeram o experimento; III. Resumo teórico Quais teorias, quais leis físicas, o que está por trás deste experimento; IV. Metodologia Passo a passo de quais materiais foram utilizados e como foi realizado o experimento; V. Memorial de cálculos 4

5 Resumo de todos os cálculos feitos para se chegar aos resultados apresentados posteriormente. Cálculos de médias, equações utilizadas, incertezas, desvios-padrão, áreas, volumes, etc. VI. Resultados Dados coletados, resultados, incertezas e desvios. Apresentar os resultados sempre seguidos suas incertezas, respeitando os algarismos significativos e a estética como nos modelos de da Apostila do Laboratório Didático de Física da FATEC-SP. VII. Considerações finais O que o grupo aprendeu com o experimento, quais os erros e problemas enfrentados durante realização do experimento e da confecção do relatório, o que foi bem aproveitado e o que a poderia ser modificado, quais sugestões, etc. VIII. Referências bibliográficas Citar todo material (apostilas, livros, sites... que foi consultado para confecção do relatório. 6. Como eu devo fazer o relatório? Todos os relatórios devem ser construídos em seu corpo seguindo os seguintes pontos: Texto: Times New Roman ou Arial, pt., espaçamento de,5 e alinhamento justificado para texto e equações, e centralizado para figuras e tabelas; Digitação ou escrita: O relatório deve ser obrigatoriamente digitado, com exceção do memorial de cálculos, equações e análise de dados (toda a parte matemática, que podem ser feitos à mão. Página: Margens de cm, numeração em todas as páginas exceto capa. Finalização: Grampo ou clipe (não encaderne, não coloque em pasta, em espirais ou capas duras. 7. Como calcular os desvios, a propagação de erros e incertezas? Como regra geral, devem seguir a seguinte condição, explicada com detalhes na APOSTILA DO LABORATÓRIO DE FÍSICA I: Medição única: apresentar VALOR MEDIDO e a INCERTEZA DO INSTRUMENTO. Várias medidas: apresentar VALOR MÉDIO e o DESVIO PADRÃO AMOSTRAL. Séries de várias medidas: apresentar VALOR MÉDIO e o DESVIO PADRÃO DA MÉDIA. Algoritmos e equações: apresentar VALOR CALCULADO e o ERRO PROPAGADO. 8. Quais os critérios de correção e nota? 5

6 Nota 0,0 para os relatórios corretos, bem apresentados, organizados, com medidas, equações desvios bem calculados, além de uma conclusão interpretativa e honesta. A cada duas e repetições dos erros abaixo serão descontados os seguintes pontos: Apresentação errada das medidas/valores: -0,5 Erro na incerteza do instrumento: -0,5 Erro na conversão de unidades: -0,5 Falta de unidade de medida: -0,5 Erro nos algarismos significativos: -0,5 Desvio não calculado: -,0 Desvio calculado incorretamente: -0,5 Falta de organização/padronização: -,0 Considerações finais incoerentes: -0,5 Falta de algum item obrigatório: -,0 Erro de notação científica (escala: -0,5 Medida calculada errada: -,0 Não percepção de dado absurdo: -0,5 9. Faltei em um experimento, o que faço? Para todas as turmas haverá uma data específica para reposição de um experimento. Caso o estudante perca mais de um experimento, poderá repor um deles e se tiver boas notas pode até ser aprovado. Não há possibilidade de fazer o experimento e não entregar relatório ou fazer o relatório sem ter feito o experimento. 6

7 ª Experiência: Medidas Físicas Objetivo Familiarização com instrumentos de medida tais como régua, paquímetro e micrômetro. Uso da Teoria de Erros para análise dos dados experimentais. Introdução A física é uma ciência empírica. Tudo o que sabemos a respeito do mundo físico e dos princípios que governam o seu comportamento é proveniente de observações de fenômenos da natureza. A validade de qualquer teoria física está baseada na concordância com os resultados obtidos experimentalmente. Qualquer número ou conjunto de números usados para descrever quantitativamente um fenômeno físico é chamado grandeza física. O valor numérico de uma grandeza física é denominado experimentalmente por um conjunto de medidas. Toda medida tem uma incerteza intrínseca que depende do aparelho utilizado, das condições ambientais e do operador. O valor de uma determinada grandeza física é, portanto, expresso através da quantidade que a caracteriza acompanhada da incerteza ou margem de confiança a ele associada. A Teoria de Erros é usada para analisar, calcular e expressar esse valor. Procedimento experimental ª parte: Medida do volume e da densidade de uma esfera Meça o diâmetro (Φ de uma esfera de aço, utilizando os micrômetros digital e analógico. Para cada medida de diâmetro efetuada com os dois equipamentos, calcule o volume correspondente (V = π.φ³/6. Determine o volume da esfera e sua respectiva incerteza. Coloque os resultados na Tabela. 7

8 Tabela : Resultados das medidas do diâmetro (Φ de uma esfera e cálculo dos volumes. Resultados sem arredondamento Instrumento Φ Φ ( V V ( Apenas algarismos significativos V V ( Micrômetro analógico Micrômetro digital Converta as unidades dos volumes da Tabela para unidades do SI e complete a Tabela. Tabela : Resultados dos cálculos dos volumes no SI. Resultados sem arredondamento (SI Instrumento V V ( Apenas algarismos significativos V V ( Micrômetro analógico Micrômetro digital Meça a massa da esfera m= ( g Calcule a densidade (ρ da esfera a partir da equação ρ = m/v e compare com o valor tabelado da densidade do aço (ρtab = 7,86 g/cm³. ρ= ( g/cm³ 8

9 E% = ª parte: Medidas com dispersões Nesta parte, será realizada uma série de medidas para determinar o valor médio de uma grandeza e a dispersão destas medidas. Utilizaremos o desvio padrão como parâmetro para determinar a dispersão. Seguindo esse critério, serão realizadas medidas de um paralelepípedo com uma perfuração cilíndrica de madeira. Usando a balança analógica, determine a massa do paralelepípedo. m= ( g Com um paquímetro analógico, meça os lados (l, l, l3 do paralelepípedo. Da mesma forma, meça o diâmetro (Φ e a altura (h da perfuração. Efetue as medidas em pontos diferentes do paralelepípedo e do cilindro e complete a Tabela 3. Tabela 3: Medidas dos lado de um paralelepípedo efetuadas com paquímetro analógico Paralelepípedo l ( l ( Perfuração l3 ( Φ( h( Calcule os desvios padrão de cada medida. 9

10 Calcule o volume (V e a densidade (ρ da peça e suas respectivas incertezas, usando as equações abaixo e compare com o valor tabelado da densidade da madeira (ρtab = 0,65 g/cm³.: V =(l. l. l 3 ( π.φ². h 4 ρ=m/v E% = Conclusão 0

11 ª Experiência: Lançamento de projéteis Objetivo Estudar o movimento de um projétil lançado horizontalmente e verticalmente. Introdução Considere um corpo sendo lançado obliquamente, com velocidade V0 (conforme Figura 0. Desprezada a resistência do ar, o corpo fica sob a ação exclusiva de seu peso e sujeito apenas à aceleração da gravidade g. Y g V V0 g X Figura 0: Lançamento oblíquo de um corpo no vácuo O movimento descrito pelo corpo é resultado da composição de dois movimentos que agem simultaneamente e são independentes: movimento uniformemente variado na direção vertical, cuja aceleração é a da gravidade ( ay =g e movimento uniforme na direção horizontal, onde não há aceleração (ax = 0. Desta forma temos: Movimento horizontal (M.U.: V X V0 X cte. X X 0 V0 X t ( Movimento vertical (M.U.V.: VY V0Y gt Y Y0 V0Y t gt (

12 Nas equações acima, v0x = v0.cosθ, v0y = v0.senθ e g = 9,78 0,0 m/s². Figura : Lançamento oblíquo Para um lançamento horizontal, originário de uma altura inicial y0 = h e com velocidade inicial V0x = V0 (V0y = 0 (Figura 0 as equações horárias do movimento se reduzem a: t q=. h g v0 = A / tq Analisando o mov. vertical (M.U.V. Analisando o mov. horizontal (M.U. Y Y0 = h (3 (4 V0 V X Y=0 ALCANCE Figura 0: Lançamento horizontal de um corpo no vácuo

13 Usando o mesmo procedimento para o lançamento oblíquo (θ 0, obtemos para o tempo de queda: t q=. v 0. senθ g (5 Supondo que o alcance do projétil é dado por X = A e substituindo a equação (5 na equação (, temos: A teo=. v 0 ². senθ. cosθ g (6 Procedimento experimental ª parte: lançamento horizontal determinação de v0. Para efetuar o lançamento do projétil, posicione o canhão horizontalmente (Fig., adote a terceira posição do gatilho e mantenha até o final da experiência. Verifique se o canhão está travado. Meça a altura h de lançamento e calcule o tempo de queda a partir da equação (3. h= ( m tq = ( s Efetue alguns disparos e verifique o ponto em que a bolinha atinge a mesa. Coloque a folha de sulfite no local de queda da bolinha e prenda-a com fita adesiva. Sobre a folha de sulfite coloque o papel carbono e deixe-o solto. Efetue 5 disparos e, para cada um deles, meça o alcance (A da bolinha. Anote os resultados na tabela, calcule o valor médio e seu respectivo desvio, bem como o valor de v0. Calculado pela eq. (4. Tabela : Dados relativos ao alcance (A medido no lançamento horizontal A( 3 4 3

14 5 Média v0 = ( m/s ª parte: Lançamento oblíquo - Determinação do alcance Com a equação (6, calcule o alcance teórico (A teo para o ângulo θ = 30 º usando o valor de v0 encontrado no final da ª parte. Ateo = ( m Fixe o canhão em 30 º, usando esquadro e nível, e faça lançamentos para determinar o alcance experimental. Posicione a caixa que servirá de anteparo, conforme Figura 3. Fixe folhas de papel sulfite e carbono sobre a caixa, de maneira que a folha de carbono permita registrar as colisões projétilcaixa. Selecione seis posições com distâncias x, x, x3, x4, x5 e x6, tal que a maior seja um pouco menor do que o alcance experimental medido. Meça a altura (H de lançamento do projétil para nivelar o gráfico posteriormente. H= ( m 4

15 Em cada uma das seis posições escolhidas efetue três disparos e faça as três medidas da altura y. Coloque os resultados na Tabela e calcule a média de y e seu respectivo desvio. Tabela : Medidas das alturas y do lançamento oblíquo para cada posição x correspondente. Distância x = x = x3 = x4 = x5 = x6 = y Altura y y3 Média (ym Faça um gráfico de ym(x e determine, graficamente, o Alcance experimental obtido, lembrando que o Alcance teórico prevê um lançamento de altura inicial nula, portanto, deve-se nivelar o gráfico colocando o eixo x na altura H medida acima. Aexp = ( m Compare os valores dos alcances teórico e experimental. E% = Conclusão 5

16 3ª Experiência: Pêndulo Simples Objetivo Determinação da aceleração da gravidade através do pêndulo simples. Introdução O pêndulo simples consiste em um corpo de massa m suspenso por um fio de massa desprezível, flexível e inextensível. A figura mostra o esquema de um pêndulo simples de amplitude angular comprimento L. O pêndulo é afastado de sua posição de equilíbrio, no ponto 0, até a posição onde é solto, atinge a posição e retorna para a d posição, executando assim uma oscilação completa. Figura : Esquema de um pêndulo simples O pêndulo oscila em um plano vertical, descrevendo um arco de circunferência. O máximo deslocamento do pêndulo em relação à S L 0 posição de equilíbrio denomina-se amplitude. posição de equilíbrio Quando o arco S é muito pequeno comparado com o comprimento L, o pêndulo descreve pequenas oscilações. Isto significa que o arco S se confunde com o segmento de reta horizontal d. Neste caso, a oscilação de um pêndulo é um exemplo de Movimento Harmônico Simples. O intervalo de tempo necessário para o pêndulo executar uma oscilação completa denomina-se período. Galileu chegou à expressão matemática que fornece o período de um pêndulo em função de seu comprimento L (distância entre o ponto de suspensão e o centro do corpo e a aceleração local da gravidade g: T L g ( Rigorosamente, esta equação somente é válida para: amplitudes infinitamente pequenas um pêndulo em que a massa m esteja toda concentrada na extremidade do fio de suspensão 6

17 Procedimento Experimental ª parte: Cálculo da aceleração local da gravidade utilizando o valor de medida única de T Monte um pêndulo simples de comprimento L compreendido entre m e m. L = ( m Afaste a esfera de latão, lembrando-se de utilizar uma amplitude (ângulo de abertura bastante pequena, de modo que o pêndulo possa oscilar em M.H.S. Realize apenas uma medida do período T. Determine o valor de g com sua respectiva incerteza, através da equação. T=( s g=( m/s ª parte: Cálculo da aceleração local da gravidade utilizando uma série de medidas de 0.T Utilizando o mesmo pêndulo: L = ( m Utilizando o mesmo procedimento da primeira parte, realize uma série de medidas de 0.T e preencha a tabela. Tabela : Série de medidas de 0.T de um pêndulo simples de comprimento L. N 0. T (s T (s Dados para determinação do desvio padrão de T T Ti (s T Ti (s i T T n i σ= 7

18 Calcule T com sua respectiva incerteza. T =( s Determine o valor de g com o valor de T encontrado. Utilize a equação. g=( m/s Monte outro pêndulo simples com comprimento L, diferente do anterior: L=( m Utilizando o mesmo procedimento da primeira parte, realize uma série de medidas de 0 T e preencha a tabela. Tabela : Série de medidas de 0 T de um pêndulo simples de comprimento L. N 0. T (s T (s Dados para determinação do desvio padrão de T T Ti (s T Ti (s i T T i n σ= Calcule T com sua respectiva incerteza. T =( s Determine o valor de g com o valor de T encontrado. Utilize a equação. g=( m/s Conclusão 8

19 4ª Experiência: Força de Atrito Seco Objetivo Determinar os coeficientes de atrito estático e dinâmico. Introdução Quando a superfície de um corpo se move sobre a de outro, surgem forças de atrito, decorrentes da interação das moléculas que compõem ambos. Tais forças são paralelas às superfícies e têm direções opostas aos movimentos relativos. As forças de atrito também atuam quando um corpo é solicitado a se mover, ainda que não haja movimento relativo. Para um corpo em repouso, ou na iminência do movimento, esta força é denominada força de atrito estático e é definida por meio do intervalo: 0 Fat E E N. É, portanto, uma força variável e seu valor máximo, E N, ocorre na iminência do movimento ( E = coeficiente de atrito estático, ou seja, quando o corpo está prestes a se movimentar. Quando um corpo está em movimento, esta força é chamada força de atrito cinético e é definida por: Fat C C N, onde C é o coeficiente de atrito cinético. A força de atrito cinético é a força mínima necessária para manter o movimento de um corpo, uma vez tirado do repouso. Os coeficientes de atrito são adimensionais, determinados experimentalmente e dependem da natureza das superfícies de contato, sendo maiores para superfícies mais ásperas. Procedimento Experimental ª parte: Determinação do coeficiente de atrito estático Determinar o coeficiente de atrito entre o bloco A e a superfície de apoio apresentados na Figura (o bloco B auxiliará na determinação da deformação da mola. Para tanto, desloque a caixa C para que o bloco A se mova. 9

20 Quando o bloco A estiver na iminência de se movimentar, marque a posição do bloco B, na fita de papel. Repita este procedimento três vezes, e determine a deformação média da mola e seu respectivo desvio padrão. Coloque os valores na Tabela onde N A = Força Normal. NA C A B PA Figura : Arranjo Experimental usado para determinar o coeficiente de atrito estático Acrescente massores sobre o bloco A e repita o procedimento anterior. Complete a Tabela com os resultados obtidos. Calcule a força elástica da mola ( F k x onde k é a constante da mola para todos os casos e preencha a Tabela. Anote o valor da constante elástica da mola. k=( gf/mm Tabela : Dados para calcular o coeficiente de atrito estático. N NA NA ( x( x ( F F ( Faça um gráfico de F em função de N A e calcule o coeficiente de atrito estático, através do coeficiente angular da reta. Cabe ressaltar que, quando o corpo está na iminência do movimento: Fat E k x E N A E k x NA E = ( 0

21 ª parte: Determinação do coeficiente de atrito cinético Faça a montagem da Figura 3 onde, no equilíbrio, são obedecidas as equações: T PB Fat C onde Fat C C N A Portanto: C PB PA NA T Fat C T PA PB Figura 3: Arranjo experimental para determinação do coeficiente de atrito cinético. Para um dado valor de PA, escolha um peso PB para que o sistema se mova com velocidade constante. Aumente o peso PA, repita o procedimento e coloque os valores na Tabela. Para cada valor de PA e PB calcule o coeficiente de atrito cinético. Calcule o coeficiente de atrito cinético médio e seu respectivo desvio padrão. Tabela : Dados para calcular o coeficiente de atrito cinético. N PA ( PB ( C PB PA c = ( Conclusão

22 5ª Experiência: Equilíbrio Estático do Corpo Rígido - Barra Objetivo O ensaio tem por finalidade observar e verificar a validade das leis de equilíbrio de um sólido sujeito a ação de várias forças. Utilizando-se de cargas e dinamômetros (molas será feita a análise das reações vinculares em articulações. Introdução Entendemos por corpo rígido aquele que é absolutamente indeformável, pois todos os pontos a ele associados têm o mesmo comportamento quando submetidos à ação de forças. Se uma partícula está em equilíbrio, a resultante das forças externas que atuam sobre ela é nula. Para o caso de um corpo rígido, devemos considerar, também, os pontos de aplicação das forças e a possibilidade de sofrer rotação. O torque, ou momento de uma força, é uma grandeza vetorial que mede a capacidade que uma força F tem de causar rotação a um corpo em torno de um ponto fixo. A Figura mostra um corpo que tende a girar em torno do ponto fixo O, sob a ação de uma força F que age sobre um ponto P. O vetor r define a posição de P em relação ao ponto O. Definimos o torque em relação ao ponto O através do produto vetorial: M r F M r. F.sen F r 0 Linha de ação da força Figura : Corpo rígido sujeito a uma força, F aplicada a um ponto P, tendendo a girar em torno do ponto O.

23 Observando a Figura, vemos que o produto r sen é igual ao braço l, de modo que o módulo do torque pode ser dado por: M F. sen Quando o corpo está em equilíbrio, são obedecidas simultaneamente as condições de equilíbrio: 0 F ext e M ext 0 Nesta experiência, estudaremos o equilíbrio de uma barra colocada em um arranjo onde uma mola executará o papel de dinamômetro, e nos fornecerá o valor da tração na corda. Assim, a experiência é o estudo de uma barra submetida a ação de forças externas. Procedimento Experimental ª parte: Tração aplicada no centro de gravidade. Monte o arranjo mostrado na figura. Mola Apoio Vertical Tirante T B G A G Articulação Barra AB B PAB PC Ry Rx A PC Figura : Tração aplicada no centro de gravidade Meça o peso da barra AB. PAB = ( gf 3

24 Com o auxílio de uma régua, encontre o centro de gravidade (ponto G da barra AB. Posicione os ganchos inferior e superior no ponto G, prendendo-os com durex. Fixe a barra no ponto A com um pino (articulação e no ponto G, com o tirante menor, que por sua vez deverá ser preso à mola (vide fig.. Posicione um porta-massor, também no ponto G, mas na parte inferior da barra. Determine um peso Pc de modo que a barra AB faça um ângulo de 90º com o apoio vertical. Pc = ( gf Anote a deformação da mola e calcule a tração experimental no fio. x = ( mm T Exp = k. x TEXP = ( gf Meça o ângulo, entre o tirante e a barra AB (vide fig.. ( º Mostre que a tração pode ser calculada pela equação a seguir: TTEO = PC PAB Sen Calcule a tração teórica usando a equação acima. TTEO = ( gf Calcule o erro percentual entre a tração experimental e a teórica. E% = Retire o pino da articulação, verifique o que ocorre com a barra e explique o movimento da mesma. Calcule as componentes da reação da articulação (ponto A sobre a barra AB. Rx = ( gf ª parte: Tração aplicada no ponto B. Ry = ( gf 4

25 Mude a posição do gancho superior para o ponto B, prendendo-o à mola com o tirante maior, conforme a figura a seguir: Mola Apoio Vertical Tirante T B G A G B Articulação Barra AB Ry Rx A PAB PC PC Figura 3: Tração aplicada no ponto B Determine um novo peso Pc de modo que a barra AB faça um ângulo de 90º com o apoio vertical. Pc = ( gf Anote a deformação da mola e calcule a tração experimental no fio. x = ( Texp = ( mm gf T Exp = K x Meça o ângulo, entre o tirante e a barra AB (vide fig. 3. ( º Calcule a tração teórica. TTEO = ( gf Calcule o erro percentual entre a tração experimental e a teórica. 5

26 E% = Retire o pino da articulação, verifique o que ocorre com a barra e explique o movimento da barra. Calcule as componentes da reação da articulação (ponto A sobre a barra AB. Rx = ( gf Ry = ( gf Conclusão 6

27 6ª Experiência: Colisão Bidimensional Objetivo Determinar a velocidade de uma esfera que colide com uma outra, estacionária, utilizando as Leis de Conservação de Energia e de Quantidade de Movimento. Introdução MOVIMENTO BALÍSTICO IDEAL (sem resistência do ar Considere um corpo sendo lançado obliquamente, com velocidade V0 (conforme Figura 0. Desprezada a resistência do ar, o corpo fica sob a ação exclusiva de seu peso e sujeito apenas à aceleração da gravidade g. Y V0 V g g X Figura 0: Lançamento oblíquo de um corpo no vácuo O movimento descrito pelo corpo é resultado da composição de dois movimentos que agem simultaneamente e são independentes: movimento uniformemente variado na direção vertical, cuja aceleração é a da gravidade ( ay =g e movimento uniforme na direção horizontal, onde não há aceleração (ax = 0. Desta forma temos: Movimento horizontal (M.U.: V X V0 X cte. X X 0 V0 X t 7

28 Movimento vertical (M.U.V.: VY V0Y gt Y Y0 V0Y t gt Para um lançamento horizontal, originário de uma altura inicial y0 = h e com velocidade inicial V0x = V0 (V0y = 0 ( Figura 0 as equações horárias do movimento se reduzem a: X V0 t Y h gt Considerando pelo gráfico Y 0, temos que h = gt; assim a velocidade V0 ficará em função de X, g e h. t X V0 X h g V0 V0 Y Y0 = h gx h ( V0 V X Y=0 ALCANCE Figura 0: Lançamento horizontal de um corpo no vácuo PRINCÍPIO DA CONSERVAÇÃO DO MOMENTO LINEAR (QUANTIDADE DE MOVIMENTO Considere um corpo de massa m e com velocidade V num determinado referencial. A quantidade de momento linear deste corpo é dada por: P mv ( 8

29 Pelo Teorema do Impulso sabemos que: I R P P A expressão acima indica que a variação do momento linear de cada partícula em uma colisão é igual ao impulso que atua sobre ela. Então, na ausência de forças externas: FR 0 I R 0 P P 0 P P A expressão acima representa o Princípio da Conservação do Momento Linear. Desta forma em uma colisão uni ou bidimensional entre dois corpos, A e B, o momento linear total antes da colisão é igual ao momento linear total após a colisão: P A PB ANTES PA PB PTOTAL ANTES PTOTAL APOS APOS (3 Na figura 03 o corpo A colide obliquamente com o corpo B, inicialmente em repouso. Após a colisão, as direções dos seus movimentos não são paralelas, o que caracteriza uma colisão bidimensional: V A Figura 03: Colisão bidimensional entre dois corpos A e B PTANTES m AV PB PA PT PA PB m AV A mbv B Substituindo a equação na equação, obtemos o momento linear de cada um dos corpos A e B, após a colisão (PA e PB, ou seja: 9

30 g mx h P Conhecendo-se o ângulo entre PA (4 e PB determinamos o momento linear total após a colisão pela Lei dos Cossenos, isto é: PT PA PB. PA. PB.cos (5 Usando a equação 3 e considerando que antes da colisão o corpo B está em repouso e portando VB = 0 obtemos: PTAPOS m AV EXP (6 Substituindo as equações 4 e 5 em 6 calculamos VEXP (velocidade do corpo A ao colidir com B. 3 LEI DA CONSERVAÇÃO DE ENERGIA MECÂNICA (ENVOLVENDO ROTAÇÃO Considere uma esfera rolando a partir de uma altura H por um declive, sem deslizar (Figura 04. O seu centro de massa G fica animado com velocidade linear V e, simultaneamente, com velocidade angular w. Desta forma, em cada instante da trajetória a velocidade é dada por V=wR, onde R é o raio da esfera. Se houver escorregamento tais considerações não serão válidas. Ponto H Ponto Figura 04: Esfera que rotaciona e translada por um declive Portanto, o corpo adquire uma energia cinética de rotação E CR = Igw e uma energia cinética de translação E CT mv, onde IG é o momento de inércia da esfera em relação ao eixo que passa pelo seu centro de massa. No ponto : 30

31 existe energia potencial: E P mgh (devido à altura não existe energia cinética: E C 0 (inicialmente não há movimento e V0 = 0 No ponto : não existe energia potencial H 0 existe energia cinética E C mv I G w Calcularemos a velocidade teórica (VTEO com a qual o corpo atinge o ponto desprezando perdas de energia por calor e, portanto, aplicando a Lei de Conservação de Energia: (Energia Mecânica = (Energia Mecânica mgh mv I G w mgh mv I G w Como: V= 0; w= 0; H= H; H = 0; w = w; V = VTEO mgh mvteo I G w Sabendo-se que V TEO =wr e I G = mr, deduzimos, em função de g e h a equação que nos 5 permite calcular VTEO: V mgh mvteo R m. TEO R 5 gh VTEO VTEO 5 0 VTEO gh (7 7 Procedimento experimental Meça as massas das esferas A e B: m A= ( g mb = ( g Posicione a rampa de lançamento em cima da mesa, mantendo-a fixa durante o experimento; 3

32 Meça o desnível H entre o topo da rampa e o seu final: H=( cm Fixe a folha de registro ao pé da rampa; Mediante fio de prumo marcar o pé da vertical (ponto C na folha de registro; Meça a altura h do final da rampa até o ponto C: h=( cm Coloque uma das esferas em repouso numa pequena depressão existente no final da rampa; No topo da rampa abandone a outra esfera (sem rotação inicial para que se choque com aquela em repouso; Após a colisão, as esferas atingem a folha de registro nos pontos 3 e 4. Meça os alcances X A e XB do ponto C até os pontos 3 e 4 e o ângulo entre eles; Repita o procedimento cinco vezes. MA Ponto MB H Ponto h 4 XA C XB Fio de prumo (Altura h entre o ponto e o ponto C 3 Folha de registro Figura 5: Arranjo Experimental Tabela : Dados relativos ao alcances dos corpos A e B e o ângulo entre esses alcances XA XA (cm XB XB (cm ( Calcule a VTEO usando a equação (7: 3

33 VTEO = ( m/s Calcule VEXP usando as equações (4 e (5 em (6: VEXP = ( m/s Compare VTEO com VEXP através do erro percentual E%. E% = Conclusão 33