Augusto Massashi Horiguti. Doutor em Ciências pelo IFUSP Professor do CEFET-SP. Palavras-chave: Período; pêndulo simples; ângulos pequenos.



Documentos relacionados
Desse modo, podemos dizer que as forças que atuam sobre a partícula que forma o pêndulo simples são P 1, P 2 e T.

Dinâmica Longitudinal do Veículo

4.1 Método das Aproximações Sucessivas ou Método de Iteração Linear (MIL)

Coordenadas polares. a = d2 r dt 2. Em coordenadas cartesianas, o vetor posição é simplesmente escrito como

Experiência n 2 1. Levantamento da Curva Característica da Bomba Centrífuga Radial HERO

Curso de Engenharia Mecânica Disciplina: Física 2 Nota: Rubrica. Coordenador Professor: Rudson R Alves Aluno:

PSI-2432: Projeto e Implementação de Filtros Digitais Projeto Proposto: Conversor de taxas de amostragem

2 Mbps (2.048 kbps) Telepac/Sapo, Clixgest/Novis e TV Cabo; 512 kbps Cabovisão e OniTelecom. 128 kbps Telepac/Sapo, TV Cabo, Cabovisão e OniTelecom.

AUTO CENTRAGEM DA PLACA DE RETENÇÃO DE UMA MÁQUINA DE PISTÕES AXIAIS TIPO SWASHPLATE.

1 O Pêndulo de Torção

03/04/2014. Força central. 3 O problema das forças centrais TÓPICOS FUNDAMENTAIS DE FÍSICA. Redução a problema de um corpo. A importância do problema

NOTA SOBRE INDETERMINAÇÕES

Em cada ciclo, o sistema retorna ao estado inicial: U = 0. Então, quantidade de energia W, cedida, por trabalho, à vizinhança, pode ser escrita:

Definição de Termos Técnicos

TÓPICOS. ordem; grau; curvas integrais; condições iniciais e fronteira. 1. Equações Diferenciais. Conceitos Gerais.

Curso de Engenharia Química Disciplina: Física 2 Nota: Rubrica. Coordenador Professor: Rudson R Alves Aluno:

AII. ANEXO II COEFICIENTE DE CONDUTIBILIDADE TÉRMICA IN-SITU

1 a Prova de F-128 Turmas do Noturno Segundo semestre de /10/2004

Oscilações amortecidas

CAPÍTULO 06 ESTUDOS DE FILAS EM INTERSEÇÕES NÃO SEMAFORIZADAS

EC1 - LAB - CIRCÚITOS INTEGRADORES E DIFERENCIADORES

ANÁLISE MATEMÁTICA IV FICHA SUPLEMENTAR A =

SISTEMA DE PONTO FLUTUANTE

6. Moeda, Preços e Taxa de Câmbio no Longo Prazo

A VARIAÇÃO ENTRE PERDA & PERCA: UM CASO DE MUDANÇA LINGUÍSTICA EM CURSO?

UMA INTRODUÇÃO A TOPOLOGIA

2 x. ydydx. dydx 1)INTEGRAIS DUPLAS: RESUMO. , sendo R a região que. Exemplo 5. Calcule integral dupla. xda, no retângulo

CONTINUIDADE A idéia de uma Função Contínua

ANÁLISE MATEMÁTICA IV A =

TÓPICOS. EDO de variáveis separadas. EDO de variáveis separáveis. EDO homogénea. 2. Equações Diferenciais de 1ª Ordem.

As Abordagens do Lean Seis Sigma

PSICROMETRIA 1. É a quantificação do vapor d água no ar de um ambiente, aberto ou fechado.

DE EXERCÍCIOS DE VARIÁVEIS COMPLEXAS

Curso de Engenharia Química Disciplina: Física I Nota: Rubrica. Coordenador Professor: Rudson Alves Aluno:

Resolução da Prova 1 de Física Teórica Turma C2 de Engenharia Civil Período

Resolução do exame de Análise Matemática I (24/1/2003) Cursos: CA, GE, GEI, IG. 1ª Chamada

EQUAÇÕES DIFERENCIAIS

FÍSICA COMENTÁRIO DA PROVA DE FÍSICA

UNIVERSIDADE FEDERAL DA BAHIA INSTITUTO DE MATEMÁTICA DEPARTAMENTO DE MATEMÁTICA MAT Matemática I Prof.: Leopoldina Cachoeira Menezes

Atrito Fixação - Básica

Uma característica importante dos núcleos é a razão N/Z. Para o núcleo de

Universidade Federal do Rio de Janeiro Instituto de Matemática Departamento de Matemática

Capítulo 4 Resposta em frequência

Procedimento em duas etapas para o agrupamento de dados de expressão gênica temporal

ModelosProbabilísticos paravariáveis Discretas. Modelo de Poisson

Desta maneira um relacionamento é mostrado em forma de um diagrama vetorial na Figura 1 (b). Ou poderia ser escrito matematicamente como:

E X A M E ª FASE, V E R S Ã O 1 P R O P O S T A D E R E S O L U Ç Ã O

Atitudes Sociolinguísticas em cidades de fronteira: o caso de Bernardo de Irigoyen. Célia Niescoriuk Grad/UEPG. Valeska Gracioso Carlos UEPG.

Curso de Engenharia Elétrica Disciplina: Nota: Rubrica. Coordenador Professor: Rudson Alves Aluno:

Análise Matemática IV

EQUAÇÕES DIFERENCIAIS LINEARES DE 2ª ORDEM

Estudo da Transmissão de Sinal em um Cabo co-axial

Memorize as integrais imediatas e veja como usar a técnica de substituição.

Atrito Cinético. de deslizamento. Ela é devida à interacção entre as partículas dos dois corpos em contacto.

E X A M E ª FASE, V E R S Ã O 1 P R O P O S T A D E R E S O L U Ç Ã O

Instituto de Física USP. Física V - Aula 32. Professora: Mazé Bechara

Seja f uma função r.v.r. de domínio D e seja a R um ponto de acumulação de

ESTUDO DA CINÉTICA DE SECAGEM DO BAGAÇO DO PEDUNCULO DO CAJU IN NATURA E ENRIQUECIDO, COM APLICAÇÃO DO MODELO DIFUSIONAL DE FICK.

Resolução. Admitindo x = x. I) Ax = b

Módulo II Resistores, Capacitores e Circuitos

PERFIL DE SAÍDA DOS ESTUDANTES DA 5ª SÉRIE DO ENSINO FUNDAMENTAL, COMPONENTE CURRICULAR MATEMÁTICA

EQUAÇÕES DIFERENCIAIS NOTAS DE AULA

uma estrutura convencional. Desta forma, o desempenho de um sistema estrutural está diretamente relacionado com o desempenho de suas ligações.

A energia cinética de um corpo de massa m, que se desloca com velocidade de módulo v num dado referencial, é:

10 Encontro de Ensino, Pesquisa e Extensão, Presidente Prudente, 21 a 24 de outubro, 2013

FUNÇÕES DE UMA VARIÁVEL COMPLEXA

Razão e Proporção. Noção de Razão. 3 3 lê-se: três quartos lê-se: três para quatro ou três está para quatro

Departamento de Engenharia Elétrica CONTROLE DIGITAL

3º) Equação do tipo = f ( y) dx Solução: 2. dy dx. 2 =. Integrando ambos os membros, dx. dx dx dy dx dy. vem: Ex: Resolva a equação 6x + 7 = 0.

Introdução ao Processamento Digital de Sinais Soluções dos Exercícios Propostos Capítulo 6

Catálogo de Perfis Padronizados

Desse modo, sendo E a energia de ligação de um núcleo formado por Z prótons e (A Z) nêutrons, de massa M(Z,A), pode-se escrever: E 2

EDITAL N.º 24/2016 EDITAL PROCESSO SELETIVO ESPECÍFICO PARA INGRESSO DE FRONTEIRIÇOS 2016

PROPOSTA DE RESOLUÇÃO DA PROVA DE MATEMÁTICA A DO ENSINO SECUNDÁRIO (CÓDIGO DA PROVA 635) 2ª FASE 21 DE JULHO 2014 Grupo I.

UNIVERSIDADE FEDERAL DE OURO PRETO Instituto de Ciências Exatas e Biológicas. Mestrado Profissional em Ensino de Ciências

INSTRUÇÕES. Os formadores deverão reunir pelo menos um dos seguintes requisitos:

Hewlett-Packard MATRIZES. Aulas 01 a 06. Elson Rodrigues, Gabriel Carvalho e Paulo Luiz

ATIVIDADES PARA SALA. Capítulo 11 FÍSICA 2. Associação de resistores Associação mista. 2? a série Ensino Médio Livro 3? B Veja a figura.

OFICINA 9-2ºSementre / MATEMÁTICA 3ª SÉRIE / QUESTÕES TIPENEM Professores: Edu Vicente / Gabriela / Ulício

Sistemas de coordenadas em movimento

Edital de seleção de candidatos para o Doutorado em Matemática para o Período

66 (5,99%) 103 (9,35%) Análise Combinatória 35 (3,18%)

Curso de Engenharia Química Disciplina: Nota: Rubrica. Coordenador Professor: Rudson Alves Aluno:

Matemática A Extensivo V. 6

Lei nº 7998/90. Pós MP nº 665/14 Vigência 60 dias após a data da publicação Art. 2ºB Revogado Art. 2ºB Revogado Art. 2ºB Revogado

EXPRESSÕES LÓGICAS. 9.1 Lógica proposicional AULA 9

Exame de Matemática Página 1 de 6. obtém-se: 2 C.

UFJF ICE Departamento de Matemática Cálculo I Terceira Avaliação 10/07/2010 FILA A Aluno (a): Matrícula: Turma:

Estatística. 6 - Distribuições de Probabilidade de Variáveis Aleatórias Contínuas

Análise e Projeto de Sistemas Introdução. Prof. Edjandir Corrêa Costa

λ, para x 0. Outras Distribuições de Probabilidade Contínuas

Segunda Prova de Física Aluno: Número USP:

TECNOLOGIA DE INFORMAÇÃO

Vedação. Climatécnica CONJUNTOS DE GRELHA E FILTRO LINHA PFA IV GERAÇÃO. em poliuretano

Solução da equação de Poisson 1D com coordenada generalizada

Proposta de Resolução do Exame Nacional de Física e Química A 11.º ano, 2011, 1.ª fase, versão 1

5.10 EXERCÍCIO pg. 215

DISTRIBUIÇÃO DE PROBABILIDADE DE VALORES EXTREMOS DA PRECIPITAÇÃO MÁXIMA DE 24 HORAS DE BELÉM DO PARÁ

LISTA DE EXERCÍCIOS 4 GABARITO

Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. Departamento de Engenharia de Estruturas e Fundações

Transcrição:

DETERMNAÇÃO DA EQUAÇÃO GERAL DO PERÍODO DO PÊNDULO SMPLES Doutor m Ciências plo FUSP Profssor do CEFET-SP Est trabalho aprsnta uma rvisão do problma do pêndulo simpls com a dmonstração da quação do príodo do pêndulo simpls não linar, isto é, não usando a aproximação sno(o) = O,mas mostrando a xpansão para chgar à quação qu não fica limitada a pqunos ângulos. Palavras-chav: Príodo; pêndulo simpls; ângulos pqunos. This articl prsnts a study about th simpl pndulum problm with th dmonstration 01 th non-linar priod quation 01simpi pndulum, that is, without using th approximation sno(o) = O, but showing th xpansion to rach th quation that is not limitd to small angls. Ky-words: Priod; simpl pndulum; small angls. NTRODUÇÃO o studo d movimntos priódicos (Nussnzvig, 1983), tm norm importância para comprnsão d divrsos problmas mcânicos. Dntr os divrsos casos, o pêndulo simpls (Yung-Kuo, 1984), é o mais fácil d sr rproduzido, visto qu ncssitamos apnas d um fio ou similar um corpo d massa lvada quando comparada com a do fio, d modo qu a massa dst último pod sr dsprzada m primira aproximação. Assim, o cntro d massa do sistma massa-fio stará muito próximo do cntro d massa do corpo. Caso s quira um problma mais complxo, basta lvar m conta ambas as massas trmos uma abordagm dada plo pêndulo composto (Symon, 198). O problma do pêndulo simpls prmit divrsas abordagns, sja para a simpls dtrminação d um modlo simplificado para a quação do príodo (Marion,1991), sja para dtrminação mpírica da quação do príodo (Silvira, 1986 Horiguti; Pascholati, 00), sja para a dtrminação do cálculo da gravidad (Lima; Piacntini, 1984), ou como mot para introdução do cálculo numérico (Castro Barbosa; Carvalhas; Costa, 006). Em gral, a maioria das abordagns trabalha com a xprssão do príodo do pêndulo simpls para pqunos ângulos: T~ 7rJ! ' o qu d crta forma possui uma crta limitação qu não atrapalha a anális d dados. Nosso objtivo consist m dmonstrar a quação m sgunda aproximação, a qual stá mais próxima da ralidad não fica rstrita a pqunos ângulos. Para isto, irmos rsolvr a quação difrncial do pêndulo simpls: d ml- dt = -mgsn(), sm utilizar a aproximação sn (9) 9 para ângulos pqunos. N st trabalho irmos fazr uma rvisão do problma do pêndulo simpls para Sinrgia, São Paulo, v. 7, n. 1, p. 59-63, jan.jjun. 006

qualqur ângulo, iniciando com a rsolução para pqunos ângulos, finalizando com a dtrminação da quação do príodo para qualqur ângulo (Mdina; Vlazco; Salinas, 006) a comparação com o modlo simplificado. RESOLUÇÃO DO PÊNDULO SMPLES PARA PEQUENOS ÂNGULOS o problma do pêndulo simpls pod sr rprsntado pla figura 1, na qual tmos um corpo suspnso por um fio, ond a massa do corpo é muito maior do qu a massa do fio, fazndo com qu o cntro d massa do sistma corpo-fio praticamnt coincida com o cntro d massa do corpo. Dsta forma, podmos tratar o problma analisando as forças sobr um ponto qu é o cntro d massa do corpo. 18 Figura. Rprsntação das forças atuants no pêndulo simpls. Dcompondo a força Pso nas componnts tangncial (Pta) normal (PN)' vrificamos qu a rsultant das forças srá: F R l = -Etan = -mgsn() Para rsolvrmos o problma, usamos a sgunda Li d Nwton d forma qu, scrvndo m coordnadas polars: d mt - = -mg sn (). dt Em gral, a rsolução dsta quação difrncial utiliza a aproximação para pqunos ângulos d forma qu o problma fica smlhant à quação do MHS: ond d f':::-@o, dt @~ = ~ =::;, @O= jf-. Usando a dfinição d pulsação, isto é @o = Jf,o príodo do pêndulo simpls srá T dado por T = Jf~ Lmbramos qu sta rsolução fica limitada m trmos d ângulo, impossibilitando análiss para movimntos d maior amplitud. EQUAÇÃO DO PERÍODO PARA QUALQUER ÂNGULO Nosso problma consist m rsolvr a quação difrncial (ED) sm a aproximação angular, isto é,.. g = sn Jl ' supondo qu o pêndulo foi abandonado d um ângulo 8, 0 Primiramnt usamos a dfinição da vlocidad angular:. d{}. d{}. {}= - ~ ()dt= - dt ~ ()dt= d{}. dt dt Multiplicando a dfinição acima nos dois mmbros da ED da quação difrncial tmos: Od{) = - g snôdi) ~ Oédt = - g snôdt). m qu o lado squrdo dssa quação pod sr rscrito como:..... dti,. dt).. 1 (') {}{}dt= -{}dt = {}-dt = ()d{)= -d\{} dt dt Sinrgia, São Paulo, v. 7, n. 1, p.59-63, jan.jjun. 006

nquanto qu no lado dirito da quação srá dado por - sn éb' = d (cos ). Dss modo, a ED ficará como: d(ép)= g d(cos9), a qual pod sr intgrada quação para ângulos d 8 0 até 8, nquanto qu a vlocidad angular varia d O atég : ij 8 Sd(tr)=~ Sd(cosB)~tr =~(cosb-cosbo)~ o for,. f ~ d = fi dt ~(cosb-cosbo) ft Para dtrminarmos o smipríodo d oscilação, tmos d intgrar sta quação d -8 0 até 8 0, ou sja: S o d (g T -8 0 ~ (cos - cos o ) = ~f. A rsolução dssa intgral não é trivial. Dvmos primiramnt usar a idntidad trigonométrica com o ângulo variando d -nl até n, vamos obtr: ~ 1fT = H-sn(6; }n($f d$ tmos: 1t Usando a xpansão binomial ( rn n(n + 1) l-x) =l+nx+ \: x +...! cosli = 1- sn' (~) 1 (1-sn'(6~1+sn'( ~ JJ =Hl~ As intgrais trigonométricas são conhcidas: Fazmos agora a mudança d variávl: por: Assim, a quação do príodo srá dada H 1 (8 0J 9 4(8 0J T=n -[l+-sn - +-sn - + g 4 64 d8 = sn(~ }OS($ )t$ l_sn(6; }n ($) + 5 sn6(80j+ 1105 sn s (8 0 J+...]. 304 147456 Ao compararmos sta quação com o modlo simplificado, isto é, To = 1fl, vamos obtr uma rlação ntr as duas soluçõs: Sinrgia, São Paulo, v. 7, n. 1, p.49-63, jan.jjun. 006

T (Bo) 9 4(Bo) To= 1+ 4 sn + 64 sn + 5 6(Bo) 1105 8(Bo) +sn - + sn - +... 304 147456 a qual prmit qu sja confccionado um gráfico m trmos do ângulo inicial90' conform a gráfico 1. 1,7 1,6 1,5 1,4 1,3 1, 1,1.> ~ L-" 1(:j4 nf ~ 1,0 O 31r4 (radianos) Gráfico 1. Rprsntação das rlaçõs ntr os príodos o ângulo inicial. Podmos notar qu o modlo simplificado do cálculo do príodo do pêndulo simpls é uma ótima aproximação para ângulos d até n1 radianos, visto qu a difrnça m rlação ao modlo mais prciso fica acima dos 99,5 %, nquanto qu a simplificação constitui uma boa aproximação até ângulos d n6 radianos, com uma prcisão d 98,0 %. Porém, msmo para ângulos supriors a n6 radianos, o modlo simplificado ainda proporciona uma boa stimativa para o cálculo do príodo do pêndulo, visto qu a prcisão mínima dst modlo fica m tomo dos 80,0 %, isto s stivrmos lvando m conta qu apnas uma oscilação srá analisada. O fato d o modlo simplificado não dpndr da amplitud proporciona divrsas facilidads m trmos xprimntais. Em trmos xprimntaisé muito comum sugrirmos o uso d pêndulos com um grand comprimnto, visto qu os ângulos pqunos são mais fácis d srm obtidos, fazndo com qu o xprimnto fiqu rstrito aos limits m qu o modlo simplificado constitui uma boa aproximação. sto justifica o fato d qu não é comum a utilização do modlo mais prciso m xprimntos do nsino médio, apsar d constituir um ótimo momnto para discussão dos limits dos modlos matmáticos, d forma a dmonstrar qu muitas vzs um modlo simplificado pod xplicar muito bm um dtrminado fnômno dntro d crtos limits qu s podm construir modlos mais complxos, os quais aprsntam rsultados qu s aproximam mais da ralidad. Sinrgia, São Paulo, v. 7, n. 1, p. 49-63, jan.jun. 006

REFERÊNCAS CASTRO BARBOSA, A. C.; CARVALHAES, C. G..; COSTA, M. V. T. A computação numérica como frramnta para o profssor d fisica no nsino médio. Rvista brasilira d nsino d fisica, v. 8, 006, p. 49-54. HORGUT, A. M.; PASCHOLAT, C. E. Dtrminação mpírica do príodo do pêndulo simpls. Apostila d fisica para o Tcnolágico, CEFET-SP, 00. LMA, F. R. R.; PACENTN, 1. 1. Pêndulo simpls - um método simpls ficint para dtrminar g: uma solução para o nsino médio. Cadrnos catarinnss d nsino d fisica. (1) p. 6-9. Florianópolis, dz. 1984. MARON, J. B. Dinámica clásica d as partículas y sistmas, p. 179-185, Barclona: Rvrté, 1991. MEDNA, C.; VELAZCO, S.; SALNAS, 1. Control xprimntal di modlo d pêndulo matmático, Rvista brasilira d nsino d flsica, v. 4, 006, p. 54. NUSSENZVEG, H. M. Curso d fisica. V., p. 67-114. Rio d Janiro: Edgard Blüchr, 1983. SLVERA, F. L. Estudo mpírico da rlação ntr o príodo a amplitud d um pêndulo simpls. Cadrnos catarinnss d nsino d fisica, 3 (3) p. 134-137, Florianópolis, dz. 1986. SYMON, K. R. Mcânica, p.45-48. Rio d Janiro: Campus,. d., 198. YUNG-KUO, L. Problms and solutions on mchanics, p. 0-1, World scintific, 1984. Sinrgia, São Paulo, v. 7, n. 1, p. 49-63,jan,jun. 006