Experiência 6 Se tentar empurrar uma caixa que se encontra em repouso no solo, notará que é difícil iniciar o movimento. O atrito estático manifesta-se através de uma força com sentido contrário ao do movimento de translação da caixa. Se aplicar uma força pouco intensa, insuficiente para mover a caixa, a força de atrito também será pouco intensa. Contudo, se aumentar a intensidade da força aplicada, a força de atrito aumentará de modo a compensar esse aumento e impedir o movimento de translação da caixa. Existe, no entanto, um limite para o valor máximo da força de atrito estático: se a força exercida na caixa ultrapassar esse valor, a caixa entrará em movimento. A intensidade da força de atrito estático máxima F s,máx pode ser relacionada com as características das superfícies em contacto, traduzidas pelo coeficiente de atrito estático µ s e com o valor da força compressora entre as duas superfícies em contacto, N: F s,max = µ s N O valor da força compressora, é neste caso, igual ao peso do corpo (caixote), mas nem sempre isso sucede: - Se houver actuação de outras forças nos corpos, com componente normal às superfícies em contacto. - Se as superfícies em contacto não forem horizontais (plano inclinado); neste caso apenas uma componente do peso contribuirá para a força compressora. - Se as superfícies em contacto forem verticais (por exemplo, um livro comprimido contra uma parede); neste caso limite, a força compressora é totalmente independente do peso. Quando o caixote começar a mover-se, será necessário continuar a exercer uma força para manter esse movimento. Isto deve-se à actuação da chamada força de atrito cinético ou de escorregamento. Para manter a caixa em movimento uniforme, a intensidade da força aplicada deve igualar o valor da força de atrito cinético. A intensidade da força de atrito cinético F k pode também ser relacionada com as características das superfícies em contacto, traduzidas pelo coeficiente de atrito cinético µ k e com o valor da força compressora entre as duas superfícies em contacto, N: F k = µ k N Nesta experiência será usado um sensor de força para estudar o atrito, quer estático, quer cinético entre vários tipos de superfícies. OBJECTIVOS Usar um sensor de força para medir valores da força de atrito estático e cinético (em situações de deslizamento). Física com a calculadora 6-1
Experiência 6 Inferir a relação entre a intensidade da força de atrito e o valor da força compressora entre as superfícies em contacto. Medir coeficientes de atrito estático e cinético para vários pares de superfícies em contacto. Investigar a eventual influência da área da superfície de contacto na intensidade da força de atrito. MATERIAL NECESSÁRIO Calculadora gráfica TI-84 Plus ou outra com porta mini-usb Interface Easy Link Sensor de força (10 N) Máquina de atrito (*) Placas de diferentes materiais e áreas Fio de costura forte Tesoura Massas marcadas Balança (*) Na ausência deste equipamento, utilizar blocos ligados por um fio ao gancho do sensor de força e puxar o sensor, lentamente e com velocidade constante, sobre uma superfície horizontal (Fig. 1) Figura 1 QUESTÕES PRÉVIAS 1. Quando empurra um caixote sobre o solo, a força necessária para iniciar o movimento é maior, igual ou menor do que a força necessária para manter o movimento? Fundamente a sua resposta. 2. Para esta situação específica, o que sucede quando o peso do caixote aumenta? SOFTWARE A calculadora deve ter a aplicação EASYDATA instalada. Ligue a calculadora e pressione a tecla APPS. Caso a aplicação não conste na lista, deverá efectuar o seu download do site da Vernier. Esta operação só tem de ser realizada na primeira utilização. PROCEDIMENTO 1. Efectue a montagem indicada na Figura 2. O suporte das placas deve estar preso por um fio ao veio do motor. Escolha uma placa A para a superfície inferior e encaixe-a no suporte. 6-2 Física com a calculadora
2. Escolha uma placa B com gancho; determine a sua massa e a área da face maior e registe esses valores nas Tabelas. Pouse a placa B sobre a placa A, prendendo-a com um fio ao gancho do sensor de força. Figura 2 3. No sensor de força, seleccione o alcance de 10 N. Em seguida, ligue-o à porta mini-usb da calculadora, usando o cabo de interface Easy Link. A aplicação Easy Data é automaticamente iniciada, configurando o sensor de força. 4. No ecrã principal do Easy Data, seleccione SETUP (use a tecla da calculadora que fica imediatamente abaixo). 5. Com as setas de navegação seleccione ZERO: surge o ecrã de aferição do zero do sensor, com uma leitura contínua de valores. Certifique-se que o fio ligado ao gancho do sensor não está tenso e espere que o valor indicado estabilize; seleccione, então, ZERO. Será conduzido ao ecrã principal, enquanto o sensor é levado a zero. 6. No ecrã principal seleccione SETUP. Com as setas de navegação seleccione TIME GRAPH e pressione a tecla ENTER. Observe a configuração indicada: caso não seja adequada, seleccione EDIT. Pressione a tecla CLEAR da calculadora para apagar o valor indicado. Escreva o novo intervalo de tempo entre amostras (sugere-se 0,1 s). Seleccione NEXT. Pressione a tecla CLEAR da calculadora para apagar o valor indicado. Escreva o novo número total de amostras (sugere-se 300). Seleccione NEXT: poderá ver um resumo da configuração. Seleccione OK para voltar ao ecrã principal. 7. Ligue o motor da máquina de atrito; antes do fio ligado ao gancho do sensor ficar tenso, seleccione START, no ecrã principal da calculadora. 8. Quando terminar a recolha de dados, o Easy Data exibe o gráfico do valor da força de atrito em função do tempo. Para terminar mais cedo a recolha de dados, seleccione STOP. Atenção: desligue o motor da máquina de atrito antes da placa A atingir o veio do motor! 9. Imprima o gráfico obtido ou esboce-o no seu caderno. Identifique as zonas correspondentes a atrito estático e a atrito cinético. Física com a calculadora 6-3
Experiência 6 10. Use as setas de navegação para percorrer o gráfico com o cursor e leia o valor da força de atrito estático máximo. Registe-o na Tabela correspondente. 11. No menu do gráfico, seleccione ANLYZ. Seleccione STATISTICS e pressione a tecla ENTER. Com as setas de navegação, coloque o cursor no início da zona de atrito cinético; seleccione OK. Com as setas de navegação, coloque o cursor no final da zona de atrito cinético; seleccione OK. Registe na tabela adequada o valor médio da força de atrito cinético. O desvio indicado é apreciável? 12. Repita a experiência para outros pares de placas, de diferentes materiais. 13. Repita a experiência para os mesmos pares de materiais, mas aumente o valor da força compressora, colocando massas marcadas sobre a placa B. Registe todos os valores necessários. TABELAS ATRITO ESTÁTICO Tipos de superfícies das placas A e B Área de contacto (cm 2 ) Massa da placa B (kg) Força compressora Força de atrito estático máximo Coeficiente de atrito estático ATRITO CINÉTICO Tipos de superfícies das placas A e B Área de contacto (cm 2 ) Massa da placa B (kg) Força compressora Força de atrito cinético média Coeficiente de atrito cinético ANÁLISE 1. Compare o valor da força de atrito estático máximo e o valor médio da força de atrito cinético, para os diferentes pares de materiais usados. 2. O coeficiente de atrito estático será, em geral, maior, igual ou menor do que o coeficiente de atrito cinético? O que prevê? 3. Determine o valor da força compressora para cada ensaio. Não esqueça que a experiência foi realizada sobre uma superfície horizontal. 6-4 Física com a calculadora
4. Calcule os coeficientes de atrito estático e cinético, para cada caso. Verifique se estão de acordo com a sua previsão. 5. As forças de atrito e/ou coeficientes de atrito dependem do tipo de superfícies em contacto? Fundamente a sua resposta nos dados experimentais. 6. As forças de atrito dependem do valor da força compressora? E os coeficientes de atrito? Fundamente a sua resposta nos dados experimentais. SUGESTÕES 1. A área da superfície de contacto afectará as forças de atrito e/ou os coeficientes de atrito? Planifique e execute uma experiência para testar a sua hipótese. 2. Se a experiência tivesse sido realizada num plano inclinado, o que mudaria? 3. Se as superfícies em contacto fossem enceradas ou lubrificadas, o que mudaria? 4. A força de atrito e o coeficiente de atrito cinético dependerão da velocidade do corpo? Como poderia comprovar a sua hipótese? Física com a calculadora 6-5